WTF!? Kurse / Python

Willkommen im (Exzellenz)kurs

Ay, Ay! ✌️ Willkommen in unserem Python Kurs im Sommersemester 2019. Bevor es losgeht, ein paar Details zu unserem Kurs

Donnerstags, 4. DS
Ort: APB/E067
Kursseite: www.python3.wtf

Unser Kurs besteht aus drei Komponenten

Präsentation

Skript

Praxisaufgabe

Sämtliche Slides sowie Praxisaufgaben findest du auf der Kursinternetseite der jeweiligen Kurseinheit zum Download bereit. Das Skript ist separat auf der Webseite erreichbar.

!> Für das Sammeln von Credits ist ein Nutzerkonto auf unserer Kursseite erforderlich. Eine Freischaltung erfolgt über https://wtfkurse.de/py/enroll.

Kurstutoren

Patrik Phan

[email protected]

Jannusch Bigge

[email protected]

Grundlagen Programmierung

Grundbegriffe

Programm
Ein Programm ist eine Vorschrift, nach der Informationen verarbeitet werden. Es besteht aus einer Folge von Vereinbarungen und Anweisungen. Es löst gestellte Aufgaben durch Manipulation von Daten.

Editor
Ein Editor ist eine Software zur Bearbeitung und Eingabe von Programmcode (Quelltext). Er unterscheidet sich von einer komfortablen Textverarbeitung dadurch, dass er keine unsichtbaren Formatierungsanweisungen in den Text einfügt, um ihn Absätze, Listen und Tabellen zu gliedern.

Compiler
Prozessoren des Computers können nur Maschinenbefehle ausführen. Compiler übersetzen den Quellcode bereits vor der Laufzeit des Programms in Maschinenbefehle.

Debugger
helfen dem Programmierer beim Suchen von logischen Fehlern. Man kann Haltepunkte setzen (Breakpoints) um Variablen auf Fehler zu testen.

IDE
Eine IDE ist eine Integrierte Entwicklungsumgebung (Abk. für Integrated Development Environment) und vereint Editor, Compiler und Debugger unter einer einheitlichen Oberfläche.

Arten der Programmierung

Strukturierte Programmierung

Die strukturierte Programmierung ist die einfachste Art und Weise in der Programmierung. Innerhalb des Programmes geht man von Phasen aus, die abgegrenzt und hierarchisch sequentiell und/oder nebenläufig ausgeführt werden.

Programme werden immer komplexer, Quelltexte füllen hunderte von Seiten (führte zu einer Softwarekrise im Jahr 1970).

?> Wie können Programmerweiterungen, Verbesserungen usw. nachträglich eingebaut werden? Wie werden sie dokumentiert?

Objektorientierte Programmierung

Erwartungen an das objektorientierte Paradigma

Wiederverwendbarkeit
Erweiterbarkeit
Leichte Wartbarkeit

Einführung in Python

Python Werkzeuge

Um deinen Python Quelltext auszuführen, gibt es zwei verschiedene Wege. Einen einfachen sowie einen etwas komplexeren Weg.

mittels einer IDE (einfach)

1️⃣ Der bequemste Weg ist die Ausführung mittels einer IDE. Wir empfehlen für den Einstieg JetBrains PyCharm. Diese wird im Kurs weiter thematisiert.

mittels der Konsole (etwas komplizierter)

1️⃣ Zuerst musst du sicher gehen, dass du Python 3 installiert hast. Je nach Betriebssystem müssen die Umgebungsvariablen korrekt gesetzt werden.

2️⃣ Gehe mittels der Konsole zu dem entsprechendem Pfad, in der du deinen Python Code als .py Datei gespeichert hast.

3️⃣ Gib nun python [Code-Datei].py (je nach deinem Dateinamen) ein.

4️⃣ Das Programm wird nun auf deiner Konsole ausgeführt. In manchen Fälen kann es passieren, dass die Konsole sich sofort nach erreichen des Endes schließt.

?> Um das Problem zu umgehen, füge in deinem Code als letzte Zeile ein input() ein. Die Konsole bleibt nun bis zur nächsten Benutzerinteraktion geöffnet.

