Введение в программирование на Python

Введение в программирование на Python

2-е издание, исправленное

Северенс Ч.

Национальный Открытый Университет “ИНТУИТ”
2016

2

Введение в программирование на Python/ Ч. Северенс - М.: Национальный Открытый Университет
“ИНТУИТ”, 2016

Вводный курс по программированию дает представление о базовых понятиях структурного
программирования (данных, операциях, переменных, ветвлениях в программе, циклах и функциях).
Python обладает рядом преимуществ перед другими языками для начинающих изучать
программирование, прежде всего благодаря ясности кода и быстроты реализации.

(c) ООО “ИНТУИТ.РУ”, 2015-2016
(c) Северенс Ч., 2015-2016

3

Почему следует научиться писать программы?

Видео

По ссылке youtube выложено видео с русскими титрами.

Компьютеры способны быстро решать задачи, которые являются трудоемкими для
человека. Например, подсчет частоты встречаемости слов в тексте и определение слов,
которые встречаются чаще всего. Человек способен решить такую задачу, но это
скучная и однообразная работа. Компьютер (или PDA - персональный цифровой
помощник) справляется с ней быстро:

       python words.py
       Enter file:words.txt
       to 16

Это пример выполнения программы, которая в дальнейшем будет разбираться более
подробно.

Выучив язык программирования Python, вы сможете передать решение повседневных
задач помощнику (компьютеру), таким образом, вы освободите время для решения
более интересных проблем.

1.1. Творчество и мотивация

Создание программ, которые будут использоваться другими людьми - это творческое
занятие. Огромное количество программ на компьютере конкурируют за ваше
внимание и интерес (программисты зарабатывают на этом деньги). Задачей данного
пособия является не зарабатывание денег или радость конечного пользователя, а более
продуктивное выполнение повседневных задач обработки данных.

1.1. Архитектура компьютера

Если бы вы разобрали компьютер или мобильный телефон и заглянули внутрь, то
увидели бы следующие части:

4

На высоком уровне определения частей следующие:

Центральный процессор (CPU) - часть компьютера, которая создана, чтобы
постоянно спрашивать “что дальше”? Если частота вашего компьютера 3.0 ГГц,
это означает, что CPU будет спрашивать “что дальше?” три миллиарда раз в
секунду.

Оперативная память (Main Memory) используется для хранения информации,
которая срочно необходима CPU. Информация, хранящаяся в оперативной памяти,
стирается, когда питание компьютера прекращается.

Вторичная память (Secondary Memory) также нужна для хранения информации, но
она медленнее оперативной памяти. Особенностью вторичной памяти является
возможность хранить информацию после выключения питания компьютера.
Примеры вторичной памяти: диски или флеш-память.

Устройства ввода/вывода (Input and Output Devices) – наш монитор, клавиатура,
мышь, микрофон, колонки и т.д. Они обеспечивают взаимодействие с
компьютером.

В наше время большинство компьютеров имеют сетевой адаптер (Network
Connection) для обмена информации через сеть.

1.3. Понимание программирования

В остальной части книги, мы постараемся превратить вас в человека, который является
специалистом в области программирования.

В конце вы станете программистом, возможно, не профессиональным программистом,
но, по крайней мере, вы будете иметь навыки исследования проблем анализа данных/
информации и разработки программ для их решения.

5

В известном смысле, нужно два навыка, чтобы стать программистом:

Во-первых, необходимо знать язык программирования (в нашем случае, Python) вам необходимо знать лексику и грамматику. В новом языке вы должны
правильно строить слова и “предложения”.

Во-вторых, вам необходимо “рассказать историю”. При написании истории, вы
объединяете слова и фразы, передающие сюжет читателю. В программировании,
наша программа - это “история”, а проблема, которую вы пытаетесь решить – это
сюжет.

Однажды выучив язык программирования, такой как Python, вы обнаружите, что
сможете легко выучить второй язык программирования, такой как JavaScript или С++.
Новый язык программирования имеет много отличий в словаре и грамматике, но как
только вы приобретете навыки решения задач, они будут одинаковыми во всех языках
программирования.

