# 11. Krótka wycieczka po bibliotece standardowej — część II

Ta druga wycieczka obejmuje bardziej zaawansowane moduł, które wspierają profesjonalne potrzeby programistyczne. Te moduł rzadko występują w małych skryptach.

## 11.1. Formatowanie wyjścia

`reprlib` moduł zapewnia wersja z `repr()` dostosowany do skróconego wyświetlania dużych lub głęboko zagnieżdżonych kontenerów:

    >>> import reprlib
    >>> reprlib.repr(set('supercalifragilisticexpialidocious'))
    "{'a', 'c', 'd', 'e', 'f', 'g', ...}"

Moduł `pprint` oferuje bardziej wyrafinowaną kontrolę nad drukowaniem zarówno wbudowanej, jak i obiektów zdefiniowanych przez użytkownika w sposób czytelny dla interpretera. Gdy wynik jest dłuższy niż jedna linia, „ładna drukarka” dodaje podziały linii i wcięcia, aby wyraźniej ujawnić strukturę danych:

    >>> import pprint
    >>> t = [[[['czarny', 'cyjan'], 'biały', ['zielony', 'czerwony']], [['magenta',
    ...     'żółty'], 'niebieski']]]
    ...
    >>> pprint.pprint(t, width=30)
    [[[['czarny', 'cyjan'],
       'biały',
       ['zielony', 'czerwony']],
      [['magenta', 'żółty'],
       'niebieski']]]

Moduł `textwrap` formatuje akapity tekstu tak, aby pasowały do danej szerokości ekranu:

    >>> import textwrap
    >>> doc = """Metoda wrap() jest taka sama jak fill() z tą różnicą, że zwracać
    ... listę napisow zamiast jednego dużego napisu z nowymi liniami do oddzielenia
    ... zawinięte linie."""
    ...
    >>> print(textwrap.fill(doc, width=40))
    Metoda wrap() jest taka sama jak fill()
    z tą różnicą, że zwracać listę napis
    zamiast jednego dużego napisu z nowymi liniami
    aby oddzielić zawinięte linie.

`locale` moduł uzyskuje dostęp do bazy danych formatów danych specyficznych dla danej kultury. Grupowanie atrybut formatu locale funkcja zapewnia bezpośredni sposób formatowania liczb za pomocą separatorów grup:

    >>> import locale
    >>> locale.setlocale(locale.LC_ALL, 'English_United States.1252')
    'English_United States.1252'
    >>> conv = locale.localeconv() # uzyskać mapowanie konwencji
    >>> x = 1234567.8
    >>> locale.format_string("%d", x, grouping=True)
    '1,234,567'
    >>> locale.format_string("%s%.*f", (conv['currency_symbol'],
    ... conv['frac_digits'], x), grouping=True)
    '$1,234,567.80'

## 11.2. Szablonowanie

Moduł `string` zawiera wszechstronną klasę `Template` z uproszczoną składnią odpowiednią do edycji przez użytkowników końcowych. Pozwala to użytkownikom na dostosowanie ich aplikacja bez konieczności zmiany aplikacja.

Format wykorzystuje nazwy placeholder utworzone przez `$` z ważnymi identyfikatorami Python (alfanumeryczne znak i podkreślenia). Otoczenie placeholder nawiasami klamrowymi pozwala na umieszczenie po nim kolejnych liter alfanumerycznych bez spacji. Napisanie `$$` tworzy pojedynczy `$`:

    >>> from string import Template
    >>> t = Template('${village}anie wysyłają $$10 na $cause.')
    >>> t.substitute(village='Nottingham', cause='fundusz rowu')
    'Nottinghamanie wysyłają $10 na fundusz rowu.'

Metoda `substitute()` rzuci `KeyError`, gdy placeholder nie jest podany w słowniku lub argument nazwany. W przypadku mail-merge aplikacjach, dane dostarczone przez użytkownika mogą być niekompletne, a metoda `safe_substitute()` może być bardziej odpowiednia — pozostawi placeholder bez zmian, jeśli brakuje danych:

    >>> t = Template('Zwróć $item do $owner.')
    >>> d = dict(item='nieobciążoną jaskółkę')
    >>> t.substitute(d)
    Traceback (most recent call last):
    ...
    KeyError: 'owner'
    >>> t.safe_substitute(d)
    'Zwróć nieobciążoną jaskółkę do $owner.'

