1 - Grundlagen

Gabriel Kabbe

2017-04-07 00:00

Der Kochrezept-Vergleich

Ein beliebter Vergleich, der oft gebracht wird, um die Bedeutung des Programmierens zu veranschaulichen: wir haben einen Rezeptschreiber (Programmierer) und einen Koch (Computer). Der Koch ist allerdings sehr pingelig! Anstatt zu schreiben "gebe 3 Eier zum Mehl", müssen wir ihm sagen "Nimm das erste Ei. Klopfe es auf. Gib den Inhalt in die Schüssel. Nimm das zweite Ei. Klopfe es auf ..."

Je nach Programmiersprache variiert die Auffassungsgabe des Kochs. Unser Python-Koch ist schon recht selbstständig. Jeder, der schon mal in einer Low-Level Sprache wie C, C++ oder Fortran gearbeitet hat, wird das schnell merken. Alle anderen, die bisher noch nicht programmiert haben, seien hier nur einmal darauf hingewiesen, damit sie sich bei später auftretenden Problemen damit trösten können, dass sie in anderen Programmiersprachen mindestens genauso viele Schwierigkeiten hätten ;-)

Python als Interpreter Sprache

Python ist im Gegensatz zu Programmiersprachen wie C, C++ oder Fortran eine Interpretersprache. Das bedeutet, dass geschriebener Python-Code nicht kompiliert werden muss. Stattdessen wird der Code zur Laufzeit des Programmes vom Python Interpreter abgearbeitet.

Wenn wir ein Programm mit dem Namen hello_world.py starten möchten, müssen wir in der Konsole daher einfach nur

python hello_world.py

eingeben.

Hello World

Um einen ersten Eindruck einer Programmiersprache zu geben, beginnen die meisten Tutorials mit einem simplen Programm, das nur die Worte "Hello World" ausgibt. Auch dieses Tutorium macht da keinen Unterschied.

Wir legen eine Textdatei hello_world.py mit folgendem Inhalt an:

print("Hello World")

Das "Hello World" Programm zeigt schon gut, worin Pythons große Stärke liegt: die gute Lesbarkeit des Quellcodes! In nur einer Zeile steht alles, was nötig ist, um das Programm auszuführen.

Was passiert hier genau? In dem Programm wird die print Funktion aufgerufen. Als Argument bekommt sie eine Zeichenkette (einen sogenannten String) geliefert. Dieser String wird dann schließlich beim Ausführen des Programms ausgegeben.

Zum Vergleich "Hello World" in Java:

class Main{
    public static void main(String[] args){
        System.out.println("Hello World");
    }
}

Datentypen und Variablen

In Python können wir u.a. mit folgenden grundlegenden Datentypen arbeiten:

Integer: ganze Zahlen
Float: Gleitkomma-Zahlen
String: Zeichenketten
Boolean: Logische Werte, können True oder False sein
NoneType: Spezieller Datentyp, der z.B. als Default-Argument in Funktionen verwendet wird (kommt später)

Wir können nun in Python ein Objekt eines bestimmten Typs erstellen und ihm einen Namen geben. Dies funktioniert mit einer einfachen Zuweisung wie in folgendem Beispiel:

ganze_zahl = 10
komma_zahl = 1.234
komplexe_zahl = 3.123 + 2j
ein_string = "Hallo Welt"
ein_bool = True
nix = None

Hier haben wir sechs Objekte mit den Namen ganze_zahl, komma_zahl, komplexe_zahl, ein_string, ein_bool und nix gespeichert. Im Gegensatz zu anderen Programmiersprachen erkennt der Interpreter von alleine, um was für einen Datentyp es sich handelt.

Wir könnten unser "Hello World"-Beispiel nun z.B. auch so schreiben:

begrüßung = "Hello World"
print(begrüßung)

Wenn wir dieses Programm ausführen, ersetzt Python automatisch den Namen begrüßung mit dem dahinter stehenden Objekt "Hello World".