Вы очень быстро выучите словарь (vocabulary) и выражения (sentences) Python. Но
чтобы научиться писать большие программы для решения сложных проблем,
понадобится время. Мы изучим программирование подобно изучению письму. Мы
начнем читать и разбирать программы, затем напишем простые программы и только
потом перейдем к более сложным. В некоторый момент вы “поймаете вашу
писательскую музу”, самостоятельно увидите шаблоны решения проблемы и сможете
написать программу. С этого момента программирование становится очень приятным
и творческим процессом.

Мы начнем со словаря и структуры программы на Python. Будьте терпеливы, в первый
раз вы учились читать на простых примерах.

1.4. Слова и фразы

В отличие от человеческих языков, словарь Python значительно меньше. Назовем этот
словарь списком зарезервированных слов. Существуют слова, которые в Python имеют
специальное значение. Когда вы встречаете эти слова в программе на Python, они
имеют одно и только одно значение для Python. Позже вы будете писать программы и
создавать переменные (variables) - собственные слова, которые имеют смысл для вас. У
вас будет широкий выбор имен для ваших переменных, но вы не можете использовать
в качестве имен переменных зарезервированные слова.

В известном смысле, когда вы дрессируете собаку, вы можете использовать
специальные слова, например, “сидеть”, “стоять”, “принести”. Когда вы общаетесь с
собакой и не используете какие-либо зарезервированные слова, они только смотрят на
вас, пока вы не произнесете зарезервированное слово. К примеру, если вы скажете: “Я
желаю большинству людей ходить (walk) для улучшения здоровья”, то собака услышит
нечто подобное: “ла ла ла ла ла ла ходить (walk) ла ла ла ла ла ла”. Слово ходить (walk)
является зарезервированным в языке собаки.

6

Зарезервированные в Python слова:

and del for is raise assert elif from lambda return break else 
global not try class except if or while continue exec import 
pass yield def nally in print

В отличие от собаки, Python уже обучен этим словам.

Позже мы изучим зарезервированные слова и то, как они используются, а сейчас
сосредоточимся на эквиваленте слову “говорить” (speak) в Python:

print 'Hello world!'

Мы написали нашу первую синтаксически правильную фразу на Python. Наша фраза
начинается с зарезервированного слова print и продолжается текстовой строкой,
заключенной в одиночные кавычки.

1.5. Разговаривающий с Python

Теперь, когда у нас есть слово и простая фраза, которую мы знаем на Python,
необходимо научиться общению с Python для проверки наших языковых навыков.

Предварительно нам надо установить Python на компьютер и запустить в
интерактивном режиме. Инструкция по установке Python в ОС Windows будет здесь:
ссылка: http://pycode.ru/edu/why-python/

В интерактивном режиме получим следующее:

Python 1.7.3 (default, Apr 10 2012, 23:31:26) [MSC v.1500 32 bit (Intel)] on 
win32

Type "copyright", "credits" or "license()" for more information.
>>>

С помощью символов >>> интерпретатор Python спрашивает: “Что вы хотите, чтобы я
сделал дальше?”. Теперь Python готов с вами общаться.

Скажем, для примера вы не знали простых слов или фраз для общения с Python. Вы
захотели использовать стандартные строки, которые астронавты используют, когда
прилетают на другую планету и пытаются поговорить с жителями этой планеты:

>>> I come in peace, please take me to your leader
SyntaxError: invalid syntax

Это не очень хорошо. Жители планеты, скорее всего, вас поджарят и съедят на ужин. К
счастью, вы захватили с собой в путешествие эту книгу.

Попробуйте еще раз:

7

>>> print 'Hello world!'
Hello world!
>>> print 'Привет, мир!'
Привет, мир!

Это выглядит гораздо лучше, поэтому попытайтесь сообщить еще немного:

>>> print 'You must be the legendary god that comes from the sky'
You must be the legendary god that comes from the sky
>>> print 'We have been waiting for you for a long time'

We have been waiting for you for a long time
>>> print 'Our legend says you will be very tasty with mustard'
Our legend says you will be very tasty with mustard
>>> print 'We will have a feast tonight unless you say
SyntaxError: EOL while scanning string literal
>>> 

Разговор шел хорошо, пока вы не совершили маленькую ошибку в языке Python.

