Переводчик Е. Матвеев

 

Эрик Мэтиз

Изучаем Python: программирование игр, визуализация данных, веб-приложения. 3-е изд.. — СПб.: Питер, 2022.

 

ISBN 978-5-4461-1528-0

© ООО Издательство "Питер", 2022

 

Все права защищены. Никакая часть данной книги не может быть воспроизведена в какой бы то ни было форме без письменного разрешения владельцев авторских прав.

 

Отзывы о книге

Интересно наблюдать за тем, как No Starch Press создает будущую классику, которая по праву может занять место рядом с более традиционными книгами по программированию. Эта книга — одна из них.

Грег Лейден (Greg Laden), ScienceBlogs

 

Автор рассматривает довольно сложные проекты и излагает материал в последовательной, логичной и приятной манере, которая привлекает читателя к теме.

Full Circle Magazine

 

Хорошая подача материала с доступными объяснениями фрагментов кода. Книга ведет читателя вперед шаг за шагом, строя все более сложный код и объясняя все происходящее на этом пути.

FlickThrough Reviews

 

Изучение Python с этой книгой оставило в высшей степени положительные впечатления! Отличный вариант, если вы только начинаете изучать Python.

Mikke Goes Coding

Об авторе

Эрик Мэтиз, преподаватель физики и математики, живет на Аляске и ведет курс Python начального уровня. Эрик пишет программы с пяти лет, а в настоящее время занимается разработкой продуктов, которые исправляют недочеты в системе образования и помогают использовать возможности программных продуктов с открытым кодом в системе образования. В свободное время занимается альпинизмом и проводит время с семьей.

О научном редакторе

Кеннет Лав — преподаватель и программист Python с многолетним стажем. Он выступал с докладами и лекциями на конференциях, занимался профессиональной подготовкой, работал внештатным программистом Python и Django, а в настоящее время работает программистом в O’Reilly Media. Кеннет является одним из создателей пакета django-braces, предоставляющего удобные примеси (mixins) для представлений на базе классов Django. Желающие могут читать его сообщения в Твиттере (@kennethlove).

Моему отцу, который никогда не жалел времени, чтобы ответить на мои вопросы по программированию, и Эверу, который только начинает задавать мне свои вопросы

Предисловие к третьему изданию

Предыдущее издание «Изучаем Python: программирование игр, визуализация данных, веб-приложения» получило множество положительных отзывов. Тираж книги составил более 500 тысяч экземпляров, включая переводы на 8 языков. Я получал письма и сообщения как от читателей, которым было всего десять лет, так и от пенсионеров, желающих освоить программирование для собственного удовольствия. Материал книги используется для обучения в школах и колледжах. Студенты, которым приходится иметь дело с более сложными учебниками, используют мою книгу как дополнительный источник для своих занятий; по их мнению, книга является хорошим подспорьем в учебе. Разные люди используют ее для повышения своей квалификации и для работы над параллельными проектами. Короче говоря, книга используется для самых разнообразных целей — как я и надеялся.

Я был очень рад тому, что мне представилась возможность поработать над следующим изданием. Python — достаточно зрелый язык, но он продолжает развиваться, как и все языки. При переработке материала книги я старался сделать его более доступным и компактным. Необходимости в изучении Python 2 больше нет, поэтому новое издание полностью сосредоточено на Python 3. Установка многих пакетов Python упростилась, поэтому упростились и инструкции по установке и настройке. Я добавил несколько тем, которые, на мой взгляд, будут полезны читателям, обновил некоторые разделы и представил новые, более простые средства для решения некоторых задач в языке Python. Также были доработаны разделы, в которых некоторые аспекты языка были представлены недостаточно точно. Все проекты были полностью обновлены; в них используются только популярные библиотеки с качественным сопровождением, которыми вы можете пользоваться при построении собственных проектов.

Ниже приведена краткая сводка изменений в третьем издании:

• В главе 1 инструкции по установке Python были упрощены для пользователей всех основных операционных систем. Теперь я рекомендую использовать текстовый редактор Sublime Text, который популярен как среди новичков, так и среди профессионалов и работает во всех операционных системах.

• В главе 2 приведено более подробное описание того, как переменные реализованы в языке Python. Переменные описываются как текстовые метки для значений, что позволяет читателю лучше понять поведение переменных в Python. В книге широко используются f-строки, появившиеся в Python 3.6, — намного более простой и удобный механизм использования значений в строках. В Python 3.6 также появилась возможность использования символов подчеркивания для представления больших чисел (например, 1_000_000); она также включена в это издание. Множественное присваивание переменных было представлено в одном из проектов первого издания; описание было обобщено и перемещено в главу 2 для удобства читателей. Наконец, в эту главу также включена понятная система соглашений для представления констант в Python.

