Praktické tipy, programovací jazyky

IB111 Základy programováníRadek Pelánek

2017

1 / 76

Dnešní přednáška

shrnutí základůvývojová prostředí, editoryspráva verzíknihovny, praktický vývoj v Pythonuregulární výrazypřehled programovacích jazykůnávaznostiKahootová anketa

2 / 76

IB111 shrnutí

shrnutí základních tématco je potřeba hladce umět pro další studiumupozornění na problematické body

3 / 76

Řízení toku výpočtu

podmíněný příkazcykly: for, whilefunkce, return

4 / 76

Datové typy

čísla (int, float)řetězceseznamy, n-ticeslovníky

5 / 76

Indexování

indexování od nulyrozlišování mezi:

indexem ihodnotou na příslušné pozici a[i]

rozdíl mezi indexováním seznamu a slovníkuvnořené struktury, indexování

data[x][y] vs. data[x,y]interpretace indexování „zlevaÿ

6 / 76

Řazení

základní řadící algoritmy: bubble sort, select sort, insertsortpoužití vestavěného řazení

sorted(alist) vs. alist.sort()řazení podle kritéria: key

7 / 76

Funkce

dekompozice problému na funkcečistá funkce, vedlejší efektpředávání parametrů, změna parametrůrozlišování, vhodné použití:

funkce, která mění parametryfunkce, která vrací nový objekt

8 / 76

Proměnné

globální, lokálnívytvoření aliasu vs. kopie (mělká, hluboká)měnitelné vs. neměnitelné typy

indexování slovníkupředávání parametrů funkcím

9 / 76

Rekurze

základní princip sebe-referencečtení, interpretace rekurzivního kódujednoduchá rekurze s návratovou hodnotou

10 / 76

Objekty

rozlišení „třídaÿ vs. „objektÿmetody, datové atributyvestavěné typy jsou objekty, použití objektové notacevlastní definice jednoduchých tříd, použití objektů

init

metody, význam selfdatové atributy

11 / 76

Čtení komplexních výrazů

výrazy podle priorit operátorůvolání funkcí „zevnitřÿindexování, tečková notace „zlevaÿ

len(alice.mother.daughters[0].daughters)

data[x][get_value(a, b[3])]

putpixel(get_coordinates(n),change_color(getpixel((x,y))))

12 / 76

Vývojová prostředí, editory

IDLE dostatečný pro jednoduché příklady, do budoucna chceteněco lepšího. . .

žádoucí vlastnosti editoru:syntax highlightingodsazování, párování závorekautocomplete, suggestPEP8 kontrolapodpora laděnípodpora refaktorizace. . .

13 / 76

Vývojová prostředí, editory

příklady různých typů editorů:

IDLE základní editor používaný v tomto kurzuemacs, vi (+příkazová řádka) obecné editory, příp. sespecifickou konfiguracípyCharm „silnýÿ editor speciálně pro Python, vhodnéobzvlášť pro velké projektyipython, jupyter interaktivní použití (prolínání programua výsledků), v prohlížeči

14 / 76

http://nbviewer.jupyter.org/github/mbakker7/exploratory_computing_with_python/blob/master/notebook9_discrete_random_variables/py_exploratory_comp_9_sol.ipynb

15 / 76

xkcd: Real Programmers

https://xkcd.com/378/

16 / 76

Správa verzí

naivní přístup:myprogram.py, myprogram2.py,myprogram oct 24.py

myprogram zaloha.py, myprogram pokus.pymyprogram final.py, myprogram really final.py

sofistikovanější přístup – „version controlÿautomatizavaná správa verzípodpora týmové prácemnoho různých řešení: git, cvs, svn, . . .

17 / 76

Git

současné populární řešenídistributed revision controlGitHub – repozitář, (primárně) veřejné projektygitlab.fi.muni.cz – repozitář na FI, umožňuje snadnovytvářet soukromé projekty

18 / 76

Python moduly

užitečné moduly v základní distribuci

math: matematické funkcerandom: náhodná číslasys: „systémovéÿ funkce a proměnnéos: spolupráce s operačním systémemre: regulární výrazydatetime: práce s časemjson: práce se soubory ve formátu JSON

19 / 76

Python knihovny, frameworky

Příklady známých „externíchÿ knihoven:Django: webový frameworkNumPy, SymPy, SciPy: efektivní numerické výpočty,symbolické výpočty, vědecké výpočty, statistikaPandas: práce s daty (především „tabulkovýmiÿ),SQL-like operacematplotlib: tvorba grafů, vizualizacepygame: vývoj herscrapy: „scrapováníÿ dat z webuTensorflow: strojové učení, deep learning

