Python 3

1. Einleitung . . . 31

1. 1 . . . Warum haben wir dieses Buch geschrieben? . . . 31
1. 2 . . . Was leistet dieses Buch? . . . 32
1. 3 . . . Wie ist dieses Buch aufgebaut? . . . 32
1. 4 . . . Wer sollte dieses Buch wie lesen? . . . 33
1. 5 . . . Beispielprogramme . . . 34
1. 6 . . . Vorwort zur achten Auflage . . . 34
1. 7 . . . Danksagung . . . 35

2. Die Programmiersprache Python . . . 39

2. 1 . . . Geschichte und Entstehung . . . 39
2. 2 . . . Grundlegende Konzepte . . . 40
2. 3 . . . Einsatzmöglichkeiten und Stärken . . . 41
2. 4 . . . Die Installation von Python . . . 43
2. 5 . . . Drittanbietermodule installieren . . . 45
2. 6 . . . Die Verwendung von Python . . . 46

TEIL I. Einstieg in Python . . . 49
3. Erste Schritte im interaktiven Modus . . . 51

3. 1 . . . Ganze Zahlen . . . 52
3. 2 . . . Gleitkommazahlen . . . 53
3. 3 . . . Zeichenketten . . . 54
3. 4 . . . Listen . . . 55
3. 5 . . . Dictionarys . . . 55
3. 6 . . . Variablen . . . 56
3. 7 . . . Logische Ausdrücke . . . 58
3. 8 . . . Funktionen und Methoden . . . 60
3. 9 . . . Bildschirmausgaben . . . 62
3. 10 . . . Module . . . 63

4. Der Weg zum ersten Programm . . . 65

4. 1 . . . Tippen, kompilieren, testen . . . 65
4. 2 . . . Grundstruktur eines Python-Programms . . . 69
4. 3 . . . Das erste Programm . . . 73
4. 4 . . . Kommentare . . . 75
4. 5 . . . Der Fehlerfall . . . 76

5. Kontrollstrukturen . . . 79

5. 1 . . . Fallunterscheidungen . . . 79
5. 2 . . . Schleifen . . . 83
5. 3 . . . Die pass-Anweisung . . . 91
5. 4 . . . Zuweisungsausdrücke . . . 91

6. Dateien . . . 95

6. 1 . . . Datenströme . . . 95
6. 2 . . . Daten aus einer Datei auslesen . . . 96
6. 3 . . . Daten in eine Datei schreiben . . . 101
6. 4 . . . Das Dateiobjekt erzeugen . . . 102

7. Das Datenmodell . . . 109

7. 1 . . . Die Struktur von Instanzen . . . 111
7. 2 . . . Referenzen löschen . . . 116
7. 3 . . . Mutable vs. immutable Datentypen . . . 118

8. Funktionen, Methoden und Attribute . . . 123

8. 1 . . . Parameter von Funktionen und Methoden . . . 123
8. 2 . . . Attribute . . . 126

9. Informationsquellen zu Python . . . 129

9. 1 . . . Die Built-in Function help . . . 129
9. 2 . . . Die Onlinedokumentation . . . 130
9. 3 . . . PEPs . . . 130

TEIL II. Datentypen . . . 133
10. Basisdatentypen: eine Übersicht . . . 135

10. 1 . . . Das Nichts -- NoneType . . . 136
10. 2 . . . Operatoren . . . 137

11. Numerische Datentypen . . . 143

11. 1 . . . Arithmetische Operatoren . . . 143
11. 2 . . . Vergleichende Operatoren . . . 145
11. 3 . . . Konvertierung zwischen numerischen Datentypen . . . 146
11. 4 . . . Ganzzahlen -- int . . . 147
11. 5 . . . Gleitkommazahlen -- float . . . 154
11. 6 . . . Boolesche Werte -- bool . . . 157
11. 7 . . . Komplexe Zahlen -- complex . . . 163

