Tässä moduulissa opit kirjoittamaan vuorovaikutteisia Python-ohjelmia.
Vuorovaikutteinen ohjelma kommunikoi käyttäjänsä kanssa: se lukee syötteitä, käsittelee niitä ja tuottaa sen pohjalta tulosteita.
Esimerkki vuorovaikutteisesta ohjelmasta on ohjelma, joka kysyy käyttäjältä kaksi lukua, laskee niiden summan ja näyttää sen käyttäjälle. Tässä tapauksessa käyttäjältä luetaan syöte (esimerkiksi luvut 2 ja 3), syötettä käsitellään laskemalla summa, ja käyttäjälle näytetään tuloste (lukujen summa 5).
Aloitetaan Python-kielen tulostusfunktiosta, joka on print. Seuraava ohjelma tulostaa tekstin “Hei, maailma”:
print('Hei, maailma!')
Tulostus hoidetaan print-nimisellä funktiolla, joka on Python-kielen sisäänrakennettu funktio. Funktion argumentti kirjoitetaan kaarisulkeiden sisään. Tässä tapauksessa tulostettavana on merkkijonoliteraali “Hei, maailma”. Merkkijonoliteraaliksi kutsutaan sellaista merkkijonoa, joka kirjoitetaan suoraan ohjelmakoodiin. Merkkijonoliteraali kirjoitetaan joko heitto- tai lainausmerkkien sisään. Niinpä ohjelma voitaisiin kirjoittaa myös seuraavasti:
print("Hei, maailma!")
Entäpä tilanne, jossa heitto- tai lainausmerkki halutaan ottaa mukaan osaksi tulostettavaa merkkijonoa? Ratkaisuna on kirjoittaa tulostettava merkki merkkijonoliteraalin sisään siten, että merkkijonoliteraalin alku- ja loppumerkkinä käytetään toista merkkiä kuin sitä, joka on merkkijonoliteraalin sisällä:
print('"Hei", sanoi Ville')
Kun ohjelmassa on useita tulostuslauseita, tulostuu jokaisen perään automaattisesti rivinvaihto:
print("Hyvää")
print("huomenta")
Tuloste on:
Hyvää
huomenta
Edellä olevasta ohjelmasta ilmenee yksi ohjelmointikielen perusrakenteista: peräkkäisyys. Lauseet suoritetaan lähtökohtaisesti siinä järjestyksessä kuin ne on ohjelmakoodiin kirjoitettu. Muut perusrakenteet ovat valinnaisuus ja toisto; niitä käsitellään myöhemmin.
Rivinvaihdon sisältävä tulostuslause voidaan kuitenkin toteuttaa myös yhdellä lauseella: merkkijonoliteraalin sisälle on mahdollista kirjoittaa rivinvaihtomerkki \n. Sama tuloste kuin edellä saadaan kirjoittamalla:
print("Hyvää\nhuomenta")
Edellä kuvatulla tavalla voidaa tehdä yksinkertaisia ohjelmia, jotka tulostavat jokaisella suorituskerralla saman merkkijonon. Yleensä halutaan, että ohjelma saa syötteitä käyttäjältä ja käyttää niitä hyödykseen.
Kirjoitetaan nyt ohjelma, joka kysyy käyttäjältä tämän nimen ja tervehtiin sen jälkeen käyttäjää nimeltä. Tämä onnistuu seuraavasti:
käyttäjä = input('Anna nimesi: ')
print("Hauska tavata, " + käyttäjä + "!")
Käyttäjän syöte luetaan sisäänrakennetulla input-funktiolla. Funktio saa argumenttinaan tekstin, joka tulostetaan ruudulle. Tekstin on syytä olla sellainen, että käyttäjä tietää, mitä hänen oletetaan syöttävän.
Sisäänrakennettu input-funktio odottaa käyttäjän syötettä näppäimistöltä. Käyttäjä päättää syötteen Enter-näppäimellä. Kun syöte on annettu, input-funktion arvona on syötettä vastaava merkkijono.
Input-funktion arvo, toisin sanoen sen palauttama merkkijono, on laitettava talteen, jotta sitä voidaan käyttää myöhemmin ohjelmassa. Tätä varten se tallennetaan muuttujaan (variable). Tässä tapauksessa muuttuja on nimeltään käyttäjä. Käyttäjän antama syöte tallentuu tietokoneen muistiin, ja se saadaan haettua sieltä muuttujan nimen avulla. Muuttujan nimi on siis ikäänkuin kahva tai nimilappu, jonka avulla arvo voidaan muistista hakea.
Muuttujalle annetaan arvo sijoituslauseessa. Sijoituslauseen tunnistaa yhtäsuuruusmerkistä (=). Sen vasemmalla puolella on sen muuttujan nimi, jolle arvo annetaan. Oikealle puolelle kirjoitetaan lauseke, jonka arvo tulee muuttujan arvoksi.