• В главе 6 представлен метод get() для чтения значений из словаря, который может вернуть значение по умолчанию в случае отсутствия ключа.

• Проект «Инопланетное вторжение» (главы 12–14) теперь полностью базируется на использовании классов. Сама игра представляет собой класс (вместо серии функций, как в предыдущем издании). Это сильно упрощает общую структуру игры, уменьшает число вызовов функций и необходимых параметров. Читатели, знакомые с первым изданием, оценят простоту нового подхода, основанного на классах. Pygame теперь может устанавливаться однострочной командой во всех системах, а читатель может выбрать между запуском игры в полноэкранном или оконном режиме.

• В проектах визуализации данных инструкции по установке Matplotlib упростились для всех операционных систем. Визуализации, базирующиеся на Matplotlib, используют функцию subplots(), более удобную для обучения построению сложных визуализаций. В проекте Rolling Dice из главы 15 используется Plotly — библиотека визуализации с простым синтаксисом, качественным сопровождением и красивым выводом результатов с широкими возможностями настройки.

• В главе 16 метеорологический проект переведен на данные NOAA, которые продемонстрировали большую стабильность за прошедшие годы, чем сайт, использованный в первом издании. Картографический проект теперь посвящен глобальной сейсмической активности; к моменту завершения проекта будет построена великолепная визуализация, наглядно изображающая границы тектонических плит по координатам всех землетрясений за заданный период времени. Вы научитесь наносить на карту любые наборы данных, содержащие географические координаты.

• В главе 17 для визуализации активности, связанной с Python, в проектах с открытым кодом на GitHub используется библиотека Plotly.

• Проект Learning Log (главы 18–20) построен на базе новейшей версии Django, а для его оформления используется новейшая версия Bootstrap. Процесс развертывания проекта в Heroku был упрощен за счет использования пакета django-heroku, и в нем используются переменные среды вместо редактирования файлов settings.py. Такое решение получается более простым и лучше соответствует тому, как профессиональные программисты развертывают современные проекты Django.

• Приложение А было полностью переработано. В него были включены рекомендации по установке Python. В приложение Б включены подробные рекомендации по настройке Sublime Text и приведены краткие описания основных текстовых редакторов и интегрированных сред, используемых в наши дни. В приложении В приведены ссылки на более новые и популярные сетевые ресурсы для получения помощи, а приложение Г предлагает небольшой учебный курс по применению Git для контроля версий.

Спасибо за то, что читаете эту книгу! Если у вас появятся вопросы или вы захотите поделиться своим мнением, не стесняйтесь и пишите.

Благодарности

Эта книга никогда бы не появилась на свет без великолепных, чрезвычайно профессиональных сотрудников издательства No Starch Press. Билл Поллок (Bill Pollock) предложил мне написать вводный учебник, и я глубоко благодарен ему за это предложение. Тайлер Ортман (Tyler Ortman) помог привести в порядок мои идеи на ранней стадии подготовки чернового варианта. Лиз Чедвик (Liz Chadwick) и Лесли Шен (Leslie Shen) предоставили бесценные отзывы на исходные варианты каждой главы, а Энн Мэри Уокер (Anne Marie Walker) помогла прояснить многие части книги. Райли Хоффман (Riley Hoffman) отвечал на все вопросы, которые возникали у меня в процессе создания книги, и терпеливо превращал мою работу в прекрасный завершенный продукт.

Также хочу поблагодарить Кеннета Лава, научного редактора книги. Я познакомился с Кеннетом на конференции PyCon, и его энтузиазм в отношении языка и сообщества Python с тех пор неизменно оставался для меня источником профессионального вдохновения. Кеннет вышел за рамки простой проверки фактов; он следил за тем, чтобы книга помогала начинающим программистам сформировать основательное понимание языка Python и программирования в целом. Вместе с тем ответственность за все оставшиеся неточности лежит исключительно на мне.

Я хочу поблагодарить своего отца, который познакомил меня с программированием в раннем возрасте и не побоялся, что я сломаю его оборудование. Также хочу ска­зать спасибо своей жене Эрин за поддержку и помощь во время работы над книгой и своему сыну Эверу, чья любознательность постоянно служит мне примером.

Введение

У каждого программиста найдется своя история о том, как он написал свою первую программу. Я начал изучать программирование еще в детстве, когда мой отец работал на Digital Equipment Corporation, одну из ведущих компаний современной эры вычислительной техники. Я написал свою первую программу на компьютере, который был собран моим отцом из набора компонентов в подвале дома. Компьютер представлял собой системную плату (без корпуса), подключенную к клавиатуре, а в качестве монитора использовалась простейшая электронно-лучевая трубка. Моей первой программой стала игра по отгадыванию чисел, которая выглядела примерно так:

Я загадал число! Попробуйте отгадать мое число: 25

Слишком мало! Следующая попытка: 50

Слишком много! Следующая попытка: 42

Верно! Хотите сыграть снова? (да/нет) нет

Спасибо за игру!