На данный момент, вы также должны понимать, что Python удивительно сложный и
мощный язык, он очень требователен к синтаксису, используемому для
взаимодействия с ним, но Python НЕ обладает разумом. Вы беседуете сами с собой, но
с использованием правильного синтаксиса.

В некотором смысле, когда вы используете написанную кем-то программу, общение
осуществляется между вами и теми другими программистами, а в качестве посредника
выступает Python.

И через несколько глав вы станете одним из тех программистов на Python, которые
общаются с пользователями программ.

Перед тем как покинуть наш первый разговор с интерпретатором Python, вам
необходимо знать, как правильно сказать “до свидания” при взаимодействии с
жителями планеты Python:

>>> good-bye
Traceback (most recent call last):
     File "<pyshell#7>", line 1, in <module>
           good-bye
NameError: name 'good' is not defined
>>> if you don't mind, I need to leave
SyntaxError: invalid syntax
>>> quit()

Вы заметили, что для двух первых неудачных попыток ошибки различаются. Вторая
ошибка отличается тем, что, if - зарезервированное слово и Python подумал, что мы
пытаемся что-то сказать, но используем неправильный синтаксис.

8

Правильный способ сказать “до свидания” на Python, это ввести quit() в интерактивной
строке приглашения.

1.6. Терминология: интерпретатор и компилятор

Python - высокоуровневый (high-level) язык программирования, созданный, чтобы быть
относительно простым для чтения и написания программ человеком, и для
компьютерного чтения и выполнения. Другие высокоуровневые языки: Java, C++, PHP,
Ruby, Basic, Perl, JavaScript и множество других.

Имеющиеся аппаратные средства внутри CPU не понимают любой из
вышеперечисленных языков. CPU понимает язык, который называется машинным
(machine-language). Машинный язык является простым, но очень утомительным в
написании, т.к. представляет собой только нули и единицы:

01010001110100100101010000001111
11100110000011101010010101101101
...

Машинный язык кажется довольно простым на поверхности, учитывая, что в нем есть
только нули и единицы, но он обладает сложным синтаксисом. Поэтому очень
немногие программисты когда-либо писали на машинном языке. Вместо этого мы
строим различные трансляторы (переводчики), позволяющие программистам писать на
языках высокого уровня, таких как Python или JavaScript. Затем трансляторы
преобразуют программы в машинный язык для исполнения их процессором.

Поскольку машинный язык привязан к аппаратному обеспечению компьютера, он не
может быть перенесен (portable) на компьютер с другим типом оборудования.
Программы, написанные на языках высокого уровня, можно перемещать между
разными компьютерами, например, с использованием транслятора на новом
компьютере, или с помощью перекомпиляции кода для создания новой версии
машинного языка программы.

Трансляторы языков программирования делятся на две основные категории: (1)
интерпретаторы и (2) компиляторы.

Интерпретатор (interpreter) читает исходный код программы, написанный
программистом, анализирует код, и выполняет инструкции на лету (on-the-fly).

Python является интерпретатором, мы можем написать строку на Python, и он
немедленно ее обработает и выдаст результат.

Некоторые строки говорят Python о том, что вы хотите их запомнить в некоторой
переменной (variable). Нам необходимо выбрать имя для переменной, позже мы можем
воспользоваться этим именем, чтобы получить значение, которое сохранили ранее.

>>> x = 6
>>> print x

9

>>> y = x * 7
>>> print y
42
>>>

В этом примере, мы просим Python запомнить значение 6 и используем метку x, по
которой сможем восстановить значение позже. Мы убедились, что Python фактически
вспоминает значение, используя print. Затем мы просим Python взять x, умножить его
на 7 и полученный результат сохранить в переменной y. После этого мы просим Python
вывести на экран значение, хранящееся в переменной y.

