ما در  این کتاب تلاش کرده ایم برای آموزش زبان برنامه‌نویسی پایتون (Python) بر پایه‌ پیاده‌سازی استاندارد آن (CPython)، به شکلی کامل و ساده که بتواند هر دو شاخه از پایتون (نسخه‌های ۳x و ۲x) را البته با محوریت نسخه ۳x پوشش دهد و همچنین برای افرادی که تاکنون سابقه‌ برنامه‌نویسی نداشته‌اند نیز کاربردی و مفید باشد. یادگیری پایتون نیازی به پیش‌زمینه برنامه‌نویسی ندارد و تنها پیش‌نیاز آن علاقه خوانندگان به فن برنامه‌نویسی است.

 ما بر اساس نرم افزار پایچرام شروع به آموزش میکنیم.

این درس با بیان تاریخچه ایجاد پایتون شروع و با توصیفی کوتاه و شرح ویژگی‌های آن ادامه می‌یابد؛ در شرح ویژگی‌ها سعی شده است کمی نیز توضیحات غیرپایتونی برای درک بهتر موضوعات ارایه گردد. همچنین در مورد کارایی پایتون و این موضوع که چرا در حال حاضر دو شاخه متفاوت از این زبان وجود دارد نیز صحبت شده است. هدف این درس ایجاد یک پیش‌زمینه‌ بدون ابهام از پایتون است! به این امید که مفید باشد و بتواند شما را به یادگیری این زبان تشویق کنیم

داستان [۱] پایتون از اواخر سال ۱۹۸۲ میلادی آغاز می‌شود، سالی که آقای روسوم پس از پایان دانشگاه به عنوان یک برنامه‌نویس وارد تیم توسعه‌ زبان ABC در مرکز CWI واقع در آمستردام هلند می‌شود. ABC یک زبان برنامه‌نویسی تفسیر‌شده (Interpreted) با اهداف آموزشی است که از اواخر دهه هفتاد میلادی، تحت پروژه‌ای در این مرکز آغاز شده بود. وی چهار یا پنج سال بعد، زمانی که از پروژه‌ زبان ABC نتیجه‌ مطلوب حاصل نمی‌گردد از آن خارج و به تیم توسعه‌ سیستم عامل آمیب می‌پیوندد. این موضوع از آن جهت دارای اهمیت است که در هنگام کار بر روی این سیستم عامل بود که آقای روسوم به فکر ایجاد یک زبان اسکریپتی (Scripting Language) جدید می‌افتد.

 

 

در دسامبر سال ۱۹۸۹ میلادی، تعطیلات کریسمس فرصتی می‌شود تا آقای روسوم به ایده سرگرم کننده‌ [۲] خود بپردازد. البته پس از آن نیز زمان زیادی از وقت‌های آزاد خود را برای پیشرفت پروژه‌ای که ”Python“ نامیده بود صرف می‌کند. در این مسیر، تجربه‌ کار بر روی زبان ABC و همینطور مطالعات وی بر روی زبان‌ Modula-3 نقش فراوانی داشته است، در‌ واقع او یک نسخه‌ شخصی از بخش‌های مورد علاقه‌ خود از ABC ایجاد نمود. او یک ماشین مجازی ساده، یک تجزیه‌کننده (پارسرParser) ساده و یک سیستم زمان‌اجرا (Runtime System) ساده ایجاد کرد؛ یک زبان با نحو (سینتکس Syntax) اولیه که از تو‌رفتگی (Indentation) برای بلاک‌بندی بهره می‌برد و از انواع داده [۳] دیکشنری، لیست، رشته و اعداد پشتیبانی می‌کرد و بر خلاف ABC توسعه‌پذیر می‌بود.

یک سال بعد آقای روسوم از پایتون در پروژه‌ آمیب استفاده می‌کند؛ نتیجه‌ مطلوب و نیز بازخورد آن در بین همکارانش موجب می‌شود تا وی به بسیاری از بهینه سازی‌های اولیه در پایتون اقدام نماید. این روند ادامه می‌یابد تا اینکه سرانجام در ماه دوم از سال ۱۹۹۱ میلادی این زبان را با نسخه ۰.۹.۰ و تحت پروانه‌ای مشابه با پروانه‌ MIT از طریق یکی از «گروه‌های خبری» (یوزنت Usenet) با عنوان alt.sources منتشر می‌سازد که با استقبال بالایی نیز رو به رو می‌گردد.

منشا انتخاب نام پایتون توسط آقای روسوم برخلاف تصور عمومی یا آنچه که از لوگوی آن مشاهده می‌شود به نوع خاصی از مار مربوط نمی‌شود!؛ در حقیقت این نام برگرفته از یک سریال کمدی تولید انگلستان با عنوان ”Monty Python’s Flying Circus“ می‌باشد که پخش اصلی آن در طی سال‌های ۱۹۶۹ تا ۱۹۷۴ میلادی از شبکه‌ BBC One بوده است.