12. Sequenzielle Datentypen . . . 167

12. 1 . . . Der Unterschied zwischen Text und Binärdaten . . . 167
12. 2 . . . Operationen auf Instanzen sequenzieller Datentypen . . . 169
12. 3 . . . Listen -- list . . . 181
12. 4 . . . Unveränderliche Listen -- tuple . . . 195
12. 5 . . . Strings -- str, bytes, bytearray . . . 199

13. Zuordnungen und Mengen . . . 239

13. 1 . . . Dictionary -- dict . . . 239
13. 2 . . . Mengen -- set und frozenset . . . 253

14. Collections . . . 267

14. 1 . . . Verkettete Dictionarys . . . 267
14. 2 . . . Zählen von Häufigkeiten . . . 268
14. 3 . . . Dictionarys mit Standardwerten . . . 271
14. 4 . . . Doppelt verkettete Listen . . . 272
14. 5 . . . Benannte Tupel . . . 274

15. Datum und Zeit . . . 277

15. 1 . . . Elementare Zeitfunktionen -- time . . . 277
15. 2 . . . Objektorientierte Datumsverwaltung -- datetime . . . 286
15. 3 . . . Zeitzonen -- zoneinfo . . . 296

16. Enumerationen und Flags . . . 303

16. 1 . . . Aufzählungstypen -- Enum . . . 303
16. 2 . . . Aufzählungstypen für Bitmuster -- Flag . . . 305
16. 3 . . . Ganzzahlige Aufzählungstypen -- IntEnum . . . 306

TEIL III. Fortgeschrittene Programmiertechniken . . . 309
17. Funktionen . . . 311

17. 1 . . . Definieren einer Funktion . . . 313
17. 2 . . . Rückgabewerte . . . 314
17. 3 . . . Funktionsobjekte . . . 316
17. 4 . . . Optionale Parameter . . . 317
17. 5 . . . Schlüsselwortparameter . . . 318
17. 6 . . . Beliebige Anzahl von Parametern . . . 319
17. 7 . . . Reine Schlüsselwortparameter . . . 321
17. 8 . . . Reine Positionsparameter . . . 323
17. 9 . . . Unpacking beim Funktionsaufruf . . . 324
17. 10 . . . Seiteneffekte . . . 326
17. 11 . . . Namensräume . . . 329
17. 12 . . . Anonyme Funktionen . . . 336
17. 13 . . . Rekursion . . . 337
17. 14 . . . Eingebaute Funktionen . . . 338

18. Module und Pakete . . . 365

18. 1 . . . Einbinden globaler Module . . . 366
18. 2 . . . Lokale Module . . . 368
18. 3 . . . Pakete . . . 371
18. 4 . . . Das Paket importlib . . . 376
18. 5 . . . Geplante Sprachelemente . . . 377

19. Objektorientierte Programmierung . . . 379

19. 1 . . . Beispiel: Ein nicht objektorientiertes Konto . . . 379
19. 2 . . . Klassen . . . 385
19. 3 . . . Vererbung . . . 390
19. 4 . . . Mehrfachvererbung . . . 403
19. 5 . . . Property-Attribute . . . 404
19. 6 . . . Statische Methoden . . . 407
19. 7 . . . Klassenmethoden . . . 409
19. 8 . . . Klassenattribute . . . 411
19. 9 . . . Built-in Functions für die objektorientierte Programmierung . . . 411
19. 10 . . . Erben von eingebauten Datentypen . . . 415
19. 11 . . . Magic Methods und Magic Attributes . . . 417
19. 12 . . . Datenklassen . . . 438

20. Ausnahmebehandlung . . . 443

20. 1 . . . Exceptions . . . 443
20. 2 . . . Zusicherungen -- assert . . . 459
20. 3 . . . Warnungen . . . 460
20. 4 . . . Exception Groups . . . 461

21. Generatoren und Iteratoren . . . 467

21. 1 . . . Generatoren . . . 467
21. 2 . . . Iteratoren . . . 474
21. 3 . . . Spezielle Generatoren -- itertools . . . 485
21. 4 . . . Generatoren als Konsumenten . . . 495

22. Kontext-Manager . . . 501

22. 1 . . . Die with-Anweisung . . . 501
22. 2 . . . Hilfsfunktionen für with-Kontexte -- contextlib . . . 504

