Bibliotheken

Zuletzt aktualisiert am 2025-10-30 | Diese Seite bearbeiten

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Übersicht

Fragen

  • Wie kann ich Software benutzen, die andere Leute geschrieben haben?
  • Wie kann ich herausfinden, was diese Software macht?

Ziele

  • Erklären, was Softwarebibliotheken sind und warum Programmierer sie erstellen und benutzen.
  • Schreibe Programme, die Module aus der Python-Standardbibliothek importieren und verwenden.
  • Suchen und lesen Sie die Dokumentation der Standardbibliothek interaktiv (im Interpreter) und online.

Der größte Teil der Macht einer Programmiersprache liegt in ihren Bibliotheken.

  • Eine Bibliothek ist eine Sammlung von Dateien (Module genannt), die Funktionen zur Verwendung durch andere Programme enthält.
    • Kann auch Datenwerte (z.B. numerische Konstanten) und andere Dinge enthalten.
    • Der Inhalt einer Bibliothek sollte zusammengehören, aber es gibt keine Möglichkeit, das zu erzwingen.
  • Die Python-Standardbibliothek ist eine umfangreiche Sammlung von Modulen, die mit Python selbst geliefert wird.
  • Viele zusätzliche Bibliotheken sind über PyPI (den Python Package Index) erhältlich.
  • Wir werden später sehen, wie man neue Bibliotheken schreibt.
Wichtig

Bibliotheken und Module

Eine Bibliothek ist eine Sammlung von Modulen, aber die Begriffe werden oft austauschbar verwendet, vor allem, da viele Bibliotheken nur aus einem einzigen Modul bestehen, also mach dir keine Sorgen, wenn du sie vermischt.

Ein Programm muss ein Bibliotheksmodul importieren, bevor es es verwenden kann.

  • Benutze import, um ein Bibliotheksmodul in den Speicher eines Programms zu laden.
  • Dann verweise auf Dinge aus dem Modul als module_name.thing_name.
    • Python verwendet . als Bezeichnung für “Teil von”.
  • Verwendung von math, einem der Module der Standardbibliothek:

PYTHON 

import math

print('pi is', math.pi)
print('cos(pi) is', math.cos(math.pi))

AUSGABE 

pi is 3.141592653589793
cos(pi) is -1.0
  • Auf jedes Element muss mit dem Namen des Moduls verwiesen werden.
    • math.cos(pi) wird nicht funktionieren: der Verweis auf pi “erbt” nicht irgendwie den Verweis der Funktion auf math.

Benutzen Sie help, um etwas über den Inhalt eines Bibliotheksmoduls zu erfahren.

  • Funktioniert genau wie die Hilfe für eine Funktion.

PYTHON 

help(math)

AUSGABE 

Help on module math:

NAME
    math

MODULE REFERENCE
    http://docs.python.org/3/library/math

    The following documentation is automatically generated from the Python
    source files.  It may be incomplete, incorrect or include features that
    are considered implementation detail and may vary between Python
    implementations.  When in doubt, consult the module reference at the
    location listed above.

DESCRIPTION
    This module is always available.  It provides access to the
    mathematical functions defined by the C standard.

FUNCTIONS
    acos(x, /)
        Return the arc cosine (measured in radians) of x.
⋮ ⋮ ⋮

Importieren Sie bestimmte Elemente aus einem Bibliotheksmodul, um Programme zu verkürzen.

  • Verwenden Sie from ... import ..., um nur bestimmte Elemente aus einem Bibliotheksmodul zu laden.
  • Dann verweisen Sie direkt auf sie ohne den Bibliotheksnamen als Präfix.

PYTHON 

from math import cos, pi

print('cos(pi) is', cos(pi))

AUSGABE 

cos(pi) is -1.0

Erstellen Sie einen Alias für ein Bibliotheksmodul, wenn Sie es importieren, um Programme zu verkürzen.

  • Benutzen Sie import ... as ..., um einer Bibliothek einen kurzen Alias zu geben, während Sie sie importieren.
  • Dann verweisen Sie auf Elemente in der Bibliothek mit diesem verkürzten Namen.

PYTHON 

import math as m

print('cos(pi) is', m.cos(m.pi))

AUSGABE 

cos(pi) is -1.0
  • Wird häufig für Bibliotheken verwendet, die häufig benutzt werden oder lange Namen haben.
    • z.B. wird die matplotlib Plot-Bibliothek oft als mpl aliasiert.
  • Dies kann jedoch dazu führen, dass Programme schwerer zu verstehen sind, da die Leser die Aliasnamen Ihres Programms lernen müssen.
Aufgabe

Inspizieren des Math-Moduls

  1. Welche Funktion aus dem Modul math können Sie verwenden, um eine Quadratwurzel ohne Verwendung von sqrt zu berechnen?
  2. Da die Bibliothek diese Funktion enthält, warum existiert sqrt?