Никогда не забуду, как это было здорово — моя семья играла в написанную мной игру, и все работало точно так, как я задумал.

Мои ранние переживания имели далекоидущие последствия. Очень приятно построить нечто, предназначенное для конкретной цели; нечто, успешно решающее свою задачу. Программы, которые я пишу сейчас, намного серьезнее моих детских попыток, но чувство удовлетворения, которое я ощущаю от вида работающей программы, остается практически тем же.

Для кого написана эта книга?

Цель этой книги — как можно быстрее ввести читателя в курс дела, чтобы он начал писать на Python работоспособные программы (игры, визуализации данных и веб-приложения), и одновременно заложить основу в области программирования, которая пригодится ему на протяжении всей жизни. Книга написана для людей любого возраста, которые прежде никогда не программировали на Python или вообще никогда не программировали. Если вы хотите быстро изучить азы программирования, чтобы сосредоточиться на интересных проектах, а также проверить свое понимание новых концепций на содержательных задачах, — эта книга для вас. Книга также прекрасно подходит для преподавателей, желающих предложить вводный курс программирования, основанный на проектах. Наконец, если вы студент, которому хочется иметь более доступное введение в Python, чем предложенный ему учебник, эта книга также упростит ваши учебу.

Чему эта книга вас научит?

Цель книги — сделать вас хорошим программистом вообще и хорошим программистом Python в частности. Процесс обучения будет эффективным, и вы приобретете много полезных привычек, так как я представлю основательное введение в общие концепции программирования. После того как вы перевернете последнюю страницу, вы будете готовы к знакомству с более серьезными возможностями Python, а изучение вашего следующего языка программирования тоже упростится.

В части I книги будут представлены базовые концепции программирования, которые необходимо знать для написания программ Python. Эти концепции ничем не отличаются от тех, которые рассматриваются в начале изучения почти любого языка программирования. Вы познакомитесь с разными видами данных и возможностями хранения данных в списках и словарях. Вы научитесь создавать коллекции данных и эффективно работать с этими коллекциями. В частности, циклы while и if позволяют выполнять определенные фрагменты кода, если некоторое условие истинно, и выполнять другие фрагменты в противном случае — эти конструкции очень сильно помогают при автоматизации процессов.

Вы научитесь получать входные данные от пользователя, чтобы ваши программы стали интерактивными, и выполнять их до тех пор, пока пользователь остается активным. Также вы узнаете, как написать функции для многократного выполнения некоторых частей ваших программ, чтобы вы один раз программировали некоторое действие, а потом могли использовать его столько раз, сколько потребуется. Затем эта концепция будет распространена на более сложное поведение с классами, что позволит даже относительно простым программам реагировать на множество разнообразных ситуаций. Вы научитесь писать программы, корректно обрабатывающие многие типичные ошибки. После знакомства с базовыми концепциями мы напишем несколько коротких программ для решения конкретных задач. Наконец, вы сделаете первые шаги на пути к программированию среднего уровня: вы научитесь писать тесты для своего кода, чтобы продолжать разработку программ, не беспокоясь о возможном внесении ошибок. Вся информация части I подготовит вас к более сложным и масштабным проектам.

В части II знания, полученные в части I, будут применены для построения трех проектов. Вы можете взяться за любые из этих проектов в том порядке, который лучше подходит для вас. В первом проекте (главы 12–14) будет создана игра-стрелялка в стиле классического хита Space Invaders, состоящая из многих уровней с нарастающей сложностью. После завершения этого проекта вы будете знать многое из того, что необходимо знать для разработки собственных 2D-игр.

Второй проект (главы 15–17) познакомит вас с визуализацией данных. Чтобы разобраться в огромных объемах доступной информации, специалисты по анализу данных применяют различные средства визуализации. Вы будете работать с наборами данных, генерируемыми в программах; наборами данных, загруженными из сетевых источников; и наборами данных, которые загружаются вашей программой автоматически. После завершения этого проекта вы сможете писать программы, обрабатывающие большие наборы данных и строящие визуальные представления сохраненной информации.

В третьем проекте (главы 18–20) будет построено небольшое веб-приложение Learning Log. Этот проект позволяет вести журнал новых идей и концепций, которые вы узнали в ходе изучения конкретной темы. Пользователь приложения сможет вести разные журналы по разным темам, создавать учетные записи и начинать новые журналы. Вы также узнаете, как развернуть свой проект в интернете, чтобы любой желающий мог работать с ним откуда угодно.

