Advanced Computer Programming in Python

313 Pages·2017·6.647 MB·English

by  Karim Pichara, Christian Pieringer

Contents
Contents 5
1 ObjectOrientedProgramming 9
1.1 Classes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.2 Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.3 AggregationandComposition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.4 Inheritance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.5 MultipleInheritance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.6 AbstractBaseClass. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
1.7 ClassDiagrams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
1.8 Hands-OnActivities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2 DataStructures 45
2.1 Array-BasedDataStructures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
2.2 Node-basedDataStructures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
2.3 Hands-OnActivities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
3 FunctionalProgramming 101
3.1 PythonFunctions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
3.2 Decorators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
3.3 Hands-OnActivities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
4 MetaClasses 135
4.1 Creatingclassesdynamically . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
4.2 Metaclasses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
4.3 Hands-OnActivities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
6 CONTENTS
5 Exceptions 147
5.1 ExceptionTypes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
5.2 Raisingexceptions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
5.3 Exceptionhandling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
5.4 Creatingcustomizedexceptions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
5.5 Hands-OnActivities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
6 Testing 163
6.1 Unittest . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
6.2 Pytest . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
6.3 Hands-OnActivities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
7 Threading 185
7.1 Threading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
7.2 Synchronization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
7.3 Hands-OnActivities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
8 Simulation 209
8.1 SynchronousSimulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
8.2 DiscreteEventSimulation(DES) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
8.3 Hands-OnActivities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
9 HandlingStringsandBytes 227
9.1 SomeBuilt-inMethodsforStrings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227
9.2 BytesandI/O . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236
9.3 bytearrays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239
9.4 Hands-OnActivities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240
10 I/OFiles 245
10.1 ContextManager . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248
10.2 Emulatingfiles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250
11 Serialization 253
11.1 SerializingwebobjectswithJSON. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257
11.2 Hands-OnActivities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261
CONTENTS 7
12 Networking 263
12.1 Howtoidentifymachinesoninternet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263
12.2 Ports . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263
12.3 Sockets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265
12.4 Client-ServerArchitecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266
12.5 SendingJSONdata . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273
12.6 Sendingdatawithpickle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274
12.7 Hands-OnActivities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276
13 WebServices 277
13.1 HTTP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278
13.2 RESTarchitecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279
13.3 Client-sideScript . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280
13.4 Server-sideScript . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281
13.5 Request . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284
13.6 RequestData . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285
13.7 Response . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287
13.8 OtherarchitecturesforWebServices. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289
14 GraphicalUserInterfaces 291
14.1 PyQt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291
14.2 Layouts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300
14.3 EventsandSignals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303
14.4 Sender . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305
14.5 CreatingCustomSignals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306
14.6 MouseandKeyboardEvents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308
14.7 QTDesigner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308
