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Programmbibliotheken in Python: wichtige Hilfsmittel für die Programmgestaltung

Programmbibliotheken in Python: wichtige Hilfsmittel für die Programmgestaltung

Wenn Sie eine Programmiersprache erlernen, befassen Sie sich zunächst mit den Funktionalitäten, die im Grundwortschatz enthalten sind. Dabei handelt es sich beispielsweise um einfache Operatoren, mit denen Sie Grundrechenoperationen und Vergleiche durchführen können oder um grundlegende Befehle für die Textausgabe. Wenn Sie Ihre Kenntnisse erweitern, kommen Sie jedoch recht schnell an einen Punkt, an dem Sie weitere Funktionalitäten in Ihre Programme einbinden möchten. Diese alle selbst zu implementieren, wäre jedoch mit einem enormen Aufwand verbunden und würde ausgezeichnete Programmierkenntnisse erfordern. Allerdings gibt es zahlreiche Möglichkeiten, um die Funktionalitäten Ihrer Programme auf einfache Weise zu erweitern: durch die Einbindung von Bibliotheken.

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Wenn Sie sich mit der Programmiersprache Python befassen, profitieren Sie von besonders vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten. Bereits die Standardbibliothek enthält mehr als 200 Module, die sehr umfangreiche Funktionen für Ihre Programme anbieten. Hinzu kommen unzählige Bibliotheken von Drittanbietern, die Sie in vielen Fällen kostenfrei nutzen und in Ihre Programme einbinden können. Dieser Artikel stellt die wichtigsten Möglichkeiten in diesem Bereich vor.

Was ist eine Programmbibliothek?

Bevor wir die wichtigsten Programmbibliotheken in Python vorstellen, ist es wichtig, kurz zu erklären, was sich hinter diesem Begriff überhaupt verbirgt. Eine Programmbibliothek – häufig auch kurz als Bibliothek oder auf Englisch als library bezeichnet – ist eine Zusammenstellung verschiedener Unterprogramme oder Routinen. In der Regel sind diese in einem Modul enthalten, das sich in das Programm einbinden lässt.

Auf diese Weise kann das eigentliche Programm auf die Funktionen, die in der Bibliothek enthalten sind, zugreifen und dadurch seine Funktionalitäten erweitern. Die Bibliotheken können in unterschiedlicher Form vorliegen. Häufig handelt es sich hierbei um Quellcode in der gleichen Programmiersprache, in der auch das eigentliche Programm erstellt wird. Es ist jedoch auch möglich, dass sie bereits in kompilierter Form – also in Maschinensprache – verfügbar sind. Darüber hinaus gibt es noch einige weitere Möglichkeiten – wie etwa Makros oder Objekt- beziehungsweise Bytecode.

Wichtig ist es, darauf zu achten, dass es sich bei einer Bibliothek nicht um ein ausführbares Programm handelt. Sie bietet nur Funktionen, Klassen oder Methoden an, auf die das eigentliche Programm zugreifen kann.

Standardbibliothek oder externe Bibliothek: die Unterschiede

Wie bereits in der Einleitung angesprochen, gibt es zwei verschiedene Arten von Bibliotheken. Zum einen können Sie die Module nutzen, die zur Standardbibliothek von Python gehören. Zum anderen gibt es noch viele weitere Bibliotheken von Drittanbietern. Daher ist es wichtig, auf diesen Unterschied zu achten.

Die Standardbibliothek von Python ist in der offiziellen Python-Referenz festgehalten. Hierbei handelt es sich um die verbindlichen Vorgaben dieser Programmiersprache. Jeder Python-Interpreter muss daher die Module der Standardbibliothek genau umsetzen – zumindest wenn es sich um einen standardkonformen Interpreter handelt. Python zeichnet sich im Vergleich zu den meisten anderen Programmiersprachen durch eine ausgesprochen umfangreiche Standardbibliothek aus. Das bedeutet, dass hier sehr viele nützliche Module für unterschiedliche Anwendungen zur Verfügung stehen.

