|
|
|
|
|
|
|
Cílem této knihy je naučit čtenáře myslet jako erudovaný programátor. Tento způsob myšlení spojuje některé z výtečných rysů matematiky, jakož i technických a přírodních věd. Programátoři stejně jako matematici používají formálního jazyka k vyjádření svých myšlenek. Stejně jako inženýři i oni navrhují objekty sestavováním částí do celků a porovnávají výsledky jednotlivých alternativ. Stejně jako vědci i programátoři pozorují chování komplexních systémů, tvoří hypotézy a předpoklady výsledků.
Nejdůležitější dovedností programátora je schopnost řešit problém. Řešit problém vyžaduje schopnost jej formulovat, tvořivě přemýšlet o možnostech řešení a zvolené řešení potom jasně a stručně vyjádřit. Učit se programovat je vynikající příležitost pro osvojení těchto dovedností.
Budeme se tedy jednak učit programovat, což je užitečná dovednost sama o sobě, jednak budeme programování používat jako prostředek k dosažení jistého cíle. Jak budeme v učení postupovat, bude se nám tento cíl stávat zřejmější.
Přirozené jazyky jsou jazyky, kterými lidé hovoří - čeština, angličtina, španělština, atd. Každý tento jazyk lze popsat jeho slovní zásobou a gramatikou.
Formální jazyky jsou jazyky, sestavené záměrně pro nějaký účel. Matematika například používá svůj formální jazyk k vyjádření vztahů mezi čísly a symboly. Chemici používají svůj formální jazyk k zobrazení chemických struktur a procesů.
Programovací jazyk je rovněž formálním jazykem, používaným pro řízení činnosti počítače. Podobně jako přirozené jazyky se programovací jazyk řídí pravidly pro skladbu (syntax) a pro význam používaných slov - sémantiku (semantics).
Pravidla skladby programovacího jazyka jsou dvojího druhu:
a) Týkající se použitých znaků a slov neboli tokenů. Jedním z problémů zápisu
b) Týkající se uspořádání tokenů.
Výraz
Čteme-li větu v angličtině či češtině nebo výraz formálního jazyka, musíme rozpoznat, jaká je jejich skladba. Tomuto procesu, který u přirozeného jazyka provádíme podvědomě, říkáme v souvislosti s programovacím jazykem parsing, neboli podrobný rozbor skladby.
I když formální a přirozené jazyky mají mnho společných rysů - tokeny (slovní zásobu), strukturu, syntaxi a sémantiku - mají také mnoho rozdílů:
Protože přirozený jazyk používáme od nejútlejšího dětství, můžeme mít problémy s používáním formálního jazyka. Někdy lze rozdíl mezi formálním a přirozeným jazykem přirovnat v menší míře k rozdílu mezi prózou a poezií.
Zde je několik rad pro čtení programů (a jiných formálních jazyků). Za prvé, mějme na paměti, že text formálního jazyka je významově zhuštěnější než text přirozeného jazyka a proto jeho čtení zabere více času. Také jeho struktura je velice důležitá, takže nebývá dobrým nápadem číst pouze zhora dolů, zleva doprava. Místo toho si zvykejme provádět v mysli rozbor skladby (parsing), rozeznávaje znaky a hodnotíce strukturu. Nakonec nezapomínejme, že záleží na maličkostech. Nepřesnost, která nám projde v přirozeném jazyce, má ve formálním jazyce dalekosáhlý význam.
Program je posloupnost instrukcí, které určují, jak má být výpočet proveden. Výpočtem může být řešení matematické úlohy, jako je např. řešení systému rovnic či určení kořenů polynomu nebo jím může být symbolický výpočet, jako je vyhledání a výměna textu v dokumentu.
Podrobnosti se v různých jazycích liší, ale některé základní instrukce se vyskytují téměř v každém jazyce:
Věřte či nevěřte, to je téměř všechno z programování. Každý program, který kdy použijete, jakkoliv komplikovaný, se bude skládat z instrukcí více či méně podobných výše uvedeným. Programování můžeme také prezentovat jako proces rozdělování komplexní úlohy do menších a menších podúloh, až tyto podúlohy jsou tak jednoduché, že se dají provést pomocí těchto zákládních instrukcí.
Programovací systém je spojení programovacího jazyka, příslušných knihoven a programového vybavení (kompilátor, interpret, virtuální stroj) pro práci s tímto jazykem. Programovací jazyk Python je jazyk vyšší úrovně, stejně jako například C++,
PHP a Java.
