IB111 Základy programování Radek Pelánek
2018
1/59
Rozcvička
O
Řešením je identifikace místa poblíž Brna. Pokud je právě 6. 11. 2009, najdete na tomto^niístě djalšT zrjráyu
stručný úvod pro potreby DU
Proč?
• vstupní data
• uložení výstupu programu
• zachovaní „stavu" programu mezi jednotlivými běhy větší projekty: databáze
základní postup:
• otevření souboru
• práce se souborem (čtení / zápis)
• zavření souboru
4/59
Práce se soubory: otevření, uzavření
• f = open(filename, mode)
• jméno souboru: řetězec
• způsob otevření:
• ctení ("r")
• zápis ("w") - přepíše soubor, pokud není, vytvoří jej
• přidání na konec ("a")
9 další možnosti: čtení i zápis, binární režim
• uzavření: f .closeO
5/59
Práce se soubory: iterování po rádcích
for line in f.readlines(): print(line)
Alternativní způsob:
for line in f: print(line)
více priste
4 □ ►   < SI ►
Objekty: Motivace
udržování dat pohromadě
• záznamy o knihách
• název knihy, autor, ISBN, rok vydání
• postava v počítačové hře
• souřadnice (x, y), energie, vybavení,
seznamy, n-tice
book = ["Godel, Escher, Bach: An Eternal Golden Braid",
"Douglas R. Hofstadter", "978-0465026562", 1999]
print(book[0]) # title print(book[1]) # author
nepojmenované - nutno si pamatovat poradí položek (v hlavě, v komentářích, v konstantách)
toto není pěkné
8/59
TITLE = O AUTHOR = 1
book = ["Godel, Escher, Bach: An Eternal Golden Braid",
"Douglas R. Hofstadter", "978-0465026562", 1999]
print(book[TITLE]) print(book[AUTHOR])
lepší jak předchozí, ale pořád škaredé
slovníky - pojmenované položky
book = {"title":  "Godel, Escher, Bach: An Eternal Golden
"author":  "Douglas R. Hofstadter", "isbn": "978-0465026562", "year": 1999}
print(book["title"]) print(book["author"])
toto není špatné, ale ...
10/59
Motivace II
• vlastní datové typy: nejen data, ale i funkcionalita
• schovávání škaredých detailů
Motivace II
• vlastní datové typy: nejen data, ale i funkcionalita
• schovávání škaredých detailů
příklad: dvojrozměrné matice z přednášky o datových typech
• použitá reprezentace:
• reprezentovány pomocí seznamu seznamů
• nepěkný způsob zjišťování velikosti matice
• co bychom chtěli?
• spolu s maticí si udržovat informace o její velikosti
• mít něco, co kontroluje přístupy do matice
11/59
Motivace III
• objektům se nelze vyhnout (v Pythonu a jazyků)
• zápis volání funkcí pres operátor „tečka"
o řetězce, seznamy, slovníky, soubory, ...
Nezbytné využití objektů
t = "hello"
print(t.upper())
s = [7, 14, 42, 0]
s.sort()
s.append(9)
d = {"a": 1, "b": 2}
s = d.keysO
f = open("myfile.txt")
line = f .readlineO
Složené datové typy
Záznamy, struktury
• datový typ složený z více položek
• typicky fixní počet položek, deklarované typy
• C: struct
• Pascal: record
Objekty
• často rozšíření struktur
• kombinují data a funkce (metody)
• C++, Java, Python: class
Objektově orientované programování
varovaní
Toto není objektově orientované programování.
• zde probíráme základy využití objektů v Pythonu
• primárně náhrada za záznamy/struktury
• jednoduché využití metod
• „objektově orientované programování" je podstatně
• zapouzdření, veřejné/soukromé atributy
• dědičnost
• polymorfismus
• metodika návrhu programů
• viz navazující kurzy
ozitejsi
15/59
Objekty v Pythonu
class Person:
def __init_
self.name self.age = age
(self, name, age) = name
def say_hello(self):
print (self .name + 11 says hello.")