15 SolutionsforHands-OnActivities 315
15.1 Solutionforactivity1.1: Variablestars . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 316
15.2 Solutionforactivity1.2: GeometricShapes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319
15.3 Solutionforactivity2.1: Productionlineofbottles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 326
15.4 Solutionforactivity2.2: SubwayMap . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 330
15.5 Solutionforactivity3.1: PatientsinaHospital . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332
8 CONTENTS
15.6 Solutionforactivity3.2: SoccerTeam . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 334
15.7 Solutionforactivity3.3: HamburgerStore. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 337
15.8 Solutionforactivity4.1: MetaRobot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341
15.9 Solutionforactivity5.1: Calculator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343
15.10 Solutionforactivity6.1: Testingtheencryptor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 347
15.11 Solutionforactivity6.2: TestingATMs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 354
15.12 Solutionforactivity7.1: Godzilla . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 357
15.13 Solutionforactivity7.2: MegaGodzilla . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 360
15.14 Solutionforactivity8.1: Clientqueues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 364
15.15 Solutionforactivity8.2: GoodZoo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 368
15.16 Solutionforactivity9.1: Fixingdata . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 378
15.17 Solutionforactivity9.2: Audiofiles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 382
15.18 Solutionforactivity11.1: Cashiers’data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383
Bibliography 389
KARIMPICHARA–CHRISTIANPIERINGER
ADVANCED COMPUTER PROGRAMMING IN PYTHON
ADVANCEDCOMPUTERPROGRAMMINGINPYTHON
Copyright© 2017byKarimPicharaandChristianPieringer
Allrightsreserved. Thisbookoranyportionthereofmaynotbereproducedorusedin
anymannerwhatsoeverwithouttheexpresswrittenpermissionofthepublisherexcept
fortheuseofbriefquotationsinabookreview.
ISBN:9781521232385
Toourwivesandchildren
Preface
Thisbookcontainsmostoftherelevanttopicsnecessarytobeanadvancedcomputerprogrammer. Thelanguageused
inthebookisPython3. Besidestheprogramminglanguage,thereaderwilllearnmostofthebackbonecontentsin
computer programming, such as object-oriented modeling, data structures, functional programming, input/output,
simulation,graphicalinterfaces,andmuchmore. Webelievethatthebestwaytolearncomputerprogrammingisto
workinhands-onactivities. Practicalexercisesmaketheusergetfamiliarwiththemainchallengesthatprogramming
brings,suchashowtomodelaparticularproblem;orhowtowritegoodcodeandefficientroutineimplementation,
among others. Most of the chapters contain a set of hands-on activities (with proposed solutions) at the end. We
encouragethereaderstosolveallthoseassignmentswithoutpreviouslycheckingthesolution. Challengesmaybehard
forinitialprogrammers,butwhilegoingthroughthisbook,theactivitieswillbecomemoreachievableforthereader.
ThisbookcontainsmostofthematerialusedfortheAdvancedPythonProgrammingcoursetaughtatPUCUniversity
inChile,byprofessorsKarimPicharaandChristianPieringer. ThecourseisintendedforComputerSciencestudents
aswellasanyotheraffinecareerthatcanbebenefitedbycomputerprogrammingknowledge. Ofcourse,thisbook
is not enoughtobecome a SoftwareEngineer; thereareothernecessary courses that the reader musttaketo learn
moreadvancedconceptsrelatedtothedevelopmentofbiggersoftwareprojects. Someoftherecommendedcourses
are Database Systems, Data Structures, Operating Systems, Compilers, Software Engineering, Testing, Software
Architecture,andSoftwareDesign,amongothers. Thecontentofthisbookwillpreparethereadertohavethenecessary
backgroundforanyofthenextSoftwareEngineeringcourseslistedabove. Whileusingthisbook, readersshould
followalongontheircomputerstobeabletotryalltheexamplesincludedinthechapters. Itwillbenecessarythat
computershavealreadyinstalledtherequiredPythonlibraries.
3
Authors
KarimPicharaBaksai
Ph.D.inComputerScience,
ResearchArea: MachineLearningandDataScienceappliedtoAstron-
omy
AssociateProfessor,ComputerScienceDepartment
PontificiaUniversidadCatólicadeChile(PUC)
ChristianPieringerBaeza
Ph.D.inComputerScience
ResearchArea: ComputerVisionandMachineLearning
AdjuntProfessor,ComputerScienceDepartment
PontificiaUniversidadCatólicadeChile(PUC)
4
Acknowledgments
This book was not possible without the constant help of the teaching assistants; they gave us invaluable feedback,
codeandtexteditionstoimprovethebook. ThemaincollaboratorswhohighlycontributedareBelénSaldías,Ivania
Donoso,MarcoBucchi,PatricioLópez,andIgnacioBecker.
Wewouldlikealsothanktheteamofassistantswhoworkedinthehands-onactivities: JaimeCastro,RodrigoGómez,
BastiánMavrakis,VicenteDominguez,FelipeGarrido,JavieraAstudillo,AntonioGil,andJoséMaríaDeLaTorre.
BelénSaldías IvaniaDonoso MarcoBucci
PatricioLópez IgnacioBecker