Module aus der Standardbibliothek zu nutzen, bietet viele Vorteile. Beispielsweise ist für deren Verwendung lediglich ein import-Befehl notwendig. Der Interpreter muss die entsprechenden Funktionen dann selbstständig einfügen. Darüber hinaus können Sie die Funktionsweise dieser Bibliotheken in der offiziellen Python-Referenz nachlesen. Die anschauliche und präzise Dokumentation erleichtert die Anwendung. Des Weiteren sind die Funktionen der Standardbibliothek plattformunabhängig. Das bedeutet, dass Programme, die ausschließlich auf die Standardbibliothek zugreifen, auf jedem beliebigen Betriebssystem lauffähig sind, das Python unterstützt.

Darüber hinaus gibt es jedoch noch viele weitere Bibliotheken. Diese stellen manchmal eine Alternative zur Standardbibliothek dar. Meistens bieten sie jedoch weitere Funktionalitäten an, die im Python-Standard in dieser Form bislang nicht umgesetzt sind. Das erweitert die Anwendungsmöglichkeiten nochmals deutlich. In vielen Fällen bieten auch Drittanbieter die Python-Bibliotheken kostenfrei an. Doch gibt es auch einige Ausführungen, für deren Nutzung Lizenzgebühren anfallen. Wenn Sie eine Bibliothek eines Drittanbieters nutzen, fällt die Auswahl besonders schwer. Das liegt zum einen an der riesigen Menge an verschiedenen Angeboten. Zum anderen ist die Qualität dieser Software-Produkte nicht immer zufriedenstellend. Manche Bibliotheken sind fehlerbehaftet, schlecht dokumentiert oder nur schwer anzuwenden. Dennoch können in einigen Fällen auch Bibliotheken von Drittanbietern wertvolle Funktionen zu unseren Programmen hinzufügen. Später stellen wir hierfür einige Beispiele vor.

Die zehn wichtigsten Module der Standardbibliothek

Im ersten Schritt befassen wir uns mit den Modulen der Standardbibliothek. Dabei wollen wir die zehn wichtigsten Bibliotheken kurz vorstellen. Diese Hilfsmittel sind wie bereits beschrieben einfach anzuwenden, fehlerfrei und gut dokumentiert. Darüber hinaus stehen sehr viele Möglichkeiten zur Auswahl. Das führt jedoch dazu, dass es sehr schwer ist, die wichtigsten zehn Module auszuwählen. Das hängt ganz von den Aufgaben ab, die Sie mit dem Programm erledigen wollen. Ein Programm für die Übermittlung von Daten über ein Netzwerk benötigt sicherlich ganz andere Funktionen als ein Programm für die Berechnung wissenschaftlicher mathematischer Probleme. Dennoch haben wir hier den Versuch unternommen, die zehn wichtigsten Programmbibliotheken aufzulisten. Die Dokumentation für all diese Angebote ist unter dem folgenden Link verfügbar: https://docs.python.org/3/library/index.html.

math

Von großer Bedeutung ist sicherlich die Bibliothek math. Diese stellt vielfältige mathematische Funktionen zur Verfügung. Das beginnt bei der Wurzelberechnung und bei der Betragsfunktion. Doch können Sie damit auch Sinus- und Cosinus-Funktionen oder Logarithmen berechnen. Das Angebot an mathematischen Funktionen ist hierbei sehr umfangreich, sodass Sie hier für fast jede Problemstellung eine passende Lösung finden.

random

Viele Programme benötigen Zufallszahlen. Insbesondere bei Unterhaltungsprogrammen wie Spielen ist dies sehr wichtig, um stets für einen individuellen Ablauf zu sorgen. Wenn Sie eine Zufallszahl benötigen, können Sie diese über die Bibliothek random abrufen. Diese enthält vielfältige Funktionen, um die Zufallszahlen genau nach dem gewünschten Muster zu erstellen. Zum Schluss noch eine kleine Anmerkung: Bei den Zahlen, die die Funktionen dieser Bibliothek erzeugen, handelt es sich genau genommen nicht um Zufallszahlen, sondern um Pseudo-Zufallszahlen.