  1. Mit help(math) sehen wir, dass wir pow(x,y) zusätzlich zu sqrt(x) haben, also könnten wir pow(x, 0.5) benutzen, um eine Quadratwurzel zu finden.

  2. Die Funktion sqrt(x) ist bei der Implementierung von Gleichungen wohl lesbarer als pow(x, 0.5). Lesbarkeit ist ein Eckpfeiler guter Programmierung, daher ist es sinnvoll, eine spezielle Funktion für diesen speziellen Fall bereitzustellen.

Auch das Design der Python-Bibliothek math hat seinen Ursprung im C-Standard, der sowohl sqrt(x) als auch pow(x,y) enthält, also zeigt sich ein wenig von der Geschichte des Programmierens in Pythons Funktionsnamen.

Aufgabe

Auffinden des richtigen Moduls

Sie wollen ein zufälliges Zeichen aus einer Zeichenkette auswählen:

PYTHON 

bases = 'ACTTGCTTGAC'
  1. Welches Standardbibliothek-Modul könnte Ihnen helfen?
  2. Welche Funktion würden Sie aus diesem Modul auswählen? Gibt es Alternativen?
  3. Versuche, ein Programm zu schreiben, das die Funktion verwendet.

Das Zufallsmodul scheint zu helfen.

Die Zeichenkette besteht aus 11 Zeichen, die jeweils einen Positionsindex von 0 bis 10 haben. Sie könnten die Funktionen random.randrange(https://docs.python.org/3/library/random.html#random.randrange) oder random.randint(https://docs.python.org/3/library/random.html#random.randint) verwenden, um eine zufällige ganze Zahl zwischen 0 und 10 zu erhalten, und dann das Zeichenbasesan diesem Index auswählen:

PYTHON 

from random import randrange

random_index = randrange(len(bases))
print(bases[random_index])

oder noch kompakter:

PYTHON 

from random import randrange

print(bases[randrange(len(bases))])

Vielleicht haben Sie die Funktion random.sample gefunden? Sie ermöglicht etwas weniger Tipparbeit, ist aber vielleicht etwas schwerer zu verstehen, wenn man nur liest:

PYTHON 

from random import sample

print(sample(bases, 1)[0])

Beachten Sie, dass diese Funktion eine Liste von Werten zurückgibt. Wir werden in Folge 11 etwas über Listen lernen.

Die einfachste und kürzeste Lösung ist die Funktion random.choice, die genau das tut, was wir wollen:

PYTHON 

from random import choice

print(choice(bases))
Aufgabe

Jigsaw Puzzle (Parsons’s Problem) Programmierbeispiel

Ordnen Sie die folgenden Anweisungen so an, dass eine zufällige DNA-Base und ihr Index in der Zeichenkette ausgegeben wird. Es werden nicht alle Anweisungen benötigt. Sie können auch Zwischenvariablen verwenden/hinzufügen.

PYTHON 

bases="ACTTGCTTGAC"
import math
import random
___ = random.randrange(n_bases)
___ = len(bases)
print("random base ", bases[___], "base index", ___)

PYTHON 

import math 
import random
bases = "ACTTGCTTGAC" 
n_bases = len(bases)
idx = random.randrange(n_bases)
print("random base", bases[idx], "base index", idx)
Aufgabe

Wann ist die Hilfe verfügbar?

Wenn ein Kollege von Ihnen help(math) tippt, meldet Python einen Fehler:

FEHLER 

NameError: name 'math' is not defined

Was hat Ihr Kollege vergessen zu tun?

Importieren des Mathe-Moduls (import math)

Aufgabe

Importieren mit Aliasen

  1. Füllen Sie die Leerzeichen aus, damit das folgende Programm 90.0 ausgibt.
  2. Schreiben Sie das Programm so um, dass es import ohne as verwendet.
  3. Welche Form ist für Sie leichter zu lesen?

PYTHON 

import math as m
angle = ____.degrees(____.pi / 2)
print(____)

PYTHON 

import math as m
angle = m.degrees(m.pi / 2)
print(angle)

kann geschrieben werden als

PYTHON 

import math
angle = math.degrees(math.pi / 2)
print(angle)

Da Sie den Code gerade erst geschrieben haben und mit ihm vertraut sind, finden Sie die erste Version vielleicht sogar einfacher zu lesen. Wenn Sie jedoch versuchen, einen umfangreichen Code zu lesen, der von jemand anderem geschrieben wurde, oder wenn Sie nach mehreren Monaten zu Ihrem eigenen umfangreichen Code zurückkehren, sind nicht abgekürzte Namen oft einfacher, es sei denn, es gibt klare Abkürzungskonventionen.

