Podstawowe informacje o Pythonie

Zasady cytowania podręcznika: M. Sokół 2023. Python dla biologów. Wydział Biologii Uniwersytetu Warszawskiego, on line:  https://skrypty.biol.uw.edu.pl.

 

Podstawowe informacje o Pythonie

Wstęp

Python jest ciągle rozwijającym się językiem programowania stworzonym w końcu lat 80-tych przez holenderskiego informatyka Guido van Rossuma. Był on współtwórcą języka programowania ABC i pragnął stworzyć język prostszy, bardziej przejrzysty, a mający takie same właściwości. Nazwa Python pochodzi od kabaretowego serialu “Latający Cyrk Monty Pythona”, którego wielkim fanem był G. Rossum. Ponadto Rossum uważał, że użytkownikami jego projektu będą głownie hakerzy Unix/C i zastosował nazwę, która mogłaby odpowiadać tej grupie programistów. Pierwsza wersja programu powstała w 1990 roku.

Program python od samego początku został oparty na zasadzie open source, tak, że każdy programista mógł wnieść swój wkład w jego rozwój. Jego największą zaletą jest łatwy do zrozumienia kod w języku angielskim, przydatność do rozmaitych celów i tworzenie stosunkowo krótkich skryptów wykonujących skomplikowane operacje.

Python cechuje duża oszczędność składni, dynamiczne sprawdzanie typów zmiennych, których typów nie trzeba deklarować. Kody skryptów napisanych w Pythonie są krótsze od analogicznych napisanych w Java czy C++. Do zarządzania pamięcią stosuje automatyczne odśmiecanie (garbage collection). Możliwe jest w nim programowanie obiektowe, strukturalne i funkcyjne. Program nie wymusza zatem jednego stylu programowania. Paradygmat czytelności kodu spowodował, że język ten posiada zdecydowanie mniej konstrukcji składniowych, niż wiele innych języków strukturalnych, takich jak C++, Perl czy Pascal. Jednocześnie można za jego pomocą wykonać równie wiele operacji. Jest językiem interpretowanym przez system, ale jego interpreter jest na tyle “inteligentny”, że pracuje w każdym systemie operacyjnym. Oznacza to, że nie trzeba poprawiać kodu źródłowego skryptów przy zmianie sprzętu lub systemu operacyjnego. Sam język ma możliwości włączania do swoich skryptów skompilowanych programów napisanych w innych językach. Czasem jest używany po to, by napisać program łączący aplikacje napisane w różnych językach. Obsługuje także biblioteki graficzne GUI oraz wiele programów umożliwiających animację, co znacznie rozszerza jego zastosowanie.

Dzięki dużej przejrzystości kodu, język ten stał się powszechnie używany przez nie-informatyków, w tym biologów. Można w nim bowiem gotowe, ściągnięte z Internetu skrypty przetwarzać dla swoich potrzeb i opracowywać własne dane. Nie wymaga to specjalistycznych studiów. Ponieważ jest programem bezpłatnym, objętym licencją GNU, jego użytkownicy napisali wiele skryptów, które są również bezpłatnie rozpowszechniane. Do dzisiejszego dnia powstały duże biblioteki ze skryptami i funkcjami potrzebnymi do wykonania określonych zadań, które można w każdej chwili załadować i korzystać z nich. Z języka tego każdy może korzystać, naprawiać jego kod źródłowy i redystrybuować, nawet w celach komercyjnych. Właśnie z tego powodu Python zgromadził dużą bazę użytkowników, która stale rośnie i dodaje mu wartości.

Spośród wielu języków programowania Python został wybrany przez Wydziały MIMUW oraz Biologii do nauki studentów bioinformatyki podstaw programowania. Wielu biologów zajmujących się przetwarzaniem danych gromadzonych w toku badań genetycznych i molekularnych gromadzonych z zastosowaniem wysokoprzepustowych technik eksperymentalnych. Język ten jednak ma szersze zastosowanie i poznanie jego podstaw może przydać się w różnych gałęziach biologii, a także wykonywanej pracy przez naszych studentów na wyższych latach studiów.

Instalacja programu Python

Python jest językiem darmowym i jego interpreter można ściągnąć ze strony www.python.org/. Jest to oficjalna strona Python Software Fundation, która rozwija, promuje i ochrania język Python. Po wejściu na stronę pokazuje się następująca wizytówka:

Po najechaniu myszką na “Downloads” pojawia się następujące okienko:

Po kliknięciu na pasek zapisz w pobranych powinien pojawić się plik instalacyjny o klasycznej ikonce . Sama instalacja rozpoczyna się od poniższego okienka.

Po wybraniu “Instal Now” rozpoczyna się instalacja. Kończy się następującym okienkiem

Program instalacyjny tworzy własny katalog na dysku C:\. Ikonka programu znajdująca się w wykazie programów pokazuje, że zostały zainstalowane następujące części:

IDLE (Python GUI) to zintegrowane środowisko programowania i uczenia się Pythona (Integrated Development and Learning Environment). Jest to najważniejsza część Pythona. Umożliwia kodowane w 100% czystym Pythonie i działa tak samo w różnych systemach operacyjnych. Kliknięcie na tę ikonkę powoduje otwarcie strony, w której zazwyczaj pisze się programy. Działa ona podobnie jak konsola w R, poza niemożnością przywołania poprzednio wpisanych instrukcji za pomocą strzałki w górę.