datetime

In vielen Programmen ist es notwendig, mit Datums- und Zeitangaben zu arbeiten. Selbstverständlich wäre es hierbei möglich, die entsprechenden Funktionen selbst zu implementieren. Aufgrund der unregelmäßigen Strukturen in diesem Bereich wäre dies jedoch mit einem enormen Aufwand verbunden. Darüber hinaus ist es oftmals notwendig, die aktuelle Systemzeit abzurufen, was mit einfachen Python-Befehlen nicht möglich ist. Daher ist es empfehlenswert, hierfür die Bibliothek datetime zu verwenden. Diese erleichtert den Umgang mit Datums- und Zeitangaben erheblich.

statistics

Zahlreiche Computerprogramme kommen zur Erstellung oder zur Auswertung von Statistiken zum Einsatz. Die mathematischen Funktionen, die hierfür notwendig sind, bietet Ihnen die Bibliothek statistics an. Auf diese Weise wird der Umgang mit den erhobenen Daten deutlich einfacher.

string

Bereits im Grundwortschatz von Python sind die wichtigsten Befehle für die Arbeit mit Zeichenketten enthalten. Häufig ist es jedoch notwendig, Texte auf eine etwas kompliziertere Weise zu manipulieren. Hierfür bietet die Bibliothek string viele praktische Funktionen an. Damit können Sie beispielsweise einen Text in Groß- oder in Kleinbuchstaben umwandeln oder auf eine bestimmte Weise formatieren. Die Verwendung des Moduls string ist in den letzten Jahren allerdings stark zurückgegangen. Viele der darin enthaltenen Funktionen lassen sich mittlerweile direkt als Methode auf die Zeichenketten anwenden, sodass es häufig nicht mehr notwendig ist, dieses Modul zu importieren.

tkinter

Als Programmieranfänger haben Sie sicherlich damit begonnen, Konsolenprogramme zu schreiben. Dabei erfolgt die Steuerung ausschließlich in Textform, was den Anwendungskomfort deutlich reduziert. Daher nutzen die meisten modernen Programme eine grafische Benutzeroberfläche. Um diese zu erstellen, benötigen Sie jedoch ein Modul, das Ihnen die entsprechenden Funktionen bereitstellt. Dafür gibt es zahlreiche unterschiedliche Möglichkeiten. In der Python-Standardbibliothek ist hierfür das Modul tkinter enthalten. Damit erstellen Sie auf einfache Weise ansprechende Benutzeroberflächen.

sqlite3

Um die Werte, die Sie mit Ihrem Programm ermitteln, dauerhaft abspeichern zu können, ist es häufig sinnvoll, eine Datenbank zu verwenden. Dazu benötigen Sie jedoch ein passendes Datenbanksystem. Die Python-Standardbibliothek enthält dieses jedoch bereits. Indem Sie das Modul sqlite3 in Ihr Programm einbinden, stehen Ihnen vielfältige Datenbankfunktionen zur Verfügung.

copy

Wenn Sie in Python ein Objekt erzeugen und dieses dann im weiteren Programmverlauf einer anderen Variable zuweisen, entsteht dabei keine Kopie. Die Variable nimmt lediglich den Speicherort des ursprünglichen Objekts auf. Wenn Sie dessen Werte dann verändern, wirkt sich diese Änderung auch auf das Objekt aus, das unter der ursprünglichen Variable abgespeichert ist. Häufig ist es jedoch notwendig, eine vollkommen unabhängige Kopie von einem Objekt zu erstellen. Hierfür bietet es sich an, die Funktionen der Bibliothek copy zu verwenden.

array

In vielen Programmiersprachen stellt das Array die wichtigste Struktur dar, um zusammengehörige Daten gemeinsam abzuspeichern. Python verwenden für diese Aufgabe hingegen Listen – zumindest wenn Sie sich auf den Grundwortschatz beschränken. Diese haben jedoch eine etwas andere Verhaltensweise als Arrays. Wenn Sie klassische Arrays in Ihren Programmen verwenden möchten, erreichen Sie dies durch die Einbindung der Bibliothek array.

xml

Um Daten zu speichern oder zu versenden, ist es häufig sinnvoll, diese nach dem XML-Format aufzubereiten. Dieses sorgt für einheitliche Strukturen, die die maschinelle Verarbeitung erleichtern. Selbstverständlich können Sie die entsprechenden Funktionen selbst implementieren, um XML-Dokumente zu erstellen oder auszuwerten. Deutlich einfacher ist es hingegen, wenn Sie auf eine vorgefertigte Bibliothek zugreifen können. Das Modul xml bietet hierfür vielfältige Möglichkeiten.