20 / 76

Regulární výrazy

nástroj pro hledání „vzorůÿ v textu

programovánítextové editorypříkazová řádka: např. grepteorie: formální jazyky, konečné automaty

21 / 76

Regulární výrazy

obecně používaný nástrojsyntax velmi podobná ve většině jazyků, prostředíbohatá syntaxnásleduje „ochutnávkaÿ, ukázky základního využití vPythonu

22 / 76

http://xkcd.com/208/

23 / 76

Znaky a speciální znaky

základní znak „vyhovíÿ právě sám soběspeciální znaky: . ^ $ * + ? { } [ ] \ | ( )

umožňují konstrukci složitějších výrazůchceme, aby odpovídaly příslušnému symbolu ⇒ prefix \

24 / 76

Skupiny znaků

[abc] – jeden ze znaků a, b, c[^abc] cokoliv jiného než a, b, c

\d Čísla: [0-9]\D Cokoliv kromě čísel: [^0-9]

\s Bílé znaky: [ \t\n\r\f\v]\S Cokoliv kromě bílých znaků: [^ \t\n\r\f\v]

\w Alfanumerické znaky: [a-zA-Z0-9_]\W Nealfanumerické znaky: [^a-zA-Z0-9_]

25 / 76

Speciální symboly

. libovolný znak^ začátek řetězce$ konec řetězce| alternativa – výběr jedné ze dvou možností

26 / 76

Opakování

* nula a více opakování+ jedno a více opakování? nula nebo jeden výskyt{m,n} m až n opakování

Pozn. *, + jsou „hladovéÿ, pro co nejmenší počet opakování *?, +?

27 / 76

Příklady

Jaký je význam následujících výrazů?

\d[A-Z]\d \d\d\d\d

\d{3}\s?\d{3}\s?\d{3}

[a-z]+@[a-z]+\.cz

^To:\s*(fi|kit)(-int)?@fi\.muni\.cz

28 / 76

Regulární výrazy v Pythonu

knihovna re (import re)re.match – hledá shodu na začátku řetězcere.search – hledá shodu kdekoliv v řetězci(re.compile – pro větší efektivitu)„raw stringÿ – r’vyraz’ – nedochází k interpretacispeciálních znaků jako u běžných řetězců v Pythonu

29 / 76

Regulární výrazy v Pythonu: práce s výsledkem

match/search vrací „MatchObjectÿ pomocí kteréhomůžeme s výsledkem pracovatpomocí kulatých závorek () označíme, co nás zajímá

30 / 76

Regulární výrazy v Pythonu: práce s výsledkem

>>> m = re.match(r"(\w+) (\w+)", \"Isaac Newton, fyzik")

>>> m.group(0)’Isaac Newton’>>> m.group(1)’Isaac’>>> m.group(2)’Newton’

31 / 76

Regulární výrazy: xkcd

http://xkcd.com/1313/http://www.explainxkcd.com/wiki/index.php/1313:_Regex_Golf

https://regex.alf.nu/

32 / 76

Programovací jazyky

přehledklasifikace, vlastnostihistoriezpůsoby užitíneseriózní postřehy

33 / 76

Interpretace, kompilace

zdrojový kód(program) překladač

strojovýkód

vstupy výstupyběžící

program

zdrojový kód(program)

vstupy

výstupyinterpret

kompilovaný program

interpretovaný program

34 / 76

Programovací jazyky: klasifikace I

nízko-úrovňové

kompilovanénutnost řešit specifika konkrétního systémuexplicitní práce s pamětínáročnější vývoj (nízká efektivita práce)vysoká efektivita programu

vysoko-úrovňové

interpretovanénezávislé na konkrétním systémuvyužití abstraktních datových typůsnadnější vývoj (vysoká efektivita práce)nižší efektivita programu

nikoliv dvě kategorie, ale plynulý přechod; zjednodušeno35 / 76

Programovací jazyky: klasifikace II

zjednodušená klasifikace a použití

nízko-úrovňové C, FORTRAN, . . .vestavěné systémy, rychlé výpočty

objektové C++, Java, C#, . . .klasické aplikace, rozsáhlé systémy

skriptovací Python, PHP, JavaScript, Perl, . . .programování pro web, skriptování, prototypy

deklarativní Prolog, LISP, Haskell, . . .umělá inteligence

36 / 76

37 / 76

38 / 76

Historie programovacích jazyků

prapočátky:19. století: Charles Babbage, Ada Lovelace, děrné štítky,. . .30. léta: teoretické základy programování, Turingův stroj,lambda kalkul (Alonzo Church)40. léta: první počítače, strojový kód, asembler