def rename_to(self, new_name):
print(self.name + " renamed to " + new_name + ".") self.name = new name
16/59
Slovníček pojm
(zjednodušeně)
o
U
třída
objekt atribut
obecný uživatelsky definovaný typ, charakterizován atributy
konkrétní instance třídy
„to co je za tečkou", atributy jsou datové a funkční
datový atribut   proměnná patřící třídě/objektu (*)
metoda
funkce, která je vázaná na danou třídu
konstruktor       inicializační metoda, vytváří objekt
(*) je rozdíl mezi atributem třídy a objektu, více později
1
Pojmy - intuitivní ilustrace
• třída: Pes
• objekt (instance): Alík
• datové atributy: rasa, jméno, věk, poloha
• metody: štěkej, popoběhni
18/59
kty v Pythonu
• definice třídy: class MyObject:
• definice metod:
def do_something(self, parameter):
• self - povinný první parametr
• odkaz na aktuální objekt
• self není klíčovým slovem, jen silnou konvencí
• objekty
• instance třídy, vlastní atributy
• přístup k atributům pomocí tečkové notace
Vyt
vorem o
bjekt
u
• speciální metoda (konstruktor):__init
o především inicializace atributů
class Person:
def __init__(self, name, age):
self.name = name self.age = age
vytvoření objektu:
homer = Person("Homer Simpson", 34) print(homer.name) print(homer.age)
20/59
• tečková notace
• objekt před tečkou se předá jako první parametr (self)
class Person:
• • •
def say_hello(self):
print (self .name + 11 says hello.")
homer.say_hello()
# Homer Simpson says hello.
21/59
Metody a modifikace objektu
class Person:
def rename_to(self, new_name):
print (self .name + 11 renamed to 11 + new_name self.name = new name
homer.rename_to("Homer Jay Simpson")
# Homer Simpson renamed to Homer Jay Simpson. print(homer.name)
# Homer Jay Simpson
Prístup k atributům
• přímý:
9 přistupujeme přímo k atributu, můžeme i měnit
• homer.name
• nepřímý:
• pomocí metod („getters and setters")
• get_name, set_name
Který zvolit?
• závisí na použití
• objekt jen pro držení dat: přímý přístup je nejspíše OK
• schováváme v objektu složitější vnitřnosti: pište metody
PEP8 konvence: názvy
• jména tříd:
CapWords (velká počáteční písmena slov, bez oddělovačů slov)
• atributy (datové, metody): stejně jako běžné proměnné/funkce
lowercase, lower_case_with_underscores
24/59
• knihy
• studenti
• čas
• matice
• rodokmen
• textové obrázky
25/59
• práce se seznamem knih
• kniha má: název, autora, ISBN
• chceme seznam načítat/ukládat do souborů
26/59
Knihy
class Book:
def __init__(self, title, author, isbn):
self.title = title self.author = author self.isbn = isbn
geb = Book("Godel, Escher, Bach",
MHofstadterM, "978-0465026562M) neverwhere = BookO'Neverwhere",
"Gaiman", ,,978-0380789016M)
print(neverwhere.author)
27/59
nihy: načítania ukladaní
def load_library(filename): book_list = []
with open(filename, MrM) as f: for line in f:
a, t, i = line. split (11;11) book_list.append(Book(t, a, return book_list
def save_library(filename, book_list): with open(filename, MwM) as f: for book in book_list:
f. write (book, title + 11;11 + book, author + 11;11 + book.isbn + M\nM)
< □ ► < si ►
save_library("library.csv",  [geb, neverwhere]) books = load_library("library.csv") for b in books: print(b.title)
vytvořený / načítaný soubor library.csv:
Godel, Escher, Bach;Hofstadter;978-0465026562 Neverwhere;Gaiman;978-0380789016
29/59
CSV jsou super, ty chcete!
• CSV = Comma-separated values
• formát pro reprezentaci tabulkových dat
• jednoduchý textový formát, položky odděleny čárkami (nebo něčím podobným)
9   vlastně ne úplně jednoduchý a pro reálné aplikace chcete použít knihovny jako je csv nebo pandas, každopádně CSV jsou super, viz též https://xkcd.com/1301/
30/59
Príklad: studenti a kurzy
• reprezentace studentů a kurzů
• kurz má seznam zapsaných studentů
class Student:
def __init__(self, uco, name)
self.uco = uco self.name = name
31/59
Príklad: studenti a kurzy
class Course:
def __init__(self, code)
self.code = code self . students = []
def add_student(self, student): self.students.append(student)
def print_students(self): i = 1
for s in self.students: print (str(i) + 11.11, str(s.uco), s.name, sep=M\tM)
i += 1
Studenti a kurzy: použití
jimmy = Student(555007, "James Bond") iblll = Course("IB111")
iblll.add_student(Student(555000, "Luke Skywalker")) ibl11.add_student(j immy)
iblll.add_student(Student(555555, "Bart Simpson")) iblll.print_students()
# 1.       555000   Luke Skywalker
# 2.       555007   James Bond
# 3.       555555   Bart Simpson
33/59
Studenti a kurzy: řazení
Co když chceme seřazený seznam studentů?