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Externe Module für weitere Anwendungen

Nachdem wir die wichtigsten Module der Standardbibliothek vorgestellt haben, wollen wir uns abschließend auch noch den Bibliotheken von Drittanbietern zuwenden. Wenn es bereits bei den Modulen der Standardbibliothek nicht einfach war, eine Auswahl zu treffen, ist dies bei Bibliotheken von Drittanbietern nochmals deutlich schwieriger. Das liegt zum einen daran, dass die Anzahl der Möglichkeiten hierbei deutlich größer ist. Zum anderen eignen sich diese Bibliotheken häufig für einen ganz spezifischen Anwendungsbereich. Für mache Programmierer, die in diesem Bereich tätig sind, stellen sie ein unverzichtbares Arbeitswerkzeug dar. Andere Entwickler kommen damit hingegen überhaupt nicht in Berührung, da die entsprechende Bibliothek für ihre Aufgaben vollkommen bedeutungslos ist. Dennoch haben wir hier versucht, einige beliebte Bibliotheken von Drittanbietern für Sie zusammenzutragen. Dabei müssen Sie beachten, dass Sie die entsprechenden Funktionen nicht einfach importieren können. Stattdessen ist es hierbei stets notwendig, die Bibliotheken herunterzuladen und zu installieren. Aus diesem Grund haben wir bei den einzelnen Angeboten auch jeweils einen Link zu den Installationsanweisungen angegeben.

Requests

Eine sehr beliebte externe Python-Bibliothek trägt den Namen Requests. Diese dient der Arbeit mit HTTP. Damit können Sie HTTP-Anfragen auf einfache Weise erstellen oder auswerten. Das ist ideal, wenn Sie ein Programm erstellen möchten, das mit Internetseiten interagiert. Zwar ist hierfür auch in der Python-Standardbibliothek ein geeignetes Modul enthalten. Dessen Anwendung ist jedoch sehr kompliziert, sodass die Verwendung von Requests die Programmerstellung häufig deutlich einfacher macht. Wenn Sie diese Bibliothek nutzen möchten, finden Sie unter dem folgenden Link die hierfür notwendigen Installationsanweisungen: https://requests.readthedocs.io/de/latest/user/install.html.

Scrapy

Eine weitere Bibliothek, die sich für die Arbeit mit Internetseiten anbietet, ist Scrapy. Diese eignet sich im Gegensatz zu Requests jedoch nicht für die Arbeit mit HTTP, sondern für die Erfassung der Inhalte. Mit diesem Werkzeug können Sie Programme schreiben, die eine Internetseite inhaltlich auswerten. Für den Download und für die Installationsanweisungen können Sie den folgenden Link verwenden: https://scrapy.org/.

wxPython

Bei der Vorstellung von tkinter haben wir bereits erwähnt, dass es viele verschiedene weitere Möglichkeiten für die Erstellung von grafischen Benutzeroberflächen gibt. Die Bibliothek wxPython ist eine von ihnen. Damit erstellen Sie sehr ansprechende Fenster, die sich für alle gängigen Betriebssysteme eignen. Viele Anwender beteuern, dass die Arbeit mit wxPython deutlich einfacher ist als mit tkinter. Wenn Sie dies selbst ausprobieren möchten, finden Sie unter diesem Link die Anleitung für den Download der Bibliothek: https://wxpython.org/pages/downloads/.