Interpret jazyka je psán v jazyce C pro
Jazykem nejnižší úrovně je strojový (machine) jazyk, což je sekvence bitů či bajtů, jímž lze komunikovat přímo s CPU počítače. Jazykem o stupeň vyšším než strojový jazyk je tak zvaný assembler, jenž se však používá jen ve velice specifických případech.
Program v jazyce vyšší úrovně se nazývá zdrojový kód (source code), což je prostý text, sepsaný podle syntaktických pravidel příslušného jazyka. V Pythonu jsou soubory se zdrojovým kódem označovány příponou
Pokud jsou tyto soubory přímo určeny ke zpracování interpretem Pythonu, říkáme jim skripty, pokud jsou určeny k importu při zpracování jiných souborů, říkáme jim moduly.
Důležitou součástí programového vybavení Pythonu je soubor programů, označovaný jako interpret (překladač), obsahující program zvaný Kompilátor (Compiler) a program zvaný Virtuální stroj (Virtual mashine)
Na obrázku vidíme zjednodušené schematické propojení jednotlivých částí realizačního procesu při zpracování zdrojového kódu.
Instrukce zdrojového kódu jsou kompilovány (kontrolovány z hlediska skladby) a přetvořeny na mezilehlý objektový kód (bytecode). Ten je ukládán do interního adresáře pro další zpracování interpretem nebo vkládán do souboru s příponou
Interpret postupně čte mezilehlý objektový kód a v součinnosti Virtuálního stroje s případnými knihovnami (Library modules) jej v časové fázi zvané runtime překládá do strojového kódu, který je realizován počítačem.
Pro správné pochopení tohoto schematu je dobré vědět, že realizace kódu může být provedena dvojím způsobem:
Programování je složitý proces a protože jej provádí lidská bytost, je často provázeno chybami. Chyba v programu je z potměšilých důvodů označována jako bug (štěnice, veš) a proces vyhledávání chyb a jejich oprava se v originále logicky nazývá debugging (odvšivení), my korektně řekneme ladění.
V programu se mohou vyskytnout tři druhy chyb: chyby související se skladbou programu (syntax errors), s během programu (runtime errors) a s významem programu (semantic errors). Je užitečné mezi nimi rozlišovat kvůli jejich rychlejšímu vyhledání.
Python může provést výpočet jenom pro takový program, který má správnou skladbu (syntaxi). Slovo syntaxe se vztahuje ke skladbě programu a k pravidlům skladby. V češtině i angličtině musí například věta začínat velkým písmenem a končit tečkou.
Pro většinu čtenářů nepředstavuje několik málo chyb ve skladbě textu výraznou překážku pro jeho správné pochopení. Python tak snášenlivý není.
Před každým prováděním skriptu (runtime) se provádí jeho formální kontrola kompilátorem. Jakmile se ve zdrojovém kódu objeví syntaktická chyba, interpret vytiskne chybové hlášení a ukončí běh programu.
Druhým typem chyb je chyba, která se vyskytne až při běhu programu (runtime). I v tomto případě ukončí interpret běh výpočtu a pokud zná příčinu, vytiskne chybové hlášení.
Takto ošetřené chyby se také nazývají výjimky (exceptions) a
jejich definice jsou součástí programového vybavení Pythonu (viz Built-in Exceptions).
Pro úplnost je nutné zde uvést také chyby, které zastaví běh programu bez naznačení příčiny, případně chyby, které způsobí nekončící běh programu na pozadí.
Třetím typem chyb jsou chyby významové (sémantické). Objeví-li se v programu sémantická chyba, proběhne program úspěšně v tom smyslu, že se neobjeví žádné chybové hlášení, ale program neprovede to, co jsme zamýšleli. Provede něco jiného. Přísně vzato, provede přesně to, co jsme mu řekli, aby provedl.
Problém spočívá v tom, že program, který jsme napsali, není ten program, který jsme chtěli napsat. Vyznění programu (jeho sémantika) je špatné. Nalezení sémantických chyb může být někdy náročné, protože to vyžaduje zpětné porovnávání výstupu s tím, co jej v programu způsobuje.
Vyhledávání chyb je nejdůležitější dovednost, kterou potřebujeme získat. I když to může být frustrující, vyhledávání chyb je intelektuálně nejbohatší, nejnáročnější a nejzajímavější část programování.
Svým způsobem připomíná hledání chyb práci detektiva. Jsme konfrontováni s indiciemi, z nichž máme určit procesy a události, které vedly k výsledkům, jež máme před sebou.