Хотя мы вводим команды в Python на разных строках, они рассматриваются в качестве
упорядоченной последовательности инструкций, мы можем обратиться к данным,
созданным ранее.

Сущность интерпретатора заключается в возможности интерактивного общения, как
было показано выше. Компилятор нуждается в передаче всей программы в файл, после
этого запускается процесс трансляции с языка высокого уровня в машинный язык и
только после этого компилятор помещает результат машинного языка в файл, который
позже будет исполняться.

Если у вас ОС Windows, то часто программа, содержащая исполняемые машинные
инструкции имеет расширение “.exe” или “.dll”, “исполняемый файл” (executable) или
“динамически загружаемая библиотека” (dynamically loadable library”) соответственно.
В Linux и Macintosh нет расширения, который бы однозначно отмечал файл как
исполняемый.

Если вы откроете исполняемый файл в текстовом редакторе, выглядит все совершенно
ненормально и не читаемо:

^?ELF^A^A^A^@^@^@^@^@^@^@^@^@^B^@^C^@^A^@^@^@\xa0\x82
^D^H4^@^@^@\x90^]^@^@^@^@^@^@4^@ ^@^G^@(^@$^@!^@^F^@
^@^@4^@^@^@4\x80^D^H4\x80^D^H\xe0^@^@^@\xe0^@^@^@^E
^@^@^@^D^@^@^@^C^@^@^@^T^A^@^@^T\x81^D^H^T\x81^D^H^S
^@^@^@^S^@^@^@^D^@^@^@^A^@^@^@^A\^D^HQVhT\x83^D^H\xe8
....

Не просто читать и писать на машинном языке, поэтому хорошо, что у нас есть
интерпретаторы и компиляторы, которые позволяют нам писать на языке высокого
уровня, таком как Python.

На данный момент в нашем обсуждении компиляторов и интерпретаторов, вам должно
быть стало интересно узнать об интерпретаторе Python. На каком языке он написан?
Написан ли он на компилируемом языке? Когда мы запускаем Python, что на самом
деле происходит?

Интерпретатор Python написан на языке программирования Си. Вы можете посмотреть
исходные коды Python на сайте : ссылка: http://www.python.org. В ОС Windows

10

исполняемый машинный код для Python, скорее всего, будет находиться в файле с
именем:

C:\Python27\python.exe

1.7. Написание программ

Ввод команд в интерпретатор Python – отличная возможность для экспериментов с
особенностями языка Python, но это не рекомендуется делать при решении более
сложных задач.

Когда мы хотим написать программу, мы используем текстовый редактор для
написания инструкций в файл, который называется скриптом (script). По
договоренности, скрипты на Python имеют расширение .py.

1.8. Что такое программа?

Наиболее общее определение программы – последовательность инструкций на языке
Python, которая создана, чтобы что-то делать. Наш простой скрипт hello.py – это
программа. Программа может содержать инструкцию, состоящую из одной строки.

Предположим, что вы проводите исследование сообщений в социальной сети Facebook,
вам интересны наиболее часто встречающиеся слова в последовательности сообщений.
Вы можете вывести на экран поток сообщений и корпеть над поиском наиболее
распространенных слов, но это займет много времени и может привести к ошибке. Вы
могли бы быть достаточно умны, чтобы написать программу на Python, быстро
решающую задачу, и освободить себе выходные для более интересных занятий.

Для примера посмотрим на следующий текст о клоунах и автомобилях. Посмотрите на
текст и выделите наиболее часто встречающиеся слова и количество раз, сколько они
встречаются.

the clown ran after the car and the car ran into the tent
and the tent fell down on the clown and the car

Представим, что вы выполняете это задание, просматривая миллионы строк текста.
Честно говоря, это проще сделать с помощью программы на языке Python, которая
подсчитывает количество слов в тексте.

Я написал программу, которая ищет наиболее часто повторяющиеся слова в тексте.
Теперь вы можете воспользоваться этой программой, сэкономив себе немного времени:

name = raw_input('Enter file:')
handle = open(name, 'r')
text = handle.read()
words = text.split()

11