23. Dekoratoren . . . 509

23. 1 . . . Funktionsdekoratoren . . . 509
23. 2 . . . Klassendekoratoren . . . 515
23. 3 . . . Das Modul functools . . . 516

24. Annotationen und statische Typprüfung . . . 523

24. 1 . . . Annotationen . . . 525
24. 2 . . . Type Hints -- das Modul typing . . . 532
24. 3 . . . Statische Typprüfung in Python -- mypy . . . 539

25. Structural Pattern Matching . . . 541

25. 1 . . . Die match-Anweisung . . . 541
25. 2 . . . Arten von Mustern in der case-Anweisung . . . 542

TEIL IV. Die Standardbibliothek . . . 559
26. Mathematik . . . 561

26. 1 . . . Mathematische Funktionen -- math, cmath . . . 561
26. 2 . . . Zufallszahlengenerator -- random . . . 568
26. 3 . . . Statistische Berechnungen -- statistics . . . 572
26. 4 . . . Intuitive Dezimalzahlen -- decimal . . . 574
26. 5 . . . Hash-Funktionen -- hashlib . . . 580

27. Bildschirmausgaben und Logging . . . 589

27. 1 . . . Übersichtliche Ausgabe komplexer Objekte -- pprint . . . 589
27. 2 . . . Logdateien -- logging . . . 591

28. Reguläre Ausdrücke . . . 599

28. 1 . . . Die Syntax regulärer Ausdrücke . . . 599
28. 2 . . . Verwendung des Moduls re . . . 611
28. 3 . . . Ein einfaches Beispielprogramm -- Searching . . . 618
28. 4 . . . Ein komplexeres Beispielprogramm -- Matching . . . 620
28. 5 . . . Kommentare in regulären Ausdrücken . . . 623
28. 6 . . . Katastrophales Backtracking . . . 624

29. Schnittstellen zum Betriebssystem und zur Laufzeitumgebung . . . 627

29. 1 . . . Funktionen des Betriebssystems -- os . . . 627
29. 2 . . . Starten von Subprozessen -- subprocess . . . 630
29. 3 . . . Zugriff auf die Laufzeitumgebung -- sys . . . 633
29. 4 . . . Kommandozeilenparameter -- argparse . . . 638

30. Das Dateisystem . . . 647

30. 1 . . . Grundlegendes zu Dateisystemen und Pfaden . . . 647
30. 2 . . . Die moderne Lösung -- pathlib . . . 649
30. 3 . . . Zugriff auf das Dateisystem mit os . . . 656
30. 4 . . . Dateipfade -- os. path . . . 664
30. 5 . . . Zugriff auf das Dateisystem -- shutil . . . 668
30. 6 . . . Temporäre Dateien -- tempfile . . . 674

31. Parallele Programmierung . . . 677

31. 1 . . . Prozesse, Multitasking und Threads . . . 677
31. 2 . . . Pythons Schnittstellen zur Parallelisierung . . . 682
31. 3 . . . Die abstrakte Schnittstelle -- concurrent. futures . . . 683
31. 4 . . . Die flexible Schnittstelle -- threading und multiprocessing . . . 694
31. 5 . . . Die kooperative Schnittstelle -- asyncio . . . 706
31. 6 . . . Fazit: Welche Schnittstelle ist die richtige? . . . 725

32. Datenspeicherung . . . 727

32. 1 . . . Das Datenaustauschformat JSON -- json . . . 727
32. 2 . . . Serialisierung von Instanzen -- pickle . . . 729
32. 3 . . . Das Tabellenformat CSV -- csv . . . 733
32. 4 . . . Komprimierte Dateien und Archive . . . 739
32. 5 . . . Datenbanken . . . 741
32. 6 . . . XML . . . 761

33. Netzwerkkommunikation . . . 777

33. 1 . . . Die Socket API . . . 778
33. 2 . . . XML-RPC . . . 797

34. Zugriff auf Ressourcen im Internet . . . 807

34. 1 . . . Protokolle . . . 807
34. 2 . . . Lösungen . . . 808
34. 3 . . . Der einfache Weg -- requests . . . 809
34. 4 . . . URLs -- urllib . . . 812
34. 5 . . . FTP -- ftplib . . . 820