سادگی و خوانایی از ویژگی‌های بارز زبان برنامه‌نویسی پایتون است، آنچنان ساده که حتی کودکان نیز قادر به آموختن آن هستند و قدرت در کنار این سادگی و خوانایی، معجزه‌ پایتون می‌باشد. از نگاه هر برنامه‌نویسی، برنامه‌های پایتون مجموعه‌ای از کد‌های زیبا هستند، بدون هیچ آشفتگی و پیچیدگی. این زبان به جای این که برنامه‌نویس را درگیر فهم ساختارش کند، به ابزاری قدرتمند برای تحقق تمام آنچه که در فکر برنامه‌نویس است تبدیل می‌شود، اگر در اجرای نخست کدهای پایتون خود هیچ خطایی نگرفتید؛ تعجب نکنید! و اگر هم گرفتید، خوشحال باشید!. این زبان به شدت دوست داشتنی است

زبان برنامه‌نویسی پایتون همانطور که اشاره شد در سال ۱۹۹۱ میلادی توسط آقای روسوم خلق شده و توسعه‌ آن نیز زیر نظر مستقیم اوست. آقای روسوم زاده‌ سال ۱۹۵۶ میلادی و نخستین دارنده‌ عنوان BDFL (دیکتاتور خیرخواه جاویدان)‌ می‌باشد و هم اکنون (سال ۲۰۱۵) در شرکت Dropbox مشغول به کار است.

توسعه‌ پایتون با عصر توسعه و محبوبیت زبان‌های متن باز دیگری همچون Tcl ،Perl و Ruby هم‌ زمان بوده که این امر به پیشرفت و توسعه‌ آن کمک زیادی کرده است.

پایتون یک جامعه‌ کاربری بسیار بزرگ و پویا به همراه خود دارد که عامل پیشرفت و توسعه‌ بسیار مهمی برای هر زبان برنامه‌نویسی به شمار می‌رود. این جامعه هر ساله با برپایی همایش‌های گوناگون در سراسر جهان به تبادل آموخته‌ها می‌پردازد. یکی از رایج‌ترین این همایش‌ها PyCon (پای‌کان) می‌باشد که خوشبختانه ‌در ایران (PyCon Iran یا PyIran) نیز برگزار می‌شود.

این زبان تاکنون توسط شرکت یا سازمان‌های مطرح زیادی مورد استفاده قرار گرفته و در برنامه‌های کاربردی زیادی نیز از آن استفاده شده است که از جمله این موارد می‌توان به: reddit ،Pinterest ،Instagram (شبکه‌های اجتماعی) / Google (موتور جستجوگر و نیز سرویس یوتیوب) / Yahoo (سرویس نقشه) / IBM ،Intel ،Cisco ،Seagate (تست سخت‌افزار) / Dropbox (سرویس میزبانی ابری فایل) / EVE Online (بازی‌های آنلاین) / NASA ،Los Alamos (امور علمی) / iRobot (رباتیک) / Pixar ،Industrial Light and Magic ،Walt Disney (ساخت فیلم‌های انیمیشن) / BitTorrent (اشتراک فایل نظیر به نظیر) / CIA (وب‌سایت) / PayPal (سیستم انتقال پول آنلاین) / Mercurial (سیستم کنترل نسخه) / ESRI (نقشه‌برداری در برنامه GIS) و بسیاری دیگر [۴] اشاره نمود. (پایتون در stackshare)

یک نکته مهم در مورد زبان برنامه‌نویسی پایتون، انواع پیاده‌سازی‌ (Implementation)‌ آن است. تا‌کنون از این زبان پیاده‌سازی‌های گوناگون و با اهداف متفاوتی توسعه یافته است که از این بین می‌توان به Jython (خاص ماشین مجازی جاوا)،IronPython (خاص چارچوب NET. مایکروسافت)، PyPy (با هدف سرعت اجرای بیشتر)، Stackless (با هدف اجرای بهتر برنامه‌های چند‌نخی) و البته CPython اشاره نمود. [۵]

CPython (سی‌پایتون) پیاده‌سازی استاندارد و اصلی زبان پایتون می‌باشد که با استفاده از زبان برنامه‌نویسی C توسعه می‌یابد. توسط CPython می‌توانید علاوه بر کتابخانه‌ پایتون از کتابخانه‌‌ زبان‌های C و ++C نیز بهره ببرید.

توجه داشته باشید، پایتون (Python) نام یک زبان برنامه‌نویسی است و CPython (یا دیگر پیاده‌سازی‌‌های زبان پایتون) در واقع برنامه‌ایست که توسط آن می‌توان کد منبع (سورس کد Source Code) یک برنامه به زبان پایتون را اجرا نمود. به بیانی دیگر CPython یک پردازنده‌ برای زبان پایتون است.