Vyhledávání chyb je něco jako experimentální věda. Jakmile nás napadne, v čem může chyba spočívat, upravíme program a vyzkoušíme jej. Byla-li naše hypotéza správná, můžeme získanou zkušenost zobecnit a použít příště. Nebyla-li naše hypotéza správná, musíme si vymyslet jinou.
Pro někoho splývá vyhledávání chyb s programováním. To jest programování jako postupné odstraňování chyb z programu, až posléze program dělá to, co si přejeme. Jinými slovy, začneme s programem, který "něco " dělá a postupně jej malými úpravami a debugováním přeměníme na fungující program, který dělá to, co si přejeme.
Instalace pythonu je jednoduchá a ještě jednodušší. Ta jednoduchá spočívá v tom, že si na domovské stránce Pythonu vyberete vhodný instalátor poslední verze (např. python-3.11.0), stáhnete do počítače, kde jej spustíte s tím, že si pohlídáte, zda bude instalace umístěna do nabídnutého místa, např.
Stručnou ilustraci právě popsaného lze nalézt na stránce Instalace Pythonu pro Windows
Instalace není drobek, zabere na disku 260 MB ale obsahuje mnoho dober:
Pokud máme cestu k exekučním souborům (~.exe) uloženou v proměnné PATH, spustíme interaktivní konzolu (shell) Pythonu, IDLE a sphinx-quickstart pouhým zápisem jejich názvů (python, idle, easy-install) na příkazový řádek systémové konzoly v kterémkoli adresáři. U aplikace pip je nutné ještě zadat potřebné argumenty.
Interpret Pythonu se uplatňuje v
V interaktivním režimu píšeme text kódu přímo na příkazový řádek
C:\> python Python 3.11.1 (... Dec 6 2022, 19:58:39) [MSC v.1934 64 bit (AMD64)] on win32 Type "help", "copyright", "credits" or "license" for ... >>> 2+3# příkazový řádek 5
Skupina znaků
Práce v interaktivní konzole je vhodná pro testování krátkých kódů. Prostředí konzoly lze použít jako jednoduchý kalkulátor s aritmetickými operátory
Činnost interaktivní konzoly Pythonu ukončíme příkazy
Přístup k prostředí Pythonu pro jeden úkon lze zajistit z příkazového řádku systémové konzoly:
# Přepínač (shift, tag, option) -c způsobí výstup v konzole C:\> python -c "print('Ať žije Slávie!')" Ať žije Slávie!# Případně: C:\> python -c "print(2+5)" 7# Zábavné je toto zadání (lze zadat bez | sort): C:\> python -c "import this" | sort
V programovém režimu zapíšeme kód (program) nejprve do souboru. S použitím textového editoru (IDLE, Thonny, Notepad++ aj.) vytvoříme například soubor s názvem
# trampolina.py # ignorovaný komentář
Dle zavedené konvence dáváme souborům s programem v Pythonu příponu
Program potom můžeme aktivovat tak, že na řádek systémové konzoly (například
F:\codetest\howto\ch-01> python trampolina.py# zde bez 5-c
Tento skript lze realizovat interpretem Pythonu za předpokladu, že:
To lze ve Windows 10 elegantně zařídit tak, že v Průzkumníku přejdeme na složku s dotyčným souborem, kde pravým klikem myši aktivujeme kontextovou nabídku, z níž si vybereme pokyn
Do příkazového řádku otevřené konzoly doplníme uvedený příkaz:
F:\codetest\howto\ch-01> python trampolina.py 5
Při zpracování tohoto pidiprogramu došlo interně k jeho kompilaci a následné interpretaci mezilehlého bajtkódu. Kompilovaný formát (bytecode) zdrojového kódu se v tomto případě nikam trvale neukládá.
Pokud tento soubor
F:\codetest\howto\ch-01> python Python 3.11.1 (tags/v3.11.1:a7a450f, Dec 6 2022, 19:58:39) [MSC v.1934 64 bit (AMD64)] on win32 >>> import trampolina 5
>>> import trampolina# konzolu nutno otevřít ve složce ch-01 5
K vytvoření složky __pycache__ se souborem
F:\python\howto\ch-01> python -m trampolina# přepínač -m značí modul 5
Python vytváří kompilaci zdrojového kódu vždy ale kompilovaný soubor ukládá do externí složky
Na obrázku vidíme dvě otevřená okna aplikace IDLE. V horním je konzola interpretu Python (Python Shell), kde lze zadávat příkazy, ve spodním je okno textového editoru pro zápis a spouštění kódu.