Um zu sehen, welchen Arten von Objekten sich hinter den Namen verbergen, können wir type benutzen.

print(type(ganze_zahl))
print(type(komma_zahl))
print(type(komplexe_zahl))
print(type(ein_string))
print(type(ein_bool))
print(type(nix))

mit den Resultaten

<class 'int'>
<class 'float'>
<class 'complex'>
<class 'str'>
<class 'bool'>
<class 'NoneType'>

Ein kleiner Hinweis zu Variablennamen: Grundsätzlich ist es möglich, seine Variablen zu nennen, wie man möchte, solange sie mit einem Buchstaben beginnen. Zahlen am Anfang sind nicht erlaubt. Sonderzeichen dürfen nicht im Variablennamen vorkommen. Darüberhinaus ist es Konvention, Variablennamen klein zu schreiben und mit Unterstrich zu trennen.

Kommentare

Ein weiterer wichtiger Punkt für Programmiersprachen generell, der sich zwar nicht auf die Ausführung des Codes auswirkt, aber dafür auf das Verständnis des Lesers, sind Kommentare.

Kommentare lassen sich mithilfe des Raute-Zeichens in ein Python-Skript einfügen. Alles was in derselben Zeile hinter der Raute steht, wird nicht vom Python-Interpreter abgearbeitet

Im unteren Beispiel, steht nach dem print Befehl ein Kommentar. Der print Befehl wird ausgeführt, der Kommentar dient nur dem Programmierer als Hinweis

print(1, 2, 3) # Gibt 1, 2, 3 aus

Im nächsten Beispiel steht die Raute vor dem print Befehl. Damit wird Python ihn nicht mehr ausführen

# print(4, 5, 6) Gibt gar nichts aus

Operatoren

Bisher ist in unseren Programmen noch nicht viel passiert. Das wird sich nun ändern!
Mit Operatoren ist es möglich, Objekte in unseren Programmen miteinander zu vergleichen, ihnen Namen zu geben, oder mathematische Ausdrücke zu berechnen.

Zuweisungsoperator =

Diesen Operator haben wir schon im vorherigen Abschnitt kennengelernt.

x = 3

Dieser Operator gibt dem Integer-Objekt mit dem Wert 3 den Namen x.

Arithmetische Operatoren +, -, *, /, //, %, **

Mit diesen Operatoren können wir einfache arithmetische Ausdrücke berechnen.

print(4 * 3)
print(10 / 5)
print(10 / 4)
print(10 // 3)
print(10 + 3 - 11)
print(14 % 5)
print(10**2)

Ausgabe:

Wir können diese natürlich auch mit dem Zuweisungs-Operator kombinieren:

x = 4 * 3 + 13 / 5
print(x)

Ausgabe:

14.6

Hinweis für Python 2: In Python 2 ist das Ergebnis 14 statt 14.6. Der Grund dafür ist, dass Python 2 bei 13/5 die sogenannte Integer-Division anwendet. Das Ergebnis ist also auch wieder ein Integer (13 durch 5 ist 2 Rest 3).

Vergleichsoperatoren ==, <, <=, >, >=

Diese Operatoren vergleichen zwei Objekte miteinander und geben einen booleschen Wert zurück.

print(4 + 3 == 7)
print(-11 < -13)
print("Anna" < "Bertha")  # Bei Strings wird lexikographisch verglichen

Ausgabe:

True
False
True

Logische Operatoren not, and, or

Diese Operatoren akzeptieren als Eingabe boolesche Werte und geben einen booleschen Wert zurück.

not negiert einen booleschen Wert:

print(not False)
print(not True)

Ausgabe:

True
False

and ergibt True wenn beide Eingabewerte True sind, ansonsten False

print(True and True)
print(True and False)
print(False and False)

print(1+2==3 and 4*4==16)
print(1+2==3 and False)
x = 7
print(x == 7 and x+3 == 10 and True)

Ausgabe

True
False
False
True
False
True

or ergibt True wenn mindestens einer der beiden Eingabewerte True ist.

print(True or True)
print(True or False)
print(False or False)
x = 5
print(x<5 or x>5)

Ausgabe:

True
True
False
False

Bedingte Anweisungen (if-statements)

Um ein richtiges Programm schreiben zu können, müssen wir dem Computer mitteilen können, wie er auf bestimmte Situationen reagieren soll. Dafür sind bedingte Anweisungen nötig.