• přirozené sorted(self . students) nefunguje - není definováno uspořádání na studentech
a možnosti:
• definovat uspořádání na studentech - metoda __It__(self, other)
• sorted(self.students, key=lambda s: s.name) o použít pomocný seznam a ten seřadit:
tmp = [(s.name, s.uco) for s in self.students]
• co uspořádání abecedně podle příjmení?
34/59
35/59
Kahoot kod: otazky 2, 3, 4, 5
class Person:
def __init__(self, name):
self.name = name
self.best_friend = None
def set_friend(self, person): self.best_friend = person
alice = PersonC'Alice") bob = PersonO'Bob") cyril = PersonC'Cyril") alice.set_friend(bob) bob.set_friend(cyril)
36/59
Python Tutor vizualizace
Frames
Objects
Person dass hide attributes
_init_	function _init_(self, name)
set_friend	function set_friend(self, person)
erson instance
friend
me
"Alice1
Person instance
est friend
name
1 BobT
Person instance
best friend
name
class Point:
def __init__(self, x, y):
self.x = x self.y = y
def shift(self, x, y): self.x += x self.y += y
a = Point(3, 2) b = Point(1, 4) points = [a, b, Point(0, 2)]
< if? ► < = > < -ž ►    -s   -o°so
38/59
Příklad: reprezentace času
(jednoduchá naivní verze, pořádně: knihovna datetime)
class Time:
def __init__(self, h, m, s):
self.hours = h self.minutes = m self.seconds = s self.validate()
def validate(self):
if self.seconds >= 60:
self.minutes += self.seconds // 60 self .seconds = self .seconds °/0 60
if self.minutes >= 60:
self.hours += self.minutes // 60 self .minutes = self .minutes °/0 60
Reprezentace času
class Time:    # ...  continued ... def add_seconds(self, sec): self.seconds += sec self.validate()
def pretty_print(self):
print ("{}:{: 02}: {: 02}11. format (self . hours,
self.minutes, self.seconds))
t = Timed, 30, 72) t.pretty_print() t.add_seconds(107) t.pretty_print()
40/59
Príklad: matice
oproti dřívější ukázce práce s maticemi:
• chceme uchovávat i jejich velikost
• chceme bezpečný přístup k prvkům
class Matrix:
def __init__(self, rows, cols):
self.rows = rows self.cols = cols
self.matrix = [[0 for i in range(self.cols)]
for i in range(self.rows)]
41/59
atice: metody
class Matrix: # ...  continued ... def check(self, row, col):
if row < 0 or row >= self.rows: print("Bad row index.") return False if col < 0 or col >= self.cols: print("Bad column index.") return False return True
def get(self, row, col):
if self.check(row, col):
return self.matrix[row][col] def set(self, row, col, value): if self.check(row, col):
self .matrix [row] [col] *= VcElue
Matice: násobení
def matrix_mult(matL, matR): if matL.cols != matR.rows:
print (11 Incompatible matrices .11) return
result = Matrix(matL.rows, matR.cols)
for k in range(matL.cols):
result.set(i, j, result.get(i, j) +
matL get(i, k) * matR.get(k, j))
for i in range(matL.rows):
for j in range(matR.cols):
return result
43/59
Matice: poznámky
čistě ilustrativní příklad
reálnější verze by využívala:
• přetížení operátoru krát:
• výjimky, příp. as ser t
• ... a nebo rovnou numpy
Príklad: rodokmen
• rozšírime objekt pro osoby o rodičovské vztahy
• pro jednoduchost jen jeden rodič
• uvažujme jen ženy - Mater čerta, pater incertus est.
• rodokmen ^ strom potomkyň
• pro každou ženu si pamatujeme:
■ ✓
• jmeno
• matka
• seznam dcer
• matka, seznam dcer - odkazy na objekty (abychom s nimi mohli pracovat), nikoliv „jména"
45/59
class Woman:
def __init__(self, name):
self.name = name self.mother = None self . daughters = []
def add_daughter(self, daughter): self.daughters.append(daughter) daughter.mother = self
alice = Woman("Alice") mary = Woman("Mary") lisa = Woman("Lisa") carol = Woman("Carol") alice.add_daughter(mary) alice.add_daughter(lisa) mary.add_daughter(carol)
-
Základní použití
print(carol.mother.name) print(alice.mother.name) print(len(lisa.mother.daughters))
# Mary
# error message
# 2
def siblings(a, b):
return a.mother != None and a.mother == b.mother
print(siblings(mary, alice)) print(siblings(mary, lisa))
# False
# True
47/59
Výpis rodokmenu
Chceme vypsat textově znázorněný rodokmen - odsazení podle generací:
Alice
Mary
Lisa
Carol Betty
L
Maria
Jak to udělat?