Szablon podklas mogą określać niestandardowy separator. Na przykład, narzędzie do wsadowej zmiany nazw dla przeglądarki zdjęć może zdecydować się na użycie znaków procentowych jako placeholder, takich jak bieżące dane, numer sekwencyjny obrazu lub format pliku:

    >>> import time, os.path
    >>> pliki_zdjecia = ['img_1074.jpg', 'img_1076.jpg', 'img_1077.jpg']
    >>> class ZmienNazwePlikow(Template):
    ... delimiter = '%'
    ...
    >>> format_nazwy = input('Podaj styl zmiany nazwy (-data -numer -format): ')
    Podaj styl zmiany nazwy (-data -numer -format): Ashley_

    >>> zmiana_nazwy = ZmienNazwePlikow(format_nazwy)
    >>> data = time.strftime('%b%y')
    >>> for i, nazwa_pliku in enumerate(pliki_zdjecia):
    ... baza, rozszerzenie = os.path.splitext(nazwa_pliku)
    ... nowa_nazwa = zmiana_nazwy.substitute(d=data, n=i, f=rozszerzenie)
    ... print('{0} --> {1}'.format(nazwa_pliku, nowa_nazwa))
    ...
    img_1074.jpg --> Ashley_0.jpg
    img_1076.jpg --> Ashley_1.jpg
    img_1077.jpg --> Ashley_2.jpg

Innym aplikacja dla szablonów jest oddzielenie logiki programu od szczegółów wielu formatów wyjściowych. Umożliwia to zastąpienie niestandardowych szablonów plikami XML, raportami tekstowymi i raportami internetowymi HTML.

## 11.3. Praca z układami rekordów danych binarnych

Moduł `struct` udostępnia `pack()` i `unpack()` funkcje do pracy z formatami rekordów binarnych o zmiennej długości. Poniższy przykład pokazuje, jak zapętlić informacje nagłówka w pliku ZIP bez użycia moduł `zipfile` . Kody pakietów `"H"` i `"I"` reprezentują odpowiednio dwu- i czterobajtowe liczby bez znaku. Oznaczenie `"<"` wskazuje, że mają one standardowy rozmiar i kolejność bajtów little-endian:

    import struct

    with open('myfile.zip', 'rb') as f:
        data = f.read()

    start = 0
    for i in range(3):                      # pokaż pierwsze 3 nagłówki pliku
        start += 14
        fields = struct.unpack('<IIIHH', data[start:start+16])
        crc32, comp_size, uncomp_size, filenamesize, extra_size = fields

        start += 16
        filename = data[start:start+filenamesize]
        start += filenamesize
        extra = data[start:start+extra_size]
        print(filename, hex(crc32), comp_size, uncomp_size)

        start += extra_size + comp_size # przeskocz do następnego nagłówka

## 11.4. Wielowątkowość

Wątkowanie jest techniką oddzielania zadań, które nie są sekwencyjnie zależne. Wątek może być używany do poprawy szybkości reakcji aplikacji, które akceptują dane wejściowe użytkownika, podczas gdy inne zadania działają w tle. Powiązanym przypadkiem użycia jest równoległe wykonywanie operacji wejścia/wyjścia z obliczeniami w innym wątku.

Poniższy kod pokazuje, w jaki sposób wysokopoziomowy `threading` moduł może uruchamiać zadania w tle, podczas gdy główny program nadal działa:

    import threading, zipfile

    class AsyncZip(threading.Thread):
        def __init__(self, infile, outfile):
            super().__init__()
            self.infile = infile
            self.outfile = outfile

        def run(self):
            with zipfile.ZipFile(self.outfile, 'w', zipfile.ZIP_DEFLATED) as f:
                f.write(self.infile)
            print('Zakończono zipowanie w tle pliku:', self.infile)

    background = AsyncZip('mojedane.txt', 'mojearchiwum.zip')
    background.start()
    print('Główny program nadal działa.')

    background.join() # Poczekaj na zakończenie zadania w tle
    print('Główny program czekał, aż tło zostanie wykonane.')

Głównym wyzwaniem wielowątkowej aplikacji jest koordynacja wątkow, które współdzielą dane lub inne zasoby. W tym celu wątkowanie moduł zapewnia szereg prymitywów synchronizacji, w tym blokady, zdarzenia, zmienne warunkowe i semafory.

Chociaż narzędzia te są potężne, drobne błędy projektowe mogą skutkować trudnymi do odtworzenia problemami. Dlatego preferowanym podejściem do koordynacji zadań jest skoncentrowanie całego dostępu do zasobu w jednym wąteku, a następnie wykorzystanie moduł `queue` do zasilania tego wąteka żądaniami z innych wątekow. Aplikacja wykorzystuje obiekty `Queue` do komunikacji i koordynacji międzywątekowych są łatwiejsze do zaprojektowania, bardziej czytelne i niezawodne.