Ein einfaches Beispiel wäre z.B. ein Programm, das anhand der Temperatur entscheidet, ob es Hitzefrei gibt oder nicht:

temperatur = 20  # °C

if temperatur > 35:
    print("Hitzefrei!")
    print("Viel Spaß im Schwimmbad!")
else:
    print("Uni!")
    print("Endlich Zeit, Python zu lernen!")

Wenn wir das Programm ausführen, sehen wir die Ausgabe "Uni!". Was ist passiert? Das Programm hat überprüft, ob die Bedingung temperatur > 35 True ergibt. Da in diesem Fall aber nur 20 Grad vorherrschen, gibt es daher

Uni!
Endlich Zeit, Python zu lernen!

aus. Ändern wir nun aber die erste Zeile auf einen hohen Wert über 35, wird sich auch das Verhalten des Programmes ändern.

Die (allgemeinere) Form dieser if statements ist wie folgt:

if <Bedingung 1>:
    <Anweisung 1>
elif <Bedingung 2>:
    <Anweisung 2>
else:
    <Anweisung 3>

Bedingung ist dabei ein Ausdruck, der einen boolschen Wert zurückgibt. Also z.B. so etwas wie

meine_variable < 5 and andere_variable > 3

Noch ein Beispiel dazu: Wir schreiben ein Programm, das anhand der Anzahl Räder eines Fahrzeugs erkennt, ob es sich um ein Auto, ein Dreirad oder Zweirad handelt:

anzahl_räder = 2

if anzahl_räder == 4:
    print("Das ist ein Auto")
elif anzahl_räder == 3:
    print("Ein Dreirad!")
elif anzahl_räder == 2:
    print("Ein Zweirad!")
else:
    print("Keine Ahnung...")

Was passiert in diesem Beispiel? Zuallererst wird anzahl_räder auf 2 gesetzt. Nun beginnt das if-Statement: die erste boolsche Funktion wird ausgewertet.

if anzahl_räder == 4:

Der Interpreter wertet nun zuerst anzahl_räder == 4 aus.

Da anzahl_räder den Wert 2 hat, ergibt sich:

if False:

Daher springt der Interpreter nun zum nächsten Teil des if-Statements:

elif anzahl_räder == 3:

Hier passiert wieder das selbe.

elif anzahl_räder == 2:

Diesmal ist anzahl_räder == 2 True . Somit ist dieses Statement erfüllt, und daher wird der Python-Code danach ausgeführt, die Ausgabe ist also

Ein Zweirad!

Aufgabe

Ändern Sie in den obigen Beispiele die Werte für temperatur und anzahl_räder ab, um zu sehen, wie die beiden Programm auf verschiedene Werte reagieren.

Schleifen

Schleifen sind immer dann hilfreich wenn wir eine bestimmte Aufgabe mehrmals ausführen wollen.

In Python gibt es zwei Arten von Schleifen:

For-Schleife

Die for-Schleife wird verwendet, wenn man einen Code-Teil eine bestimmte Anzahl von Malen wiederholen möchte, und schon genau weiß, wie oft das sein wird.

Z.B. könnte man ein Programm schreiben, das zehn mal "Hallo" schreibt:

for i in range(10):
    print("Hallo")

Ausgabe:

Hallo
Hallo
Hallo
Hallo
Hallo
Hallo
Hallo
Hallo
Hallo
Hallo

Wichtig ist hierbei die Einrückung nach der for-Anweisung (Konvention sind 4 Leerzeichen pro Einrückung). Alles, was nach der for-Anweisung eingerückt geschrieben wird, wird so oft ausgeführt, wie die for-Schleife durchlaufen wird.