35. E-Mail . . . 829

35. 1 . . . SMTP -- smtplib . . . 829
35. 2 . . . POP3 -- poplib . . . 832
35. 3 . . . IMAP4 -- imaplib . . . 837
35. 4 . . . Erstellen komplexer E-Mails -- email . . . 843

36. Debugging und Qualitätssicherung . . . 847

36. 1 . . . Der Debugger . . . 847
36. 2 . . . Automatisiertes Testen . . . 850
36. 3 . . . Analyse des Laufzeitverhaltens . . . 858

37. Dokumentation . . . 869

37. 1 . . . Docstrings . . . 869
37. 2 . . . Automatisches Erstellen einer Dokumentation -- pydoc . . . 871

TEIL V. Weiterführende Themen . . . 873
38. Distribution von Python-Projekten . . . 875

38. 1 . . . Eine Geschichte der Distributionen in Python . . . 875
38. 2 . . . Erstellen von Distributionen -- setuptools . . . 877
38. 3 . . . Erstellen von EXE-Dateien -- cx_Freeze . . . 886
38. 4 . . . Paketmanager . . . 888
38. 5 . . . Lokalisierung von Programmen -- gettext . . . 893

39. Virtuelle Umgebungen . . . 899

39. 1 . . . Das Arbeiten mit virtuellen Umgebungen -- venv . . . 900
39. 2 . . . Virtuelle Umgebungen in Anaconda . . . 901

40. Alternative Interpreter und Compiler . . . 903

40. 1 . . . Just-in-Time-Kompilierung -- PyPy . . . 903
40. 2 . . . Numba . . . 905
40. 3 . . . Anbindung an C und C++ -- Cython . . . 907
40. 4 . . . Die interaktive Python-Shell -- IPython . . . 914

41. Grafische Benutzeroberflächen . . . 923

41. 1 . . . Toolkits . . . 923
41. 2 . . . Einführung in tkinter . . . 925
41. 3 . . . Einführung in PySide6 . . . 972

42. Python als serverseitige Programmiersprache im WWW -- ein Einstieg in Django . . . 1021

42. 1 . . . Konzepte und Besonderheiten von Django . . . 1022
42. 2 . . . Installation von Django . . . 1023
42. 3 . . . Ein neues Django-Projekt erstellen . . . 1024
42. 4 . . . Eine Applikation erstellen . . . 1028

43. Wissenschaftliches Rechnen und Data Science . . . 1069

43. 1 . . . Installation . . . 1070
43. 2 . . . Das Modellprogramm . . . 1071
43. 3 . . . Überblick über die Module numpy und scipy . . . 1080
43. 4 . . . Eine Einführung in die Datenanalyse mit pandas . . . 1090

44. Insiderwissen . . . 1107

44. 1 . . . URLs im Standardbrowser öffnen -- webbrowser . . . 1107
44. 2 . . . Interpretieren von Binärdaten -- struct . . . 1107
44. 3 . . . Versteckte Passworteingabe -- getpass . . . 1110
44. 4 . . . Kommandozeilen-Interpreter -- cmd . . . 1110
44. 5 . . . Dateiinterface für Strings -- io. StringIO . . . 1113
44. 6 . . . Kopieren von Instanzen -- copy . . . 1114
44. 7 . . . Bildverarbeitung -- Pillow . . . 1118

45. Eine Geschichte der Python-Versionen . . . 1129

45. 1 . . . Die Versionshistorie . . . 1129
45. 2 . . . Der Sprung nach Python 3 . . . 1132

Anhang . . . 1139

A. 1 . . . Reservierte Wörter . . . 1139
A. 2 . . . Operatorrangfolge . . . 1139
A. 3 . . . Eingebaute Funktionen . . . 1141
A. 4 . . . Eingebaute Exceptions . . . 1145
A. 5 . . . Python-IDEs . . . 1150

Index . . . 1153