## 11.5. Logowanie

Moduł `logging` oferuje w pełni funkcjonalny i elastyczny system logowania. W najprostszym przypadku komunikaty dziennika są wysyłane do pliku lub na adres `sys.stderr`:

    import logging
    logging.debug('Informacje do debugowania')
    logging.info('Komunikat informacyjny')
    logging.warning('Ostrzeżenie: nie znaleziono pliku konfiguracyjnego %s', 'server.conf')
    logging.error('Wystąpił błąd')
    logging.critical('Błąd krytyczny -- wyłączanie')

Daje to taki wyniki:

    WARNING:root:Ostrzeżenie: nie znaleziono pliku konfiguracyjnego server.conf
    ERROR:root:Wystąpił błąd
    CRITICAL:root:Błąd krytyczny -- wyłączanie

Domyślnie, komunikaty informacyjne i debugowanie są tłumione, a dane wyjściowe są wysyłane do standardowego błędu. Inne opcje wyjściowe obejmują kierowanie wiadomości przez e-mail, datagramy, gniazda lub do serwera HTTP. Nowe filtry mogą wybierać różne trasy na podstawie priorytetu wiadomości: `DEBUG`, `INFO`, `WARNING`, `ERROR` i `CRITICAL`.

System logowania może być skonfigurowany bezpośrednio z poziomu Pythona lub może być załadowany z edytowalnego przez użytkownika pliku konfiguracyjnego w celu dostosowania rejestrowania bez zmiany aplikacji.

## 11.6. Wsparcie słabych odniesień

Python wykonuje automatyczne zarządzanie pamięcią (liczenie referencji dla większości obiektów i garbage collection w celu wyeliminowania cykli). Pamięć jest zwalniana wkrótce po usunięciu ostatniego odniesienia do niej.

Takie podejście sprawdza się w większości przypadków aplikacji, ale czasami istnieje potrzeba śledzenia obiektów tylko tak długo, jak są one używane przez coś innego. Niestety, samo ich śledzenie tworzy odniesienie, które czyni je trwałymi. `weakref` moduł zapewnia narzędzia do śledzenia obiektów bez tworzenia odniesienia. Gdy obiekt nie jest już potrzebny, jest automatycznie usuwany z tabeli weakref i uruchamiane jest wywołanie zwrotne dla obiektów weakref. Typowe aplikacja obejmują buforowanie obiektów, których utworzenie jest kosztowne:

    >>> import weakref, gc
    >>> class A:
    ... def __init__(self, value):
    ... self.value = value
    ... def __repr__(self):
    ... return str(self.value)
    ...
    >>> a = A(10) # utwórz odniesienie
    >>> d = weakref.WeakValueDictionary()
    >>> d['primary'] = a # nie tworzy odniesienia
    >>> d['primary'] # pobierz obiekt, jeśli nadal istnieje
    10
    >>> del a # usuń jedyne odniesienie
    >>> gc.collect() # wymuś natychmiastowe uruchomienie garbage collection
    0
    >>> d['primary'] # wpis został automatycznie usunięty
    Traceback (most recent call last):
      File "<stdin>", line 1, in <module>
        d['primary'] # wpis został automatycznie usunięty
      File "C:/python314/lib/weakref.py", line 46, in __getitem__
        o = self.data[key]()
    KeyError: 'primary'

## 11.7. Narzędzia do pracy z listami

Wiele potrzeb związanych ze strukturami danych można zaspokoić za pomocą listy wbudowanej. Czasami jednak istnieje potrzeba alternatywnych implementacji z różnymi kompromisami w zakresie wydajności.