Ohjelmoinnissa muuttujien voidaan ajatella olevan kuin nimettyjä laatikoita, joihin voidaan tallentaa tietoa. Tämä tieto voi olla numeroita, tekstiä tai monimutkaisempia rakenteita. Kun tallennettua tietoa tervitaan myöhemmin ohjelmassa, se saadaan käyttöön yksinkertaisesti viittaamalla laatikkoon sen nimellä.
Tarkastellaan esimerkkinä ohjelmaa, jossa halutaan tallentaa tieto (jonkun asian) väristä. Tätä tarkoitusta varten luodaan muuttuja nimeltä väri ja tallennetaan sen arvoksi esimerkiksi "sininen" seuraavasti:
väri = "sininen"
Yllä olevassa esimerkissä väri on muuttuja, jonka arvo on merkkijono "sininen".
Muuttujien nimet voivat sisältää kirjaimia, numeroita ja alaviivoja, mutta ne eivät voi alkaa numerolla eivätkä sisältää välilyöntejä. Hyvän ohjelmointikäytännön mukaisesti muuttujalle annetaan kuvaava nimi. Se helpottaa koodin lukemista.
Sijoitusoperaattori (=) kirjoitetaan siis yhdellä yhtäsuuruusmerkillä (=). Sen tehtävä on asettaa oikealla puolella olevan lausekkeen arvo vasemmalla puolella olevan muuttujan arvoksi, toisin sanoen tallentaa arvo muuttujalle varattuun laatikkoon (muistipaikkaan).
Edellä olevaa esimerkkilausen toimintaa voi hahmottaa seuraavasti:
Muuttuja Sijoitusoperaattori Arvo
+-----------+ +-----------------+ +----------+
| väri | <- | = | <- | "sininen" |
+-----------+ +-----------------+ +----------+
Kun Python suorittaa rivin väri = "sininen", se tekee seuraavat askeleet:
"sininen", mutta lauseke voi sisältaa myös monimutkaisempia toimintoja, kuten alun esimerkin syötteen luku input-funktiolla..väri ja varataan sille muistipaikka. Jos muuttuja väri on luotu jo aiemmin ohjelmassa, käytetään olemassa olevaa muistipaikkaa."sininen"muuttujan väri arvoksi. Jos muuttuja ole luotu aiemmin, sen aiempi arvo ylikirjoittuu ja ei ole enää tiedossa.Muuttujan arvoa voi siis muuttaa milloin tahansa ohjelman suorituksen aikana. Esimerkiksi:
pisteet = 50 # Muuttujan pisteet arvo on nyt 50
print(pisteet) # Tulostaa: 50
pisteet = 120 # Nyt muuttujan pisteet arvo on 120
print(pisteet) # Tulostaa: 120
Tässä tapauksessa pisteet oli aluksi 50, mutta sijoitusoperaattori (=) muutti sen arvon 120:ksi.
Katsotaan nyt tulostuslausetta tarkemmin.
Jos haluaisimme vain tulostaa käyttäjän syöttämän nimen, voisimme korvata alemman rivin seuraavalla:
print(käyttäjä)
Huomaa, että nyt käyttäjä on muuttujan nimi. Se ei ole merkkijonoliteraali, eikä sitä kirjoiteta lainausmerkkeihin.
Haluamme kuitenkin, että ohjelma tulostaa pelkän nimen sijasta kokonaisen tervehdystekstin. Tulostettava merkkijono voidaan koostaa osamerkkijonoista siten, että osat liitetään toisiinsa plusmerkin (+) avulla. Alkuperäisen ohjelman alempi rivi koostaa tulosteen kolmesta osasta:
käyttäjä arvosta, sekäOhjelma toimii siis seuraavasti:
Anna nimesi: Viivi
Hauska tavata, Viivi!
Edellä muuttujille annettiin arvoksi yksinkertaisia arvoja kuten merkkijono ja kokonaisluku.
Python-kielessä muuttujia ei tarvitse etukäteen esitellä, eikä niiden tyyppiä tarvitse määrittää, vaan muuttujan tyyppi määrittyy automaattisesti sijoituslauseen seurauksena. Tyyppi tarkoittaa sitä, minkälaiseen tietoon muuttuja viittaa: onko muuttujan arvona esimerkiksi merkkijono vai luku?
Python-kielessä on kolme muuttujan perustyyppiä (primitiivitietotyypit):
True tai FalseLisäksi muuttujiin voidaan sijoittaa muita Pythonin tietorakenteita, kuten:
Lisäksi muuttuja voi olla tyypiltään viittaus olioon. Listoihin, monikkoon, sanakirjaan ja olioviittaukseen palataan myöhemmin kurssilla. Tarkastellaan seuraavaksi luku- ja merkkijonotietotyyppejä tarkemmin.