48/59
Výpis rodokmenu
Rekurze!
def draw_family_tree(woman, level=0):
print(("       11 * level) + woman.name) for daughter in woman.daughters:
draw_family_tree(daughter, level + 1)
5      vT) Q, O 49/59
Rodokmen: nejstaršř predkyně
Rekurzivně:
def oldest_ancestor(woman): if woman.mother == None:
return woman return oldest_ancestor(woman.mother)
Iterativně:
def oldest_ancestor2(woman):
while woman.mother != None:
woman = woman.mother return woman
50/59
Rodokmen: počet potomkyň
Chceme vypočítat počet všech potomkyň (i nepřímých).
Rodokmen: počet potomkyň
Chceme vypočítat počet všech potomkyň (i nepřímých).
rekurze s návratovou hodnotou:
• funkce count_of f springO vrací počet potomkyň
• hodnotu vypočítáme pomocí volání count_of f springO na dcerách
52/59
Rodokmen: počet potomkyň
def count_offspring(woman): count = 0
for daughter in woman.daughters:
count += 1 + count_offspring(daughter) return count
Pozn. count_off spring by též mohla být metoda třídy Woman
Textové obrázky
• objekt reprezentující obrázek
• metody: přidej bod, přidej čtverec, zkombinuj s jiným obrázkem, ...
9 „textové" vykreslení demo ukázka programování
54/59
Varování: Statické atributy
• definovány přímo ve třídě
• patří samotné třídě, ne objektům
• mají svůj smysl, ale v tuto chvíli spíše zdroj chyb
• v tomto předmětu raději nepoužívejte
class MyClass: x = 0
def __init.
self .y
_(self, n) = n
print(MyClass.x) my_object = MyClass(17) print(my_obj ect.y) print(my_obj ect.x)
# 0
# 17
# 0 (same as MyClass.x)
55/59
Statické atributy: ilustrace problému
class Person: hobbies = []
def __init__(self, name):
self.name = name def add_hobby(self, hobby):
self.hobbies.append(hobby)
mirek = Person("Mirek Dusin") mirek. add_hobby (11 running") mirek.add_hobby("world peace") bidlo = Person("Dlouhé Bidlo") bidlo.add.hobby("alcohol")
print(mirek.hobbies)
Python Tutor vizualizace
Python 3,6
class Person: hobbies = []
def _init_(self, name):
self.name = name def add_hobby(self, hobby): self.hobbies.append(hobby)
7
mirek = Person("Mi rek Dusin") mi rek.add_hobby("runni ng") mirek.addhobby("world peace") bidlo = Person("Dlouhe Bidlo") »12  bidlo. add_hobby("alkohDl")_
Edit code I Live programming
is just executed execute
de to set a breakpoint; use the Back and Forward buttons to jump there.
Frames
Global frame Person •
Object;
Person class hide attributes
_init_	function _init_(self, name)		
add_hobby	function add hobby(self, hobby)		
hobbies	list 0	l	2
	"runni ng"	"world peace"	"alkohol"
Person instance name | "Mi rek Duši n"
Person instance
name "Dlouhé Bidlo"
57/59
Varování: kopírování objektů
Co udělá?
a = Matrix(2, 2)
a. set(0, 1, 6) b = a
b. set(0, 0, 7) print(a.matrix)
Vytvoření aliasu, nikoliv kopírování (podobně jako u seznamů) Jak kopírovat?
• knihovna copy: copy (mělká kopie), deepcopy (hluboká kopie)
• vytvořit speciální kopírovací konstruktor
Záznamy/struktury
• používáme pro seskupení souvisejících dat
• v Pythonu přímo nejsou
Objekty
• složitější než záznamy
• data + metody
• v tomto předmětu je používáme primárně jako záznamy s jednoduchými metodami
• více o objektově orientovaném programování (dědičnost, polymorfismus, objektový návrh) v navazujících předmětech
59/59