Python Eigenschaften

Keine Semikolons
Keine geschweiften Klammern für Codeblöcke
Einrückungen zeigen Codblöcke an
Funktionsaufrufe mit runden Klammern
Funktionen werden wie folgt definiert: def <funktionsname>([parameterliste, ...]);
Variablen mit der Struktur __name__ sind spezielle Werte

Python Operatoren

mathematisch:

+, -, * , /

vergleichend:

<, >, <=, >=, == *(wertgleich)*, is *(Objektgleich)*

logisch:

or, and, not |

bitweise:

&, |, <<, >>, ^ *(xor)*, ~ *(invertierend)*

Accessoren

. *(für mathematische methoden)* , [] *(für Datenstrukturen mit Index)*

Start eines Programmes

Jedes Python Programm wird von oben nach unten eingelesen. Alle Befehle, die in einem .py Skript liegen, werden beim Start des Skriptes über python oder beim Einbinden des Skriptes in andere Programme ausgeführt. Man kann diesen Prozess umgehen, in dem man den Startpunkt besonders definiert. Erkennt Python diese, so startet der Programmablauf ab dieser Stelle.

def main():
    foobar

if __name__ == "__main__":
    # Programm startet hier, aber nur,
    # wenn es direkt als Skript ausgeführt wird.
    main()

Hier wird als erstes die Funktion main() aufgerufen. Man könnte natürlich auch folgendes schreiben:

def main():
    foobar

# Wird beim Start und beim Importieren ausgeführt
main()

Doch wenn man aus einem anderen Skript nun die Funktion main importieren möchte, würde diese dabei auch ausgeführt werden. Mit der Abfrage if __name__ == "__main__": verhindern wir dies. Alles, was hinter dieser if-Abfrage steht, wird nun ausschließlich beim Start des Skripts aufgerufen, in dem es geschrieben steht.

Input und Output

Kaum ein Programm kommt ohen Input und Output aus, deswegen hat Python dies gleich in der Standart Bibliothek enthalten.

Eingabe:

eingabe = input("Ihre Eingabe?")

Zu beachten sind in dieser Zeile vier Komponente:

eingabe (Variable)
= (weist dem Ausdruck links von ihr, den Wert des rechten Ausdrucks zu)
input() (Funktion, welche von der Konsole eine Nutzereingabe entgegennimmt)
"Ihre Eingabe?" (String, welcher als Parameter an die input()-Funktion zur Audgabe der Anweisung übergeben wurde)

Ausgabe:

print("Dieses Skript ist hilfreich")

Es wird die Funktion print() aufgerufen, welche als Parameter einen String entgegen nehmen kann. In diesem Fall Dieses Skript ist hilfreich, welcher dann auf der Konsole ausgegeben wird.

Variablentypen

Prinzipiell benötigen Variablen in Python keine Typdekleration. Dies liegt daran, dass während der Laufzeit vorrangig die Typüberprüfung stattfindet. Das Konzept wird auch dynamische Typisierung genannt.

Trotzdem sind die Typen sehr wichtig, da Python eine stark typisierte Sprache ist. Sprich man muss Variablentypen explizit in andere Typen umwandeln.

Datentyp	Beispiel	Beschreibung	Umwandlung
Integer	i = 42	Ganzzahl	int()
Float	f = 4.2	Gleitkommazahl	float()
Complex	c = 1.5j	komplexe Zahl	complex('1+2j')
Bool	b = True, b = False	boolesche Werte
String	s = "Hello python"	Zeichenkette	str()
List	l = ['spam', 1337, 42]	veränderbare Liste
Tupel	t = (21, 'word', 13)	unveränderbare Liste
Dictionary	d = {1:'ham', 2: 'spam'}	assoziatives Array
Set	s = set("Python")	Menge von Elementen
Frozenset	fs = frozenset({1:'spma', 2 : 'ham'})	unveränderbare Menge

Strings

Strings (Zeichenketten) sind in jeder Sprache sehr wichtig, da über sie mit dem Nutzer kommuniziert wird. Sie zu beherschen ist deswegen unabdingbar.