Онлайн-ресурсы

Все информационные ресурсы, прилагаемые к книге, доступны в интернете по адресу https://nostarch.com/pythoncrashcourse2e/ или http://ehmatthes.github.io/pcc_2e/:

• Инструкции по настройке. Они совпадают с инструкциями, приведенными в книге, но в них включены активные ссылки, относящиеся к различным фазам настройки. Если у вас возникнут какие-либо проблемы с подготовкой и настройкой, обращайтесь к этому ресурсу.

• Обновления. Python, как и все языки, постоянно развивается. Я отслеживаю наборы обновлений, так что если что-то не работает — обращайтесь к этому ресурсу и проверьте, не изменилось ли что-то.

• Решения к упражнениям. Не жалейте времени на самостоятельное решение задач из разделов «Упражнения». Но если вы оказались в тупике и не знаете, что делать, ответы к большинству упражнений доступны в интернете.

• Памятки. Полный набор памяток, содержащих краткие сводки по основным концепциям.

Почему именно Python?

Каждый год я задумываюсь над тем, продолжать ли мне работать на Python или же перейти на другой язык — вероятно, более новый в мире программирования. И все же я продолжаю работать на Python по многим причинам. Язык Python невероятно эффективен: программы, написанные на нем, делают больше, чем многие на других языках и в меньшем объеме кода. Синтаксис Python также позволяет писать «чистый» код. Ваш код будет легко читаться, у вас будет меньше проблем с отладкой и расширением программ по сравнению с другими языками.

Python используется для разных целей: для создания игр, построения веб-приложений, решения бизнес-задач и разработки внутренних инструментов для всевозможных интересных проектов. Python также широко применяется в научной области для теоретических исследований и решения прикладных задач.

Впрочем, одной из самых важных причин для использования Python для меня остается сообщество Python, состоящее из невероятно разных и благожелательных людей. Сообщество играет исключительно важную роль в программировании, потому что программирование не является сугубо индивидуальным делом. Многим из нас, даже самым опытным программистам, приходится обращаться за советом к коллегам, которые уже решали похожие задачи. Существование связного, доброжелательного сообщества помогает решать задачи, и сообщество Python готово прийти на помощь людям, для которых Python является первым языком программирования.

Python — замечательный язык, так давайте браться за дело!

От издательства

Ваши замечания, предложения, вопросы отправляйте по адресу comp@piter.com (издательство «Питер», компьютерная редакция).

Мы будем рады узнать ваше мнение!

На веб-сайте издательства www.piter.com вы найдете подробную информацию о наших книгах.

Часть I. Основы

В части I этой книги представлены базовые концепции, необходимые для написания программ на языке Python. Многие из этих концепций встречаются во всех языках программирования, поэтому они пригодятся вам на протяжении всей карьеры в программировании.

В главе 1 вы установите Python на свой компьютер и запустите свою первую программу, которая выводит на экран сообщение Helloworld!.

В главе 2 вы научитесь хранить информацию в переменных, работать с текстовыми и числовыми данными.

В главах 3 и 4 вы познакомитесь со списками. Списки позволяют хранить любой объем информации в одной переменной, что повышает эффективность работы с данными. Вы сможете работать с сотнями, тысячами и даже миллионами значений всего в нескольких строках кода.

В главе 5 будут представлены команды if. С их помощью вы сможете написать код, который делает что-то одно, если некоторое условие истинно, и что-то другое, если условие не выполняется.

Глава 6 показывает, как использовать словари Python, связывающие разные виды информации. Словари, как и списки, могут содержать столько информации, сколько вы захотите в них поместить.

В главе 7 вы научитесь получать данные от пользователей, чтобы ваши программы стали интерактивными. Также в этой главе описаны циклы while, многократно выполняющие блоки кода, пока некоторое условие остается истинным.

В главе 8 вы займетесь написанием функций — именованных блоков кода, которые решают конкретную задачу и запускаются тогда, когда потребуется.

В главе 9 представлены классы, предназначенные для моделирования реальных объектов: собак, кошек, людей, машин, ракет и т.д. С их помощью вы сможете представить в своем коде любые сущности, реальные или абстрактные.

Глава 10 научит вас работать с файлами и обрабатывать ошибки, чтобы ваши программы не завершались аварийно. Вы узнаете, как сохранить данные перед закрытием программы и снова загрузить их при запуске программы. В этой главе рассматриваются исключения Python; с их помощью вы сможете предвидеть возможные ошибки и организовать их корректную обработку в программах.

В главе 11 вы научитесь писать тесты для своего кода. Тесты проверяют, что ваша программа работает так, как было задумано. В результате вы сможете дорабатывать свои программы, не беспокоясь о возможном внесении новых ошибок. Тестирование — один из первых навыков, отличающих новичка от программиста среднего уровня.