Fast Lane to Python - Amazon Web Services

170 Pages·2011·0.66 MB·English

Fast Lane to Python
A quick, sensible route to the joys of Python coding
Norm Matloff
University of California, Davis
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-No Derivative Works 3.0 United States Li-
cense. CopyrightisretainedbyN.Matloffinallnon-U.S.jurisdictions,butpermissiontousethesematerials
inteachingisstillgranted,providedtheauthorshipandlicensinginformationhereisdisplayed.
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2
Author’sBiographicalSketch
Dr. Norm Matloff is a professor of computer science at the University of California at Davis, and was
formerly a professor of mathematics and statistics at that university. He is a former database software
developer in Silicon Valley, and has been a statistical consultant for firms such as the Kaiser Permanente
HealthPlan.
Dr. MatloffwasborninLosAngeles,andgrewupinEastLosAngelesandtheSanGabrielValley. Hehas
aPhDinpuremathematicsfromUCLA,specializinginprobabilitytheoryandstatistics. Hehaspublished
numerous papers in computer science and statistics, with current research interests in parallel processing,
statisticalcomputing,andregressionmethodology.
Prof. Matloff is a former appointed member of IFIP Working Group 11.3, an international committee
concerned with database software security, established under UNESCO. He was a founding member of
the UC Davis Department of Statistics, and participated in the formation of the UCD Computer Science
Departmentaswell. HeisarecipientofthecampuswideDistinguishedTeachingAwardandDistinguished
PublicServiceAwardatUCDavis.
Dr. Matloffistheauthoroftwopublishedtextbooks,andofanumberofwidely-usedWebtutorialsoncom-
puter topics, such as the Linux operating system and the Python programming language. He and Dr. Peter
SalzmanareauthorsofTheArtofDebuggingwithGDB,DDD,andEclipse. Prof. Matloff’sbookontheR
programminglanguage,TheArtofRProgramming,isduetobepublishedin2011. Heisalsotheauthorof
several open-source textbooks, including From Algorithms to Z-Scores: Probabilistic and Statistical Mod-
elinginComputerScience(http://heather.cs.ucdavis.edu/probstatbook), andProgram-
mingonParallelMachines(http://heather.cs.ucdavis.edu/˜matloff/ParProcBook.pdf).
Contents
1 Introduction 1
1.1 A5-MinuteIntroductoryExample . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1.1 ExampleProgramCode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1.2 PythonLists . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.1.3 Loops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.1.4 PythonBlockDefinition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.1.5 PythonAlsoOffersanInteractiveMode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.1.6 PythonAsaCalculator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.2 A10-MinuteIntroductoryExample . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.2.1 ExampleProgramCode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.2.2 Command-LineArguments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.2.3 IntroductiontoFileManipulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.2.4 LackofDeclaration. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.2.5 LocalsVs. Globals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.2.6 ACoupleofBuilt-InFunctions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.3 TypesofVariables/Values . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.4 StringVersusNumericalValues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.5 Sequences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.5.1 Lists(Quasi-Arrays) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
i
ii CONTENTS
1.5.2 Tuples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.5.3 Strings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.5.3.1 StringsAsTurbochargedTuples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.5.3.2 FormattedStringManipulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.5.4 SortingSequences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.6 Dictionaries(Hashes) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.7 FunctionDefinition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.8 Useof name . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.9 ExtendedExample: ComputingFinalGrades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.10 Object-OrientedProgramming . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
1.10.1 ExampleProgramCode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.10.2 TheObjects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.10.3 ConstructorsandDestructors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
1.10.4 InstanceVariables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
1.10.5 ClassVariables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
1.10.6 InstanceMethods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.10.7 ClassMethods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.10.8 DerivedClasses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
1.10.9 AWordonClassImplementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
1.11 ImportanceofUnderstandingObjectReferences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
1.12 ObjectDeletion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
1.13 ObjectComparison . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
1.14 Modules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
1.14.1 ExampleProgramCode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
1.14.2 HowimportWorks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
1.14.3 Usingreload()toRenewanImport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
1.14.4 CompiledCode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
CONTENTS iii
1.14.5 Miscellaneous . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
1.14.6 ANoteonGlobalVariablesWithinModules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
1.14.7 DataHiding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
1.15 Packages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
1.16 ExceptionHandling(NotJustforExceptions!). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
1.17 Docstrings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
1.18 NamedArgumentsinFunctions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
1.19 TerminalI/OIssues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
1.19.1 KeyboardInput . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
1.19.2 PrintingWithoutaNewlineorBlanks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
1.20 ExtendedExample: CreatingLinkedDataStructuresinPython . . . . . . . . . . . . . . . . 40
1.21 MakingUseofPythonIdioms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
1.22 FunctionalProgrammingFeatures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
1.22.1 LambdaFunctions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
1.22.2 Mapping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
1.22.3 Filtering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
1.22.4 Reduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
1.22.5 ListComprehension . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
1.22.6 Example: TextfileClassRevisited . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
1.23 Decorators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
1.24 OnlineDocumentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
1.24.1 Thedir()Function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
1.24.2 Thehelp()Function. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
1.24.3 PyDoc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
1.25 PuttingAllGlobalsintoaClass. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
1.26 LookingatthePythonVirtualMachine. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
1.27 RunningPythonScriptsWithoutExplicitlyInvokingtheInterpreter . . . . . . . . . . . . . 52
iv CONTENTS
2 FileandDirectoryAccessinPython 53
2.1 Files . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
2.1.1 SomeBasicFileOperations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
2.2 Directories. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