Większość podręczników do Pythona powstaje w taki sposób, że przykładowe programy wpisuje się do takiego okienka. Jednak środowisko to umożliwia tylko wpisywanie kodu linijka po linijce do środowiska tekstowego. Dla większych, kilkulinijkowych skryptów dużą rolę zaczynają odgrywać odstępy z lewej strony, a uruchomienie programu wymaga przejścia do początku wolnej linijki i naciśnięcia Enter. Osoby przyzwyczajone do R mogą mieć początkowo z tym kłopot. Rozbudowane skrypty stosowane w biologii także nie ułatwiają tej operacji. Podobnie działa Phyton (command line), który jest tekstową wersją IDLE (Python GUI). Przypominają one język R w swoich podstawowych działaniach, ale szybko to podobieństwo zanika, gdy próbujemy posługiwać się rozbudowanymi programami i funkcjami. Warto go jednak uruchomić i zobaczyć co program ten robi tak samo jak R, a co nie.

Nie uruchomimy Module Docs przez klikanie na ikonkę. Część ta zawiera najważniejsze pliki związane z dokumentacją Pythona. Korzystamy z niego posługując się funkcja Help. (gdzie po kropce wpisujemy nazwę funkcji lub instrukcji, o której chcemy się czegoś dowiedzieć. Uruchomienie Phyton manuals pokaże podręcznik, a właściwie instruktaż do korzystania z programu, przeznaczony dla informatyków. Nie jest to najlepszy podręcznik dla początkujących.

Instalacja programu Thonny (2024)

Dla programu Phyton można zainstalować wygodne do nauki środowisko – program, gdzie wpisuje się skrypty, sprawdzi ich poprawność, przekaże je do Pythona i pokaże wyniki. Możliwość pracy na skryptach, zapamiętanie wpisanego kodu, jego poprawianie, możliwość przesłania w mailu, ułatwia pracę i powoduje, że wysiłki włożone w napisanie poprawnego kodu nie pójdą na marne. Takim programem jest np. Thonny.

Program Thony napisał Aivar Annamaa, asystent na wydziale informatyku uniwersytetu Tartu w Estoni. Tam też powstają jego nowe wersje. Program ten ma wbudowaną wersję Pythona (często najnowszą), więc można go zainstalować bez właściwego programu. Zaznacza błędy składni w miejscach ich wystąpienia. Łatwo zatem poprawiać skrypt. Ma funkcję uzupełniania kodu o zapomniane nawiasy, przecinki i inne stałe elementy składni. Podpowiada prawidłowa składnię. Pozwala na zainstalowanie dodatkowych pakietów z gotowymi skryptami. Oczywiście gotowe skrypty są uruchamiane i pokazują wyniki programowania. Innymi słowy, Thonny jest idealnym interpreterem programu Python dla początkujących. Posiada możliwość rejestrowania działań użytkownika w celu ponownego odtworzenia lub analizy procesu programowania. Wszystkie bowiem działania zapisują się w plikach tekstowych z rozszerzeniem .py.

Program Thony można pobrać np. ze strony https://thonny.org/. Po wejściu na stronę pokaże się następujące powitanie oraz możliwość pobrania pliku instalacyjnego.

Po najechaniu kliknięciu na stosowny wiersz program instalacyjny programu Thonny zostaje pobrany. Po jego uruchomieniu pojawia się okno:

Kolejne okno pokazuje warunki licencji open-sourse:

Następnie Thonny proponuje umieszczenie swojej ikonki na pulpicie:

Po kliknięciu na “install” rozpocznie się instalacja.

Po pomyślnej instalacji pokaże się okno:

Jednocześnie na pulpicie pokaże się ikonka: .

Pierwsze uruchomienie programu Thonny spowoduje pojawienie się okienka umożliwiającego wybór języka:

Wśród języków, na które został przetłumaczony interfejs programu Thonny jest także język polski. Możemy go wybrać. Następnie pojawi się standardowe środowisko programu złożone z dwóch okien. Górne okienko służy do pisania skryptów, dolne (powłoka) do pokazywania wyników.

W górną część wpisuje się kody źródłowe programu Python, w dolnej części pojawiają się komunikaty. O ile Python (IDLE lub command line) podaje wyniki działań zaraz po ich wpisaniu i naciśnięciu enter, to aby ukazał się wynik w programie Thonny (w dolnym oknie) należy użyć funkcji print(). Standardowym, pierwszym programem w wielu podręcznikach jest napisanie skryptu piszącego powitanie “Hallo word!”. W IDLE Pythona będzie to wyglądało następująco:

Po napisaniu programu (w tym wypadku ograniczającego się do instrukcji print(‘Hello world!’) należy kliknąć na biały trójkącik w zielonym kółeczku (Uruchom aktualny skrypt) albo nacisnąć klawisz F5. Najpierw pojawi się konieczność nazwania skryptu i umieszczenia go w stosownym folderze, potem program się uruchomi i w powłoce pokaże się wynik.

Program Thonny zmusza użytkownika do zapamiętania programu w skrypcie, któremu trzeba było nadać nazwę (np. p1.py) i zapamiętuje go. Skrypt ten można otworzyć i zmodyfikować. Ponadto w części wynikowej programu pojawiają się tylko wyniki, które obejmuje funkcja print(). Ma to zalety dla tych, którzy chcę tylko modyfikować istniejące już skrypty dla własnych potrzeb, a tego wymaga się tylko od studentów biologii.