Moduł `array` udostępnia obiekt `array`, który jest jak lista, przechowuje tylko jednorodne dane i przechowuje je w bardziej kompaktowy sposób. Poniższy przykład pokazuje tablica liczb przechowywanych jako dwubajtowe liczby binarne bez znaku (kod typowy `"H"`) zamiast zwykłych 16 bajtów na wpis dla zwykłych list obiektów Python int:

    >>> from array import array
    >>> a = array('H', [4000, 10, 700, 22222])
    >>> sum(a)
    26932
    >>> a[1:3]
    array('H', [10, 700])

Moduł `collections` udostępnia obiekt `deque`, który jest jak lista z szybszym dołączaniem i wyskakiwaniem z lewej strony, ale wolniejszym wyszukiwaniem w środku. Obiekty te dobrze nadają się do implementacji kolejek i przeszukiwania drzewa w pierwszej kolejności:

    >>> from collections import deque
    >>> d = deque(["zadanie1", "zadanie2", "zadanie3"])
    >>> d.append("zadanie4")
    >>> print("Obsługiwanie", d.popleft())
    Obsługiwanie zadanie1

    unsearched = deque([starting_node])
    def breadth_first_search(unsearched):
        node = unsearched.popleft()
        for m in gen_moves(node):
            if is_goal(m):
                return m
            unsearched.append(m)

Oprócz alternatywnych implementacji list, biblioteka oferuje również inne narzędzia, takie jak `bisect` moduł z funkcja do manipulowania posortowanymi listami:

    >>> import bisect
    >>> wyniki = [(100, 'perl'), (200, 'tcl'), (400, 'lua'), (500, 'python')]
    >>> bisect.insort(wyniki, (300, 'ruby'))
    >>> wyniki
    [(100, 'perl'), (200, 'tcl'), (300, 'ruby'), (400, 'lua'), (500, 'python')]

Moduł `heapq` udostępnia funkcje do implementacji stert opartych na listach regularnych. Wpis o najniższej wartości jest zawsze przechowywany na pozycji zero. Jest to przydatne dla aplikacji, które wielokrotnie uzyskują dostęp do najmniejszego elementu, ale nie chcą uruchamiać pełnego sortowania listy:

    >>> from heapq import heapify, heappop, heappush
    >>> dane = [1, 3, 5, 7, 9, 2, 4, 6, 8, 0]
    >>> heapify(dane) # uporządkuj listę w kolejności na stercie
    >>> heappush(dane, -5) # dodanie nowego wpisu
    >>> [heappop(dane) for i in range(3)] # pobranie trzech najmniejszych wpisów
    [-5, 0, 1]

## 11.8. Dziesiętna arytmetyka zmiennoprzecinkowa

Klasa moduł `decimal` oferuje typ danych `Decimal` dla dziesiętnej arytmetyki zmiennoprzecinkowej. W porównaniu do wbudowanej `float` implementacji binarnej liczby zmiennoprzecinkowej, klasa ta jest szczególnie pomocna dla

- finansowe aplikacja i inne zastosowania wymagające dokładnej reprezentacji dziesiętnej,

- kontrola nad precyzją,

- kontrolę nad zaokrągleniami w celu spełnienia wymogów prawnych lub regulacyjnych,

- śledzenie znaczących miejsc po przecinku, lub

- aplikacja gdzie użytkownik oczekuje, że wyniki będą zgodne z obliczeniami wykonanymi ręcznie.

Na przykład, obliczenie 5% podatku od 70 centów opłaty telefonicznej daje różne wyniki w dziesiętnej zmiennoprzecinkowej i binarnej zmiennoprzecinkowej. Różnica staje się znacząca, jeśli wyniki zostaną zaokrąglone do najbliższego centa:

    >>> from decimal import *
    >>> round(Decimal('0.70') * Decimal('1.05'), 2)
    Decimal('0.74')
    >>> round(.70 * 1.05, 2)
    0.73

Wynik `Decimal` zachowuje końcowe zero, automatycznie wywnioskowując znaczenie czterech miejsc z mnożników o znaczeniu dwóch miejsc. Decimal odtwarza matematykę wykonaną ręcznie i unika problemów, które mogą powstać, gdy binarna liczba zmiennoprzecinkowa nie może dokładnie reprezentować wielkości dziesiętnych.

Dokładna reprezentacja umożliwia klasie `Decimal` wykonywanie obliczeń modulo i testów równości, które nie są odpowiednie dla binarnych liczb zmiennoprzecinkowych:

    >>> Decimal('1.00') % Decimal('.10')
    Decimal('0.00')
    >>> 1.00 % 0.10
    0.09999999999999995

    >>> sum([Decimal('0.1')]*10) == Decimal('1.0')
    True
    >>> 0.1 + 0.1 + 0.1 + 0.1 + 0.1 + 0.1 + 0.1 + 0.1 + 0.1 + 0.1 == 1.0
    False

Moduł `decimal` zapewnia arytmetykę z taką precyzją, jaka jest potrzebna:

    >>> getcontext().prec = 36
    >>> Decimal(1) / Decimal(7)
    Decimal('0.142857142857142857142857142857142857')