2.2.1 SomeBasicDirectoryOperations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
2.2.2 ThePowerfulwalk()Function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
2.3 Cross-PlatformIssues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
2.3.1 TheSmallStuff . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
2.3.2 HowIsItDone? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
2.3.3 PythonandSo-Called“Binary”Files . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3 PythonCursesProgramming 61
3.1 Function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.2 History . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.3 RelevanceToday . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
3.4 ExamplesofPythonCursesPrograms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.4.1 UselessExample . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.4.2 UsefulExample . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
3.4.3 AFewOtherShortExamples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
3.5 WhatElseCanCursesDo? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
3.5.1 CursesbyItself . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
3.6 LibrariesBuiltonTopofCurses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.7 IfYourTerminalWindowGetsMessedUp. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.8 Debugging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
4 PythonIteratorsandGenerators 69
4.1 Iterators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
CONTENTS v
4.1.1 WhatAreIterators? WhyUseThem? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
4.1.2 Example: FibonacciNumbers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
4.1.3 Theiter()Function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
4.1.4 ApplicationstoSituationswithanIndefiniteNumberofIterations . . . . . . . . . . 73
4.1.4.1 Client/ServerExample . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
4.1.4.2 “Circular”ArrayExample . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4.1.5 Overwritingthenext()Function: FileSubclassExample . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.1.6 IteratorFunctions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
4.1.6.1 GeneralFunctions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
4.1.6.2 TheitertoolsModule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
4.2 Generators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
4.2.1 GeneralStructures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
4.2.2 Example: FibonacciNumbers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
4.2.3 Example: WordFetcher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
4.2.4 MutipleIteratorsfromtheSameGenerator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
4.2.5 Theos.path.walk()Function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
4.2.6 Don’tPutyieldinaSubfunction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
4.2.7 Coroutines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
4.2.7.1 MythrdClass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
4.2.7.2 TheSimPyDiscreteEventSimulationLibrary . . . . . . . . . . . . . . . 92
5 ParallelPythonThreadsandMultiprocessingModules 97
5.1 ThePythonThreadsandMultiprocessingModules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
5.1.1 PythonThreadsModules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
5.1.1.1 ThethreadModule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
5.1.1.2 ThethreadingModule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
5.1.2 ConditionVariables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
vi CONTENTS
5.1.2.1 GeneralIdeas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
5.1.2.2 OtherthreadingClasses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
5.1.3 ThreadsInternals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
5.1.3.1 Kernel-LevelThreadManagers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
5.1.3.2 User-LevelThreadManagers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
5.1.3.3 Comparison . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
5.1.3.4 ThePythonThreadManager . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
5.1.3.5 TheGIL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
5.1.3.6 ImplicationsforRandomnessandNeedforLocks . . . . . . . . . . . . . 114
5.1.4 ThemultiprocessingModule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
5.1.5 TheQueueModuleforThreadsandMultiprocessing. . . . . . . . . . . . . . . . . 118
5.1.6 DebuggingThreadedandMultiprocessingPythonPrograms . . . . . . . . . . . . . 121
5.2 UsingPythonwithMPI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
5.2.1 UsingPDBtoDebugThreadedPrograms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
5.2.2 RPDB2andWinpdb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
6 NetworkProgrammingwithPython 125
6.1 OverviewofNetworks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
6.1.1 NetworksandMACAddresses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
6.1.2 TheInternetandIPAddresses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
6.1.3 Ports . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
6.1.4 ConnectionlessandConnection-OrientedCommunication . . . . . . . . . . . . . . 127
6.1.5 ClientsandServers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
6.2 OurExampleClient/ServerPair . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
6.2.1 AnalysisoftheServerProgram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
6.2.2 AnalysisoftheClientProgram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
6.3 RoleoftheOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
CONTENTS vii
6.3.1 BasicOperation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
6.3.2 HowtheOSDistinguishesBetweenMultipleConnections . . . . . . . . . . . . . . 134
6.4 Thesendall()Function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
6.5 SendingLinesofText . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
6.5.1 Remember,It’sJustOneBigByteStream,Not“Lines” . . . . . . . . . . . . . . . . 135
6.5.2 TheWonderfulmakefile()Function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
6.5.3 GettingtheTailEndoftheData . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
6.6 DealingwithAsynchronousInputs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
6.6.1 NonblockingSockets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
6.6.2 AdvancedMethodsofPolling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
6.7 Troubleshooting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
6.8 OtherLibraries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
6.9 WebOperations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
7 PythonDebugging 145
7.1 TheEssenceofDebugging: ThePrincipleofConfirmation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
7.2 PlanforThisChapter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
7.3 Python’sBuilt-InDebugger,PDB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
7.3.1 TheBasics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
7.3.2 UsingPDBMacros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
7.3.3 Using dict . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
7.3.4 Thetype()Function. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
7.3.5 UsingPDBwithEmacs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
7.3.6 DebuggingwithXpdb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
7.4 DebuggingwithWinpdb(GUI) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
7.5 DebuggingwithEclipse(GUI) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
7.6 DebuggingwithPUDB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
viii CONTENTS
7.7 SomePythonInternalDebuggingAids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
7.7.1 Thestr()Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
7.7.2 Thelocals()Function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
7.7.3 The dict Attribute. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
7.7.4 Theid()Function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155