Aufgabe

Es gibt viele Möglichkeiten, Bibliotheken zu importieren!

Ordnen Sie die folgenden Druckanweisungen den entsprechenden Bibliotheksaufrufen zu.

Druckbefehle:

  1. print("sin(pi/2) =", sin(pi/2))
  2. print("sin(pi/2) =", m.sin(m.pi/2))
  3. print("sin(pi/2) =", math.sin(math.pi/2))

Bibliotheksaufrufe:

  1. from math import sin, pi
  2. import math
  3. import math as m
  4. from math import *
  1. Bibliotheksaufrufe 1 und 4. Um direkt auf sin und pi ohne den Bibliotheksnamen als Präfix zu verweisen, müssen Sie die Anweisung from ... import ... verwenden. Während Bibliotheksaufruf 1 speziell die beiden Funktionen sin und pi importiert, importiert Bibliotheksaufruf 4 alle Funktionen im Modul math.
  2. Bibliotheksaufruf 3. Hier werden sin und pi mit einem verkürzten Bibliotheksnamen m anstelle von math angesprochen. Bibliotheksaufruf 3 macht genau das mit der Syntax import ... as ... - er erzeugt einen Alias für math in Form des verkürzten Namens m.
  3. Bibliotheksaufruf 2. Hier wird auf sin und pi mit dem regulären Bibliotheksnamen math verwiesen, so dass der reguläre Aufruf import ... ausreicht.

Hinweis: Obwohl der Bibliotheksaufruf 4 funktioniert, ist es nicht empfohlen, alle Namen aus einem Modul mit einem Platzhalterimport zu importieren, da es dadurch unklar wird, welche Namen aus dem Modul im Code verwendet werden. Im Allgemeinen ist es am besten, Ihre Importe so spezifisch wie möglich zu gestalten und nur das zu importieren, was Ihr Code verwendet. In Bibliotheksaufruf 1 sagt uns die Anweisung import explizit, dass die Funktion sin aus dem Modul math importiert wird, aber Bibliotheksaufruf 4 vermittelt diese Information nicht.

Aufgabe

Importieren bestimmter Elemente

  1. Füllen Sie die Leerzeichen aus, damit das folgende Programm 90.0 ausgibt.
  2. Finden Sie diese Version leichter zu lesen als die vorhergehenden?
  3. Warum würden Programmierer nicht immer diese Form von import benutzen?

PYTHON 

____ math import ____, ____
angle = degrees(pi / 2)
print(angle)

PYTHON 

from math import degrees, pi
angle = degrees(pi / 2)
print(angle)

Wahrscheinlich finden Sie diese Version einfacher zu lesen, da sie weniger dicht ist. Der Hauptgrund, diese Form des Imports nicht zu verwenden, ist die Vermeidung von Namenskonflikten. Sie würden zum Beispiel degrees nicht auf diese Weise importieren, wenn Sie auch den Namen degrees für eine eigene Variable oder Funktion verwenden wollten. Oder wenn Sie auch eine Funktion mit dem Namen degrees aus einer anderen Bibliothek importieren würden.

Aufgabe

Lesen von Fehlermeldungen

  1. Lesen Sie den folgenden Code und versuchen Sie, die Fehler zu erkennen, ohne ihn auszuführen.
  2. Führen Sie den Code aus, und lesen Sie die Fehlermeldung. Um welche Art von Fehler handelt es sich?

PYTHON 

from math import log
log(0)

AUSGABE 

---------------------------------------------------------------------------
ValueError                                Traceback (most recent call last)
<ipython-input-1-d72e1d780bab> in <module>
      1 from math import log
----> 2 log(0)

ValueError: math domain error
  1. Der Logarithmus von x ist nur für x > 0 definiert, also liegt 0 außerhalb des Bereichs der Funktion.
  2. Sie erhalten einen Fehler vom Typ ValueError, der anzeigt, dass die Funktion einen unpassenden Argumentwert erhalten hat. Die zusätzliche Meldung “math domain error” macht deutlicher, wo das Problem liegt.
Hauptpunkte
  • Der größte Teil der Macht einer Programmiersprache liegt in ihren Bibliotheken.
  • Ein Programm muss ein Bibliotheksmodul importieren, um es verwenden zu können.
  • Verwenden Sie help, um mehr über den Inhalt eines Bibliotheksmoduls zu erfahren.
  • Importieren Sie bestimmte Elemente aus einer Bibliothek, um Programme zu verkürzen.
  • Erstellen Sie einen Alias für eine Bibliothek, wenn Sie diese importieren, um Programme zu verkürzen.