Strings sind in Python nicht veränderbar
String wird erzeugt mit '' oder `""v
Strings sind ab Python3 UTF-8 encoded

Strings können durch Konkatenation verknüpft werden.

'Hallo' + ' ' + 'Python' # => 'Hallo Python'

Listen, Tupel etc. von Strings könne mit der Funktion string.join verknüpft werden.

' '.join(['Hallo', 'Welt']) #=> 'Hallo Welt'

Elemente in Strings werden mit der format()-Funktion eingefügt.

'Dies ist ein {} Satz mit {} Worten.'.format('Satz', 8)

oder

'Dies ist ein {wort} Satz mit {number} Worten.'.format(wort = 'Satz', number = 8)

Die beste Methode (also den Zen of Python am Besten einhaltende) ist die der F-Strings.

stringtype = "F-String"
f"Dies ist ein {stringtype}! Super lesbar, oder?"

JetBrains als IDE

JetBrains ist ein tschechisches Software-Unternehmen und wurde im Jahr 2000 von den drei Russen gegründet. Das Unternehmen ist seitdem für seine seit 2001 entwickelte Java-Entwicklungsumgebung (IDE) IntelliJ IDEA bekannt.

Download

⬇️ Für die Programmiersprache Python entwickelte JetBrains die IDE PyCharm. Die Software ist Cross-Plattform kompatibel und somit für die Betriebssysteme macOS, Linux und Windows erhältlich.

https://wtfkurse.de/pycharm

Installation

▶️ Für die Programmierung von Python werden einige Tools vorausgesetzt:

für Python 2: Versionen 2.6 und 2.7
Python 3: ab Version 3.4 bis Version 3.7

Die jeweiligen Tools sind abhängig von der Plattform (Windows, Linux, macOS). Alle Hinweise zur Installation findest du in den Installationshinweisen.

https://wtfkurse.de/installpycharm

Lizenzierung

❤️ Studierende können über das JetBrains Education Programm sämtliche Software des Herstellers nutzen. JetBrains bietet auch außerhalb von Python interessante Software für den Studienalltag an.

Die Anmeldung als Studierender erfolgt über die Webseite von JetBrains. Dafür ist die Verwendung der E-Mail-Adresse der TU Dresden (@mailbox.tu-dresden.de) notwendig.

https://jetbrains.com/student

Datenstrukturen

können aus verschiedenen Datentypen bestehen
beliebige Länge
können in einander verschachtelt werden
abfrage erfolgt über Eckigeklammern

Listen

veränderbar
kann als Queue oder Stack verwendet werden

# Liste mit verschiedenen Datentypen (Integer, String, Float)
datum = [13, 'März', 13.00]

# Abfrage des ersten Elementes
tag = datum[0]

# Abfrage des letzten Elementes
uhrzeit = datum[-1]

# Liste mit drei Integer Werten
stack = [3,4,5]

# Element am Ende der Liste anfügen
stack.append(6)

# Letze Element der Liste entfernen
stack.pop()

# Element an der zweiten Stelle wird ausgetauscht
datum[1] = 'April'

Tupel

unveränderbar

# Tupel mit verschiedenen Datentypen (Integer, String, Float)
datum = (13, 'März', 13.00)

# Abfrage des ersten Elementes
tag = datum[0]

# Abfrage des letzten Elementes
uhrzeit = datum[-1]

Dictionary

zuweisendes Array
jedem Schlüssel wird genau eine Wert zugewiesen
sowohl Schlüssel als auch Wert können von beliebigem Datentyp seine

# Beispiel 1 mit String String zuweisung
dictonary = {
		'Schlüssel1' : 'Wert1',
		'Schlüssel2' : 'Wert2',
		'Schlüssel3' : 'Wert3'
}

# Beispiel 3 mit Integre String zuweisung
dictonary2 = {
	1 : 'Wert1',
	2 : 'Wert2',
	3 : 'Wert3'
}

der zugriff erfolgt über Eckigeklammern

wert = dictonary2[2]
# wert hat jetzt den wert 'Wert2' gespeichert

Kontrollstrukturen

Bis zum aktuellen Stand waren die bisher erstellten Programm in ihrer Ablauffolge sehr simpel. Es handelte sich bei den Programmen ausschließlich um Sequenzen von Anweisungen, die nach und nach ausgeführt wurden. Im Prinzip handelte es sich um das EVA-Prinzip.