 

پایتون یک زبان برنامه‌نویسی رایگان، متن باز (Open Source) و با بیانی کامل‌تر، آزاد است که هم‌‌اکنون (یعنی از نسخه‌ ۲.۱ و جدیدتر) پروانه‌ آن توسط «بنیاد نرم‌افزار پایتون» PSF اداره می‌گردد. پروانه‌ پایتون سازگار با پروانه‌ GPL3 است، با این حال به برنامه‌نویس این اجازه را می‌دهد که بتواند برنامه‌ای با سورس بسته (Closed Source) تولید نماید.

زبان پایتون از اجزای بسته نرم‌افزاری LAMP نیز به شمار می‌رود. این بسته عبارت است از: Linux ~ سیستم عامل / Apache ~ وب سرور / MySQL یا MariaDB ~ پایگاه‌ داده / Python یا Perl یا PHP ~ زبان برنامه‌نویسی.

این زبان خیلی پیش‌تر از آنکه حتی Eric Raymond و Bruce Perens از Open Source صحبت کنند، متن باز بوده است.

پایتون یک زبان برنامه‌نویسی همه منظوره (General-Purpose) است به این معنی که می‌توان از آن در توسعه طیف گسترده‌ای از انواع برنامه‌ها در حوزه‌های نرم‌افزاری گوناگون بهره برد؛ از جمله در توسعه برنامه‌های تحت وب و برنامه‌هایی با قابلیت «واسط گرافیکی کاربر» (GUI).

پایتون یک زبان برنامه‌نویسی به همراه مجموعه‌ بزرگی از قابلیت‌های از پیش آماده و قابل حمل است که به عنوان کتابخانه‌ استاندارد آن شناخته می‌شود. همچنین در کنار این کتابخانه‌ می‌توان از طیف بسیار وسیعی از کتابخانه‌های شخص ثالث (Third-Party) پایتون  نیز بهره برد. کتابخانه‌های شخص ثالث ابزارهای مفیدی را در امور فروانی همچون: برنامه‌نویسی علمی ~ NumPy ،SciPy / پردازش زبان‌های طبیعی ~ NLTK / ارتباط درگاه سریال ~ PySerial / ایجاد بازی ~ PyGame ،Pyglet ،PyOpenGL ،PySoy / هوش مصنوعی ~ PyBrain / ایجاد وب سایت ~ Django ،Flask ،Bottle ،CherryPy / پردازش تصویر ~ PIL/Pillow ،PythonMagick / واسط گرافیکی کاربر ~ PyGtk ،PyQt ،WxPython / کار با اسناد rdflib ~ pdf / رمزنگاری ~ PyCrypto ،pyOpenSSL ،cryptography و بسیاری دیگر… که مدام در حال توسعه هستند و بر تعداد و تنوع آن‌ها نیز افزوده می‌شود را در اختیار برنامه‌نویسان پایتون قرار می‌دهند.

پایتون یک زبان برنامه‌نویسی پویا (Dynamic) بوده و نیز از قابلیت مدیریت خودکار حافظه برخوردار است. این زبان شباهت‌هایی با TCL ،Perl ،Ruby ،PHP یا دیگر زبان‌های برنامه‌نویسی پویا دارد. در این نوع زبان‌ها بر‌خلاف زبان‌های ایستا (Static) مانند C++ ،C و Java نیازی به تعریف صریح نوع متغیرها (Variables) نیست و همچنین نوع متغیر در طول برنامه قابل تغییر است. در زبان‌های پویا متغیرها از خود نوعی ندارند و تصمیم گیری برای تخصیص نوع در «زمان اجرا» (RunTime) انجام می‌پذیرد.

بر خلاف زبان C، در پایتون اختصاص و آزاد‌سازی حافظه (Memory) به صورت خودکار انجام می‌شود. پایتون برای آزاد‌سازی حافظه از دو روش «شمارش ارجاع» (Reference Counting) و «زباله روبی» (Garbage Collection) بهره می‌گیرد. (البته فراموش نشود که صحبت در مورد پیاده‌سازی CPython است)

با اینکه پایتون یک زبان پویاست ولی در عین حال یک زبان «وابسته شدید به نوع» (Strongly Typed) نیز می‌باشد. در این نوع زبان‌ها (به مانند Java) تغییر ناگهانی و خودکار نوع داده (یا شی) انجام نمی‌شود؛ به عنوان نمونه چنانچه در پایتون عمل جمع بین یک نوع داده عددی مانند ۳ و یک نوع داده غیر عددی مانند "۷" صورت گیرد، یک Exception یا استثنای TypeErrorگزارش می‌گردد. در مقابل، زبان‌های «وابسته ضعیف به نوع» (Weak Typed) قرار دارند؛ در این زبان‌ها (به مانند Perl) نوع بر حسب موقعیت به صورت خودکار تغییر داده می‌شوند. در این مورد زبان‌های برنامه‌نویسی رفتارهای متفاوتی دارند،‌ به عنوان نمونه حاصل عبارت "۷" + ۳ در زبان Perl با تبدیل (Convert)‌ خودکار نوع داده غیر عددی "۷" به عدد (۷)، مقدار ۱۰محاسبه می‌گردد.