Pythonin luku-tietotyypillä on kolme alatyyppiä: kokonaisluku (esimerkiksi 4 tai 12756413000), liukuluku (esimerkiksi 7.28 tai 4.0) ja kompleksiluku (esimerkiksi 3-2i). Seuraavaksi luomme neljä muuttujaa, joista ensimmäiseen sijoitetaan kokonaisluku, toiseen pitkä kokonaisluku, kolmanteen liukuluku ja neljänteen kompleksiluku. Sen jälkeen tulostamme kaikkien neljän muuttujan arvot sekä kompleksiluvustaerikseen reaali- ja imaginaariosan arvot:
eka = -9
toka = 12_456_123_180
kolmas = 4.973
neljäs = -4 + 2j
print(eka)
print(toka)
print(kolmas)
print(neljäs)
print(neljäs.real)
print(neljäs.imag)
Kokonaislukua syötettäessä voidaan numeromerkit ryhmitellä alaviivasymbolin avulla, kuten muuttujalle toka edellä tehtiin. Tämä ei kuitenkaan ole pakollista. Isoille kokonaisluvuille varataan muistista enemmän tilaa kuin tavalliselle kokonaisluvulle.
Huomaa, että kompleksiluvussa imaginaariosan symbolina käytetään Pythonissa j-kirjainta eikä i-kirjainta niin kuin matematiikassa tavanomaisesti.
Esimerkkiohjelma tuottaa seuraavan tulosteen:
-9
12456123180
4.973
(-4+2j)
-4.0
2.0
Merkkijono on tietotyyppi, jolla esitetään tekstiä. Se on peräkkäinen jono merkkejä, kuten kirjaimia, numeroita ja välimerkkejä. Pythonissa merkkijonoja luodaan ympäröimällä teksti joko yksinkertaisilla (') tai kaksinkertaisilla (") lainausmerkeillä. Tämä antaa joustavuutta, jos merkkijonon itsensä sisällä on lainausmerkkejä.
Esimerkkejä merkkijononoista:
nimi = "Petra" # Kaksinkertaisilla lainausmerkeillä
tervehdys = 'Hei maailma!' # Yksinkertaisilla lainausmerkeillä
luku_tekstina = "12345" # Vaikka sisältää numeroita, se on tekstiä, koska on lainausmerkkien sisällä
tyhja_merkkijono = "" # Tyhjä merkkijono
lause1 = "Bob sanoi: 'Hei!'" # Kaksinkertaiset lainausmerkit, yksinkertaiset osa merkkijonoa
lause2 = 'Bob vastasi: "Moi!"' # Yksinkertaiset lainausmerkit, kaksinkertaiset osa merkkijonoa
Kaikki tietokoneen tallentamat ja käsittelemät merkit muunnetaan tietokoneen “ymmärtämiksi” numeerisiksi koodeiksi. Pythonissa kaikki merkit esitetään Unicode-merkkeinä. Unicode on standardi, joka määrittelee useimmille maailman kirjoitusmerkeille omat merkkikoodinsa.
Unicode-merkkejä sisältävää tekstiä voidaan tallentaa tietokoneelle käyttäen eri koodaustapoja eli merkistöjä, esimerkiksi UTF-8. Merkistö on joukko sääntöjä sille, miten tämä muunnos tehdään. Yksinkertaisimmillaan merkistö on lista merkeistä ja niitä vastaavista numeroista, kuten esimerkiksi vanha ja rajoittunut ASCII-merkistö.
Muuttujilla ja vakioilla voidaan tehdä laskutoimituksia. Laskutoimitusten laskujärjestys voidaan tarvittaessa osoittaa sulkeilla.
Laskutoimituksia ovat yhteenlasku (+), vähennyslasku (-), kertolasku (*) ja jakolasku (/). Lisäksi on olemassa jakojäännösoperaatio (%), pelkän kokonaisosan palauttava jakolasku (//) sekä potenssiinkorotus (**).
Alla oleva ohjelma kysyy lämpötilan Fahrenheit-asteina ja muuntaa sen Celsius-asteiksi. Muunnos tehdään siten, että Fahrenheit-asteista vähennetään 32, ja erotus kerrotaan vakiolla 5/9.
fahrenheit_str = input("Anna lämpötila Fahrenheit-asteina: ")
fahrenheit = float(fahrenheit_str)
celsius = (fahrenheit - 32) * 5 / 9
print("Lämpötila Celsius-asteina: " + str(celsius))
Ohjelma toimii seuraavasti:
Anna lämpötila Fahrenheit-asteina: 102
Lämpötila Celsius-asteina: 38.888888888888886
Huomaa, että edellä input()-funktion palauttama arvo tulkitaan aina merkkijonoksi, vaikka käyttäjän antama syöte koostuisi pelkistä numeromerkeistä. Merkkijono voidaan muuntaa liukuluvuksi float()-funktiolla tai kokonaisluvuksi int()-funktiolla.