39 / 76

Historie programovacích jazyků

50. a 60. léta: první vysokoúrovňové jazyky (v některýchaplikacích přežívají dodnes)

ALGOLCOBOLFORTRAN – vědecko-technické výpočty (užíván stále)BASIC

40 / 76

BASIC

„jazyk pro začátečníkyÿrozšířen v 70. a 80. letech na „mikropočítačíchÿvýborný jazyk pro vytvoření špatných programátorskýchnávyků

41 / 76

Historie programovacích jazyků

70. létarozvoj základních paradigmat (imperativní, objektové,funkcionální, logické)C, Pascal, Prolog

80. a 90. létadalší rozvoj jazyků, specializace, nové prvky souvisejícínapř. s nástupem internetuC++, Perl, Haskell, Ruby, R, Java, JavaScript, PHP

současnostnové verze jazykůvznik nových jazyků: Go, Dart, Kotlin, Julia

42 / 76

Rosseta Code

rosettacode.org

stejné problémy řešené v mnoha programovacích jazycích

43 / 76

If programming languages were . . .

weaponshttps://9gag.com/gag/anXEbe0/if-programming-languages-were-weapons

religionshttp://blog.aegisub.org/2008/12/if-programming-languages-were-religions.html

boatshttp://compsci.ca/blog/if-a-programming-language-was-a-boat/

vehicleshttp://crashworks.org/if_programming_languages_were_vehicles/

killing a dragon:https://blogs.oracle.com/roumen/how-to-kill-a-dragon-with-various-programming-languages

44 / 76

Přehled programovacích jazyků

důležitý aspekt přehledu: různé jazyky mají různé rysy,(ne)výhody a aplikační domény

nedůležitý aspekt přehledu: volba citátů a přirovnání (značněsubjektivní, pro zpestření, . . .)

45 / 76

C

C would be Judaism – it’s old and restrictive, but most of theworld is familiar with its laws and respects them. The catch is,you can’t convert into it – you’re either into it from the start,or you will think that it’s insanity. Also, when things go wrong,many people are willing to blame the problems of the world onit.

—

C is a nuclear submarine. The instructions are probably in aforeign language, but all of the hardware itself is optimized forperformance.

46 / 76

C: užití

nízkoúrovňové programování„blízko hardwaruÿoptimalizace rychlosti výpočtu

47 / 76

C syntax

mnoho jazyků staví na syntaxi C

základní rozdíly oproti Pythonu:vyznačování bloků kódu, (ne)významnost bílých znakůexplicitně typovaný jazyk

48 / 76

C syntax: ukázka ciferný součet

#include <stdio.h>int SumDigits(unsigned long long n,

const int base) {int sum = 0;for (; n; n /= base)

sum += n % base;return sum;

}int main() {

printf("%d %d %d\n",SumDigits(1, 10),SumDigits(12345, 10),SumDigits(123045, 10));

return 0;}

49 / 76

Objektové jazyky odvozené od C

C++, C#, Java, . . .

kompilované (Java – bytecode)(většinou) explicitně typovanétypicky „silně objektovéÿvhodné pro „velké projektyÿ

50 / 76

C++C++ is a set of nunchuks, powerful and impressive whenwielded but takes many years of pain to master and often youprobably wish you were using something else.

51 / 76

Java

Java is a cargo ship. It’s very bulky. It’s very enterprise∼y.Though it can also carry a lot of weight. Will carry a project,but not very fun to drive.

52 / 76

Java: Hello World

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

53 / 76

Interpretované, „skriptovacíÿ jazyky

JavaScriptPythonPerlPHPRuby

typické užití: vývoj webu (front-end, back-end), zpracovánídat, skriptování, prototypování, . . .

54 / 76

Eval

interpretované jazyky flexibilnější než kompilované

typická ukázka: příkaz eval„vyhodnocení výrazu v řetězciÿmůže usnadnit práciale nebezpečné (zejména nad uživatelským vstupem)

55 / 76

JavaScript

JavaScript is a sword without a hilt.

56 / 76

JavaScript

i přes podobnost názvu nemá s Javou mnoho společnéhointerpretovaný jazyk„jazyk webového front-enduÿ

57 / 76

PHP

PHP is a bamboo raft. A series of hacks held together bystring. Still keeps afloat though.

58 / 76

Ruby

Ruby is difficult to describe. It’s sleek, sexy, and very fun todrive. Here’s a picture. Very trendy.