Tuto aplikaci můžeme (stejně jako samostatnou konzolu Pythonu) spustit z hlavní (spodní) lišty monitoru zápisem idle v okně Start nebo přímo přes ikonu jejího zástupce, kterou je vhodné upravit následujícím způsobem:
Poklepem pravé myší klávesy na ikoně otevřeme přístup k názvu aplikace (např. IDLE) na kterém 'pravý poklep' opakujeme. Nabídne se nám další kontextové menu, ze kterého vybereme položku
Tím si zajistíme, že se při práci s aplikací IDLE budeme pohybovat v námi určeném adresáři.
Aplikace Thonny je příjemné IDE Pythonu pro nerozsáhlé práce (stejně jako IDLE). Toto prostředí poskytuje řadu užitečných pomocných oken (Asistent, Shell, Výjimky, Soubory, Nápověda, Poznámky, Inspektor objektů, Osnova, Strom programu, Proměnné, Heap, Zásobník, Ploclr-tter, Argumenty). Má také, jak vidno, české prostředí.
Instalační soubor (například)
S výhodou nainstalujeme Thonny přes pip :
D:\Editory > pip install thonnyapp
Pomocných nástrojů pro práci s Pythonem je celá řada. Kromě již uvedených IDLE a Thonny stojí za zmínku Pycharm, Pyscripter a Pyzo.
Výraz (expression) je kombinace hodnot, proměnných, operátorů a případně i volání funkcí. Zapíšeme-li výraz na příkazový řádek, interpret jej vyhodnotí a zobrazí výsledek.
>>> 1 + 1# výraz 2 >>> len("hello")# výraz 5
V ukázce vidíme vestavěnou funkci
Příkaz (statement) je instrukce, kterou může interpret provést. Samotný příkaz však neprodukuje žádný výstup. Dosud jsme poznali pouze příkaz přířazení
Blok je část programového textu, provedená jako ucelená jednotka. Blokem je soubor, tělo funkce, definice třídy; blokem je i každý příkaz a výraz, zadaný v interaktivní konzole interpreta Pythonu.
>>> x = 27; x# příkaz, neboli instrukce 27 >>> y = 3+5; y# příkaz s výrazem 8
Vyhodnocení výrazu generuje hodnotu a proto se výrazy mohou vyskytovat jen na pravé straně příkazu přiřazení.
Text programového kódu čte interpret z řádku interaktivní konzoly nebo z řádku souboru neboli modulu. Kód se zapisuje a ukládá do paměti po blocích, přednostně co řádek, to blok. Bloky mohou být i do sebe vnořené.
>>> def SayHello(name):# záhlaví funkce print("Nazdar ", name)# tělo funkce >>> x = 2 + 5# nový blok
Pokud se blok nevejde na jeden fyzický řádek, lze jej rozdělit na menší části, které se na jeden fyzické řádky vejdou a které dohromady tvoří jeden logický řádek.
Rozdělení textu se provádí vloženým zpětným lomítkem (\) nebo se k rozdělení použijí existující závorky (), [], {}, jejichž koncové závorky se umístí na následující řádek.
Takto lze rozdělit i závorky kolem argumentu funkce:
>>> print("Rozdělení logického \
řádku") # --> Rozdělení logického řádku
>>> print(2 +
5) # --> 7
Tento postup nelze použít u řetězce:
>>> print("Rozdělení logického
řádku") # --> SyntaxError: neukončený literál
Blok kódu začíná počátkem řádku nebo odsazeným řádkem textu. Všechny řádky stejného bloku mají stejné odsazení. Deklarace bloku končí změnou odsazení. Doporučovaná velikost odsazení jsou 4 mezery, zadané klávesou Tab.
Deklarace více bloků na jednom řádku lze oddělit středníkem:
>>> a,b = 10,30; a,b# hromadné přiřazení a invokace (10, 30)
Pro vkládání údajů do programu z klávesnice se používá funkce
>>> n =input ("Zadej součet: "); n Zadej součet:4 + 3**2 # zadán výraz typu 'integer' '4 + 3**2'# vrácen výraz typu 'string' >>> n '4 + 3**2'# význam slov 'integer', 'string' viz Kap. 2.1
Chceme-li jako vstup zadat výraz, který se i vyhodnotí, použijeme funkci
>>>eval (n) 13 >>>eval (input ('Zadej výraz Pythonu: '))Zadej výraz Pythonu: 2.5 + 3**4 83.5
Funkce
Protože je zavedenou konvencí začínat programování pozdravem "Hello World!", uvedeme si jeho ukázku také. V tomto případě se jak zápis kódu, tak jeho vyhodnocení a výstup uskuteční v konzole Pythonu. Použijeme k tomu funkci
V Pythonu 2.x bychom použili příkaz:
>>> print "Hello, World!" Hello, World!