Vastaavasti luku voidaan muuntaa merkkijonoksi str()-funktiolla. Esimerkin tulostuslauseessa muunnos on tehtävä, jotta Celsius-asteet sisältävä liukuluku voidaan liittää merkkijonoon. Liitoksen molempien osapuolten on oltava merkkijonoja.
Funktioihin perehdytään tarkemmin myöhemmin.
Toisinaan halutaan säädellä sitä, kuinka tulostus muotoillaan: monenko desimaalin tarkkuudella liukuluvut esitetään, tai monenko merkin suuruinen tila vaikkapa merkkijonolle varataan.
Tämä voidaan toteuttaa käyttämällä ns. muotoilumerkkijonoliteraalia, jossa tulostettava merkkijono sisältää muotoilukoodeja.
Tarkastellaan asiaa esimerkin kautta. Vaihdamme edellisen esimerkin tulostuslauseen sellaiseksi, että Celsius-lämpötila näytetään aina kahden desimaalin tarkkuudellla:
print(f"Lämpötila Celsius-asteina: {celsius:6.2f}")
Huomaa, että print-funktiokutsun argumentti alkaa nyt f-kirjaimella, joka kertoo, että tulostettava merkkijono sisältää muotoiltavia lausekkeita. Ilman f-kirjainta merkkijonoliteraali tulostettaisiin sellaisena kuin se ohjelmakoodissa näkyy, aaltosulkeineen päivineen.
Muotoiltava lauseke muotoilukoodeineen kirjoitetaan aaltosulkeiden sisään. Esimerkissä muotoiltava lauseke on muuttujan celsius arvo, joka on liukuluku.
Muotoilukoodi on tässä tapauksessa 6.2f. Kirjain f kertoo, että lauseke tulostetaan liukulukuna. Liukuluvun merkkiä f edeltävä merkintä 6.2 täsmentää, että tulos esitetään kuusi merkkiä leveässä kentässä, ja liukuluvun esitystarkkuus on kaksi desimaalia.
Seuraavassa on esimerkkejä muotoilukoodeista:
.5f: liukuluku viiden desimaalin tarkkuudella10.2f: liukuluku kahden desimaalin tarkkuudella kymmenen merkkiä leveään kenttään<20s: merkkijono 20 merkkiä leveään kenttään vasemman reunan mukaan tasattuna8d: kokonaisluku kahdeksan merkkiä leveään kenttäänMuotoilukoodien kirjoittaminen on valinnaista. Muotoilumerkkijonoliteraalien käyttö helpottaa silti numeeristen ja merkkijonomuotoisten tulosteiden yhdistelemistä, kun str-funktioita ja muita muunnosfunktioita ei tarvitse välttämättä käyttää. Edellä voisimme yksinkertaisesti tulostaa Celsius-asteet ilman muotoilukoodia:
print(f"Lämpötila Celsius-asteina: {celsius}")
Saman muotoiltavan merkkijonoliteraalin sisällä voi olla useita muotoiltavia lausekkeita mahdollisine koodeineen. Seuraava ohjelma tulostaa kahden luonnonvakion, piin ja Neperin luvun, arvot siten, että kummankin vakion nimi tulostetaan 12 merkkiä leveään kenttään, ja vastaava arvo tulostetaan viidellä desimaalilla kymmenen merkkiä leveään kenttään:
import math
print(f"{'Pii':12s}:{math.pi:10.5f}")
print(f"{'Neperin luku':12s}:{math.e:10.5f}")
Edellä luonnonvakiot pii ja Neperin luku tulostettiin Pythonin matematiikkakirjaston avulla. Niihin viitattiin ilmauksilla math.pi ja math.e. Matematiikkakirjastoa voidaan käyttää, kun ohjelman alkuun on lisätty kirjaston tuontilause import math.
Lopuksi mainittakoon, että Python tarjoaa useita tapoja tulostuksen muotoiluun. Tässä kuvatut muotoilumerkkijonoliteraalit ovat uudehko tapa, joka on ollut tarjolla Python-versiosta 3.6. alkaen. Yhden hyvän tavan opettelu riittää, mutta vaihtoehtoisiin tapoihin voit törmätä netin opetusmateriaaleja ja muiden tekemiä ohjelmakoodeja tarkasteltaessa. Nämä vaihtoehtoiset tavat ovat:
str.format()-metodin käyttöEdellä lueteltuja vaihtoehtoisia tapoja ei käsitellä tässä. Aiheesta löytyy lisätietoa Python 3 -kielen dokumentaatiosta: https://docs.python.org/3/tutorial/inputoutput.html
Seuraavassa moduulissa käsitellään if-valintarakennetta.