Was für eine Rolle spielt das i hier?

Wir lassen es uns einfach mal ausgeben mit dem print-Befehl:

for i in range(10):
    print(i)

Ausgabe:

i ist also nichts anderes als ein Zähler, der die Schleifendurchläufe mitzählt. Jedes mal wenn der eingerückte Code ausgeführt wird, erhöht sich der Wert von i um eins.

Außerdem sieht man, dass die Aufzählung nicht bei 1, sondern bei 0 startet.

Aufgabe

Lassen Sie sich mithilfe einer for-Schleife die geraden Zahlen von 0 bis 18 ausgeben. Verwenden Sie dafür eine if-Abfrage, um zu prüfen, ob es sich um eine gerade Zahl handelt.

While-Schleife

Die While-Schleife wird benutzt, um eine Bedingung zu prüfen, und wenn diese erfüllt ist, den nachfolgenden Code auszuführen

Beispiel:

summe = 0
i = 0
while summe < 20:
  i = i + 1
  summe = summe + i

Mit break aus einer Schleife ausbrechen

Manchmal gibt es Fälle, in denen wir vorzeitig aus einer Schleife ausbrechen wollen. In diesen Fällen hilft uns das Statement break

Beispiel:

for i in range(10):
    print(i)
    if i == 4:
        break

Ausgabe:

Anstatt die komplette Schleife zu durchlaufen, bricht das Programm die Schleife ab, sobald es die break-Anweisung erreicht.

Ein- und Ausgabe

In diesem Kapitel beschäftigen wir uns mit verschiedenen Arten der Ein- und Ausgabe, nämlich:

Einlesen und Schreiben von Dateien
Einlesen von Tastatureingaben

Schreiben:

Um eine Datei zu öffnen, benötigen wir den Befehl open:

datei = open("meine_datei", "w")

Das "w" steht dabei für writeable. Möchte man eine (schon existierende) Datei nur auslesen, benutzt man "r" für readable. Möchte man an eine bestehende Datei weiteren Text anhängen, muss man "a" (für append) benutzen.

Als nächstes möchten wir etwas in unsere gerade geöffnete Datei schreiben. Dazu benutzen wir, wie schon im Hello World Programm die print-Funktion:

print("Dieser Satz steht in der ersten Zeile", file=datei)
print("Und der hier in der zweiten", file=datei)

Anschließend müssen wir die Datei noch schließen.

datei.close()

In diesem Beispiel gibt es allerdings ein Problem. Angenommen, etwas unvorhergesehenes geschieht, bevor das Programm die Datei schließen kann:

datei = open("meine_datei", "w")
print(1/0) # Das wird mit einer Fehlermeldung abbrechen...
datei.close() # diese Zeile wird nie ausgeführt werden

In diesem Fall wird f.close() nie ausgeführt. Als Resultat können Speicherprobleme auftreten, oder die Datei wird unlesbar.

Die sichere Variante sieht wie folgt aus:

with open("meine_datei", "w") as datei:
    print("Dieser Satz steht in der ersten Zeile", file=datei)
    print("Und der hier in der zweiten", file=datei)

Einlesen:

Das Einlesen einer Datei funktioniert ähnlich. Hier können wir zum Einlesen aller Zeilen einen schönen Trick verwenden:

with open("meine_datei", "r") as datei:
    for line in datei:
        print(line)

Hier benutzen wir eine for-Schleife, die über alle Zeilen in unserer Datei iteriert. Tatsächlich kann man in Python for-Schleifen sehr vielfältig anwenden. Mehr dazu beim nächsten Mal!

Tastatureingabe:

Mit dem Handling von Tastatureingaben können wir unsere Programme endlich etwas interaktiver gestalten! Die Syntax dafür ist wie folgt:

user_input = input("Bitte geben Sie etwas ein: ")
print("Sie gaben ein:", user_input)

In Kombination mit if-else Anweisungen können wir nun Programme schreiben, die auf verschiedene User-Eingaben reagieren. Mehr dazu in den Übungen.