Uvozovky označují začátek a konec hodnoty typu "řetězec" (string), ve výsledku se neobjeví.
V Pythonu 3.x je print funkcí, a proto musíme použít závorky:
>>> print ("Hello, World!") Hello, World!
Na funkci
>>> print (2 + 5) 7# celá čísla jsou hodoty typu "integer"
Programy se častěji čtou než píší a jak se program stává větším a složitějším, stává se také méně přehledným. Formální
jazyky jsou hutné a často je obtížné při pohledu na část kódu určit, co má být prováděno a proč.
Proto je dobré doplnit program poznámkami, které vysvětlují, co příslušná část programu má
provádět. Poznámky či komentáře uvádíme symbolem
# minuty vyjádřené procentem hodiny percentage = (minute * 100) // 60
Všechno od znaku # (hash) až do konce řádku je komentář, nikoliv zdrojový kód. Komentář lze umístit i za skriptem:
percentage = (minute * 100) // 60# celočíselné dělení
Potřebujeme-li komentovat více řádků, umístíme znak
""" Tento text je komentářem, nikoliv zdrojovým kódem. """
Jediné dva stavy, které umí počítač ve svém elektronickém obvodu rozlišit, je přítomnost či nepřítomnost elektrického náboje. Těmto stavům se přisuzuje význam hodnoty 0 nebo 1 a tato duální hodnota se nazývá jeden
Při komunikaci s počítačem jsou všechný tisknutelné i netisknutelné (řídící) znaky vyjádřeny kódovými čísly, neboli kódovými body (code points).
Souvztažnost čísel se znaky je vyjádřena různými kódovanými sadami znaků. Kódování ASCii obsahuje 128 kódových bodů, které pokrývají znaky, symboly, číslice a velká i malá písmena anglické abecedy (například číslice 1 má kódový bod 49).
Zbývající paměťový prostor (128 čísel) jednoho bajtu je využíván různými dalšími sadami znaků pro potřebu dalších jazyků, případně pro "rozšířenou" verzí ASCii - Latin-1. Pro češtinu je použitelný systém ISO-8859-2 (Latin2) a Windows-1250 (cp1250).
Společným rysem těchto seznamů je to, že to jsou zároveň sady znaků (character sets) i kódovací schemata (character encodings), neboť všechny jejich znaky lze vyjádřit jedním bajtem.
S příchodem Internetu začala mnohost kódovacích sad nevyhovovat. Na počátku 90. let minulého století byl do používání uveden systém Unicode, jenž definuje číselnou řadu 0 až 1.114.111 (0 až 0x10FFFF v hexadecimálním vyjádření). Jednotlivé číslo této řady se nazývá Unicode Code Point (
Samotná sada znaků Unicode však ještě není kódování. Je to pouhý seznam (codespace) čísel a jim odpovídajících znaků. Pro praktické používání znakové sady Unicode byly vyvinuty 3 způsoby kódování (kódovací schemata): UTF-8, UTF-16 a UTF-32. Každé toto kódování zahrnuje všechny znaky Unicode, liší se však počtem bajtů pro vyjádření jednoho znaku.
Python implicitně používá kódování UTF-8. Všechny akcentované znaky češtiny zabírají 2 bajty. Kódová čísla se zapisují v hexadecimálním formátu.
>>> 1 2
File "<stdin>", line 1
1 2
^
SyntaxError: invalid syntax
V mnoha případech Python ukáže místo, kde k chybě došlo, ale toto označení není vždycky
správné. Také příčina chyby není vždy podrobně uvedena. Takže nám nezbývá, než se řádně
naučit pravidla skladby. V našem příkladě si Python stěžuje, protože mezi čísly není
žádný operátor.
Traceback (most recent call last): File "<stdin>", line 1, in ?Toto je chyba při běhu programu, podrobněji NameError (chyba jména) a ještě více podrobněji to je chyba proto, že jménoNameError: name 'tvaroh' is not defined
>>> 'Toto je test ...'
Poté vytvořte skript s názvem uložte a spusťte jej znova. Co se stalo tentokrát?
|
|
|
|
|
|
|