In vielen Fällen lässt sich die lineare Programmstruktur nicht anwenden, da Anweisungen in eine Abhängigkeit gesetzt werden müssen. Realisiert wird dieser Programmablauf durch Auswahlstrukturen.

Einstufige Auswahl

Bedingung mit einem positiven Zweig

if Bedingung:
    <Anweisung für ja>

Zweistufige Auswahl

Bedingung mit einem positiven und negativen Zweig

if Bedingung:
    <Anweisung für ja>
else:
    <Anweisung für nein>

Mehrstufige Auswahl

Bedingung mit einem positiven und geschachtelten negativen Zweig

if Bedingung:
    <Anweisung für ja>
elif Bedinung:
    <Anweisung für ja>
elif Bedinung:
    <Anweisung für ja>
elif Bedinung:
    <Anweisung für ja>
else:
    <Anweisung für nein>

Zyklische Strukturen (Schleifen)

Wird eine Anweisung mehrmals nacheinander ausgeführt, so handelt es sich um eine zyklische Wiederholung.

Typ	Definition
Feste Schleife	Besitzen eine festgelegte Anzahl von Schleifendurchläufen.
Bedingte Schleifen	Iterieren so lange, bis eine getestete Bedingung wahr wird. Der Test kann am Anfang und Ende der Schleife sein.
Endlose Schleife	Iterieren unendlich lang, bis ein bestimmter Mechanismus sie beendet (Warten auf Eingabe) Tastenkombination: `Strg + Pause`

Merkmale

Bevor eine Schleife ausgelöst wird, muss ein Großteil der Variablen auf einem Anfangswert gesetzt werden.

Diesen Anfangswert (Vorbedingung) kann man durch Abfrage von Eingangswerten erhalten oder durch Festlegen von Anfangswerten, die sich später innerhalb der Schleife verändern.

for-Schleife

Es werden die Anzahl der Wiederholungen in einem Zähler festgehalten und bei Erreichen des Zählerendstandes eingestellt.
Anweisungen werden mindestens einmal ausgeführt, bis zum Erreichen des Endstartes (So lange, bis die Bedingung wahr geworden ist)

for i in range (1, 5) :
    Anweisung1;
    Anweisung2;
    Anweisungn;

Was heißt das?

Code	Erklärung
`for i`	Schleifenzähler
`1`	Schleife beginnt bei i = 1, Anfangswert ist 1
`5`	Schleife wird solange ausgeführt, bis i = 5

while-Schleife

Bedingung ist oft ein integer-Ausdruck
Separater Schleifenzähler erforderlich
Startwert muss außerhalb davor deklariert werden

x = 2;

while (x < 15):
	Anweisung1;
	Anweisung2;
	Anweisungn;

switch-Operation

Da das Switch Statement in Python nicht nativ implementiert ist, benutzt man hierfür einen Trick. Die Einzelnen Fälle werden als Keys in einem Dictonary gespeichert, die entsprechenden Werte dazu sind Namen von Funktionen. In den Funktionen werden die Anweisungen definiert. Damit die Funktion aufgerufen wird, muss dem Dictonary noch ein Klammernpaar nachgestellt werden.

nicht nativ in Python implementiert
realisierung mit Dictionary
Auswahlmöglichkeiten sind Keys
Werte sind Funktionsnamen welche Anweisungen definieren
Zugriff mit Eckigenklammern und nachgestellten Rundenklammern

# In einer Variable wird der entsprechende Fall gespeichert
case = 'Fall1'

switch{
'Fall1' : fall1,
'Fall2' : fall2,
'Fall3' : fall3
}

switch[case]()


def fall1():
	print("Fall 1 wurde erreicht")

def fall2():
	print("Fall 2 wurde erreicht")

def fall3():
	print("Fall 3 wurde erreicht")

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