نکته

استثنا‌ در واقع وضعیت یا خطایی (Error) است که در برنامه پیش‌بینی شده و بروز آن‌ به مانند یک اعتراض گزارش می‌شود. از طرفی در برنامه برای هر اعتراض، چگونگی رسیدگی به آن نیز تعریف می‌شود.

پایتون یک زبان برنامه‌نویسی سطح بالا (High-Level) به مانند C ،Ruby ،PHP و Java است که به وسیله‌ آن عمل برنامه‌نویسی به آسانی و با سرعتی بالا انجام می‌پذیرد و بر‌خلاف زبان برنامه‌نویسی سطح پایینی (Low-Level) مانند Assembly، برنامه‌نویس را درگیر مسایل خاص موجود در این سطح به مانند کار با ثبات‌ها (Registers)، آدرس‌های حافظه و غیره… نمی‌سازد.

نکته

بر اساس یک دسته‌بندی رایج، زبان‌های برنامه‌نویسی را می‌توان به نسبت درگیر ساختن برنامه‌نویس با مفاهیم سخت‌افزاری یا میزان سطح انتزاع (Abstraction) برنامه‌نویس از سخت‌افزار، در دو سطح دسته‌بندی نمود: ۱. پایین ~ زبان ماشین و Assembly (اسمبلی) ۲. بالا ~ Java ،C++ ،C و غیره…

توجه

میزان انتزاع تمام زبان‌های برنامه‌نویسی سطح بالا به یک نسبت نمی‌باشد؛ به عنوان نمونه میزان انتزاع زبان پایتون بیشتر از Java و سطح انتزاع Java نیز بسیار بیشتر از زبان C است:

Machine < Assembly < C < C++ < Java < Python

نکته

تنها زبان قابل فهم و اجرا برای هر ماشینی (یا رایانه‌ای)، زبان ماشین (Machine Language) خاص آن است و تمامی برنامه‌های نوشته شده در هر سطحی از انتزاع که باشند، پیش از اجرا می‌بایست به این زبان ترجمه شوند. بدیهی است که نیاز این پردازش اضافی به نسبت از سرعت اجرای برنامه می‌کاهد. عمل ترجمه برای کدهای اسمبلی توسط اسمبلر (Assembler) و برای باقی زبان‌ها توسط کامپایلر (Compiler) یا مفسر (Interpreter) انجام می‌پذیرد.

پایتون یک زبان برنامه‌نویسی چند‌ الگویی (Multi-Paradigm) است و برنامه‌نویس را مجبور به رعایت الگوی خاصی نمی‌کند. این زبان از الگوهای: دستوری (Imperative) یا رویه‌ای (Procedural)، تابعی (Functional) و شی‌گرایی (Object-Oriented) پشتیبانی می‌کند؛ البته همانظور که گفته شد نمی‌توان پایتون را به صورت خالص (Pure) متعلق به هر یک از این الگوها دانست.

جدا از پشتیبانی الگوی برنامه‌نویسی شی‌گرا، ساختار پایتون به صورت کامل شی‌گراست و هر چیزی در این زبان یک شی (Object) است؛ در آینده بیشتر در این مورد صحبت خواهیم کرد.

پایتون (پیاده‌سازی CPython) به عنوان یک زبان تفسیر‌شده (Interpreted) شناخته می‌شود. با یک تعریف کلی در این نوع زبان‌ها کار خواندن سورس کد برنامه، ترجمه به زبان ماشین و در نهایت اجرای آن توسط یک مفسر انجام می‌گیرد. در پایتون عمل ترجمه و اجرای سورس کد را می‌توان در دو مرحله متوالی خلاصه نمود:

۱- کامپایل سورس کد به بایت‌کد (ByteCode)

۲- تفسیر بایت‌کد به زبان ماشین و اجرای آن

به این صورت که ابتدا سورس کد برنامه‌ به یک زبان میانی نزدیک به زبان ماشین با نام بایت‌کد ترجمه می‌شود و سپس بایت‌کد حاصل به ماشین مجازی (Virtual Machine) – به عنوان موتور زمان‌اجرای پایتون – فرستاده و توسط آن تفسیر و اجرا می‌گردد.