59 / 76

PerlPerl would be Voodoo – An incomprehensible series of arcaneincantations that involve the blood of goats and permanentlycorrupt your soul. Often used when your boss requires you todo an urgent task at 21:00 on friday night.

—

Perl used to serve the same purpose as Python, but now onlybearded ex-hippies use it.

60 / 76

Deklarativní jazyky

imperativní programování: program je posloupnostinstrukcí („ jakÿ má počítač počítat)deklarativní programování: program je popis toho, co semá udělat

61 / 76

Deklarativní jazyky

logické programování: Prologfunkcionální programování: Lisp, Haskell

typické užití: umělá inteligence, výpočty, „výuka principů,které využijete jindeÿ (funkcionální prvky dnes v mnoha dalšíchjazycích)

62 / 76

Prolog

Prolog is an AI weapon, you tell it what to do, which it doesbut then it also builds some terminators to go back in timeand kill your mom.

63 / 76

Prolog

mother_child(trude, sally).

father_child(tom, sally).father_child(tom, erica).father_child(mike, tom).

sibling(X, Y) :- parent_child(Z, X), parent_child(Z, Y).

parent_child(X, Y) :- father_child(X, Y).parent_child(X, Y) :- mother_child(X, Y).

64 / 76

LISP

Lisp is a shiv which comes in many forms. Anyone who usesthis is probably crazy and dangerous.

65 / 76

Haskell

https://xkcd.com/1312/

66 / 76

Haskell

bsort :: Ord a => [a] -> [a]bsort s = case _bsort s of

t | t == s -> t| otherwise -> bsort t

where _bsort (x:x2:xs) | x > x2 = x2:(_bsort (x:xs))| otherwise = x:(_bsort (x2:xs))

_bsort s = s

67 / 76

Matematický software

nástroje vyvinuté primárně jako „matematický softwareÿ, aleobsahují obecný programovací jazyk

MathematicaR

68 / 76

Mathematica

Mathematica is a low earth orbit projectile cannon, it couldprobably do amazing things if only anyone could actuallyafford one.

69 / 76

Esoterické programovací jazyky

„karikaturyÿ programovacích jazyků – dobrá karikaturaumožňuje uvědomit si důležité aspekty originálu

BrainfuckAsciiDotsLOLCODEOSTRAJavaWhitespace. . .

++++++++++[>+++++++>++++++++++>+++>+<<<<-]>++.>+.+++++++..+++.>++.<<+++++++++++++++.>.+++.------.--------.>+.>.

/#$<.*-[+]\#1/

HAICAN HAS STDIO?VISIBLE "HAI WORLD!"KTHXBYE

banik pycotryda Ostrava{

rynek(){Konzola.pravit("Toz vitaj") pyco

}}fajront pyco

70 / 76

Jaký jazyk je nejlepší?

neexistuje „univerzálníÿ jazyk, každý má své (ne)výhodylepší otázka: „Jaký jazyk je nejlepší pro danou situaci?ÿ

problém, který řešímetým, který problém řeší„legacy codeÿ

učte se různé jazyky!

Kolik jazyků umíš, tolikrát jsi programátorem.

71 / 76

Popularita jazyků

těžko měřitelné, existuje řada pokusů různými metrikami:vyhledávání na webupočty knížek o jazykuvýskyty v inzerátechdotazy na StackOverflow (a podobných stránkách)projekty na GitHubu (a podobných repozitářích)

72 / 76

Popularita jazyků

na vršku se vesměs vyskytují (abecedně): C, C++, Java,JavaScript, Python

konkrétní příklad indexu popularity:

73 / 76

Co dál?

algoritmy (směr k větší abstrakci)IB002 Algoritmy a datové struktury I – programátorskéúlohy v Pythonunavazující IV003 Algoritmy a datové struktury II

programování podrobněji (směr k nižší abstrakci, jakfunguje počítač)

PB071 Principy nízkoúrovňového programování – jazykC, správa paměti, práce s řetězci

objektově-orientované programováníPB161 Programování v jazyce C++ (a navazující)PB162 Programování v jazyce Java (a navazující)

74 / 76

Co dál?

jiná paradigmataIB015 Neimperativní programování – Haskell, Prolog

více o jazyce Python a jiných jazycíchPV248 Kurz jazyka PythonPV249 Vývoj v jazyce RubyPV178 Úvod do vývoje v C#/.NET (a navazujícípředměty)

teorie programování, vyčíslitelnost a složitost – učí se vrámci různých předmětů (IB102, IB107)

75 / 76

Závěrečné přání

Ať vás programování baví!

76 / 76