TensorFlow

Wenn Sie sich für künstliche Intelligenz und für maschinelles Lernen interessieren, dann stellt Python die ideale Programmiersprache für Sie dar. Das liegt unter anderem an den zahlreichen externen Bibliotheken, die hierfür zugänglich sind. Eine der wichtigsten von ihnen trägt den Namen TensorFlow. Für die Entwicklung war ursprünglich das Google Brain Team verantwortlich. Das zeigt bereits, dass diese Bibliothek von großer Bedeutung für die technische Entwicklung in diesem Bereich ist. Wenn Sie sich hierbei ebenfalls einarbeiten möchten, besteht der erste Schritt darin, TensorFlow anhand der Anleitung unter dem folgenden Link herunterzuladen: https://www.tensorflow.org/install.

NumPy

Wenn Sie wissenschaftliche Arbeiten – insbesondere im Bereich der Mathematik – mit Python erledigen möchten, stellt NumPy ein sinnvolles Hilfsmittel für Sie dar. Diese Bibliothek bietet Ihnen beispielsweise ein n-dimensionales Array mit vielen mächtigen Funktionen an. Auch in den Bereichen der linearen Algebra, der Fourier-Transformationen und der Zufallszahlen sind viele hilfreiche Funktionen enthalten. Hinzu kommen Werkzeuge, die es erlauben, Code in C oder C++ einzubinden. Die Installationsanweisungen sind unter dem folgenden Link abrufbar: https://numpy.org/install/.

Pillow

Wenn Sie sich der Bildbearbeitung widmen, stellt Pillow eine gute Bibliothek für Ihre Zwecke dar. Hiermit können Sie Grafiken nach Ihren Wünschen verändern. Die Bibliothek zeichnet sich durch die Unterstützung vielfältiger Formate aus. Dabei handelt es sich um eine Abwandlung der Bibliothek PIL, die ähnliche Funktionen bietet. Pillow zeichnet sich jedoch durch eine erhebliche Verbesserung der Nutzerfreundlichkeit aus. Um diese Bibliothek zu installieren, können Sie dem folgenden Link folgen: https://pillow.readthedocs.io/en/stable/installation.html.

SQLAlchemy

Für die Arbeit mit Datenbanken haben wir Ihnen bereits bei den internen Bibliotheken eine Möglichkeit präsentiert: sqlite3. Allerdings gibt es für diese Aufgaben noch einige weitere Angebote. Beispielsweise können Sie hierfür SQLAlchemy verwenden. Diese Bibliothek stellt kein eigenes Datenbanksystem dar. Sie soll lediglich den Umgang damit erleichtern, indem sie die Inhalte der Datenbank als Python-Objekte darstellt. Für die Arbeit mit dieser Bibliothek ist ein zugrunde liegendes Datenbanksystem erforderlich. Hierfür können Sie das bereits beschriebene System sqlite3 verwenden, doch bestehen noch weitere Möglichkeiten – beispielsweise MySQL oder PostgreSQL. Falls Sie diese Funktionen ausprobieren möchten, können Sie sie unter dem folgenden Link herunterladen: https://www.sqlalchemy.org/download.html.

Pendulum

Wenn Sie mit Datums- und Zeitangaben arbeiten, stellt die bereits beschriebene interne Bibliothek datetime eine gute Wahl dar. Allerdings bietet diese nur einen relativ geringen Funktionsumfang, sodass Sie viele Aufgaben selbst implementieren müssen. Wenn Sie viele Arbeiten in diesem Bereich erledigen müssen, bietet es sich an, eine etwas umfangreichere Bibliothek zu verwenden – wie etwa Pendulum. Diese bietet viele zusätzliche Funktionen an. Die Installationsanweisungen finden Sie unter dem folgenden Link: https://pendulum.eustace.io/docs/#installation.

Viele hilfreiche Funktionalitäten für unterschiedliche Programme

Diese Auflistung hat gezeigt, dass es viele verschiedene Bibliotheken in Python gibt, die Sie für Ihre Projekte nutzen können. Bereits die internen Bibliotheken, auf die Sie sehr einfach zugreifen können, bieten einen herausragenden Funktionsumfang, sodass Sie damit vielfältige Aufgaben erledigen können. Für speziellere Programmfunktionen stehen Ihnen außerdem unzählige weitere Bibliotheken zur Verfügung, die Sie kostenfrei nutzen können. Diese riesige Vielfalt stellt einen der wesentlichen Vorteile der Programmiersprache Python dar.

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