6. Python

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이 글은 CS50 x 2020의 weeks 6 강의내용을 복습하기 위해 강의 노트를 기반으로 작성한 글입니다.

내용을 이해하기 위한 개인적인 설명이나 해석이 있을 수 있기 때문에 되도록 원문을 참고해주시길 바랍니다. 잘못된 부분이 있다면 댓글이나 그 외 편하신 방법으로 알려주시면 감사하겠습니다.

Python Basics

파이썬 코드는 C보다 훨씬 간단하지만, 데이터 과학(data science) 같은 분야의 문제를 해결하는 것도 가능하다.

Print

Hello world를 출력하기 위한 C코드와 파이썬 코드를 비교해보자.

// C

#include <stdio.h>

int main(void)
{
    printf("hello, world\n");
}

# python

print("hello, world")

스탠다드 라이브러리(standard library)를 불러올 필요가 없다.
메인 함수(main function)를 선언하지 않아도 된다.
Print 함수 끝에 줄 바꿈 \n을 해주지 않아도 된다 (줄 바꿈이 기본값).
세미 콜론;을 적어주지 않아도 된다.

파이썬은 별도의 컴파일을 거칠 필요가 없는 인터프리트 언어(interpreted language) 이기 때문에 hello.py로 저장한 코드를 실행하고 싶다면 바로 python hello.py 명령으로 프로그램을 실행하면 된다.

Get string

이번에는 사용자로부터 문자열(string)을 받기 위한 코드를 비교해보자.

// C

#include <cs50.h>

int main(void)
{
    string answer = get_string("What's your name?\n");
    printf("hello, %s\n", answer);
}

# Python

import cs50
# or
from cs50 import get_string

answer = get_string("What's your name\n")

# 입력받은 사용자의 이름은 여러 방법으로 출력할 수 있다.

# 방법 1
print("hello, " + answer)

# 방법 2
print("hello,", answer)

# 방법 3
print(f"hello, {answer}")

#include 대신에 import를 사용해 사용하고 싶은 특정 함수만을 불러온다.
데이터 타입을(data type) 특정하지 않고 변수를 선언할 수 있다.
- 인터프리터(interpreter)가 문맥에 따라 결정한다.
문자열은 다양한 방법으로 출력할 수 있다.
- 방법 1: 두 개의 문자열 hello,와 answer를 +연산자로 결합한 뒤 출력한다.
- 방법 2: 여러 개의 인자(arguments) hello,, answer를 동시에 출력한다. 출력될 때 두 인자 사이에 자동으로 공백이 추가된다.
- 방법 3: 포맷 문자열(format string)을 사용한다. 중괄호{}안의 answer는 C에서의 %s와 비슷한 역할을 한다.
  - 포맷 문자열을 출력하기 위해서는 괄호 ( 바로 뒤에 f를 적어야 한다. 괄호를 적어주지 않은 경우 hello, {answer} 그대로 출력된다.

Increment and initialize a variable

변수를 초기화한 뒤 변수의 값을 1만큼 키우기 위한 코드를 비교해보자.

// C

int counter = 0;

counter = counter + 1;
counter += 1;
counter++;

# Python

counter = 0

counter = counter + 1
counter += 1

연산은 C언어와 동일한 방법으로 한다.
++연산은 python에서 사용할 수 없다.

Condition

조건에 따라 결과를 다르게 출력하기 위한 코드를 비교해보자.

// C

if (x < y)
{
    printf("x is less than y\n");
}
else if (x > y)
{
    printf("x is greater than y\n");
}
else
{
    printf("x is equal to y\n");
}

# Python

if x < y:
    print("x is less than y")
elif x > y:
    print("x is greater than y")
else:
    print("x is equal to y")

조건을 감싸는 괄호 ()대신 조건 마지막에 콜론(colon):을 붙여 조건을 표시하고, 조건을 만족할 때 수행할 결과는 중괄호{}로 감싸는 대신 tab으로 들여 써서 표시한다.
들여쓰기(indentation)가 코드의 중첩(nesting)을 결정하기 때문에, C와 다르게 들여쓰기를 정확히 하는 것이 중요하다.
else if 대신에 elif를 사용한다.

Boolean expressions

// C

while (true)
{
    printf("hello, world\n");
}

# Python

while True:
    print("hello, world")

True (or False) 조건의 첫 글자를 대문자로 표기한다.

Loop

// C

// while 사용
int i = 3;
while (i > 0)
{
    printf("cough\n");
    i--;
}

// for 사용
for (int i = 0; i < 3; i++)
{
    printf("cough\n")
}

# Python

# while 사용
i = 3
while i > 0:
    print("cough")
    i -= 1

# for 사용: i를 0, 1, 2로 바꿔가면서 cough를 출력
for i in [0, 1, 2]:
    print("cough")

# range function을 이용해서 간단하게 표기 가능
for i in range(3):
    print("cough")

for 이용할 때 반복마다 변하는 i의 값을 리스트(list)[0, 1, 2]를 이용해서 표현 할 수 있다.
range 함수를 이용하면 리스트로 나타낸 것과 동일하게 반복을 진행할 수 있다.
- range(3)과 [0, 1, 2]이 동일하다.
range의 시작을 0이 아닌 다른 숫자로 하고 싶으면 range(start num, last num + 1)로 표기한다.
- range(1, 4)와 [1, 2, 3]이 동일하다.

Data types in Python

코드에 명시하지는 않지만 파이썬에도 데이터 타입이 존재한다.

Data types	설명
`bool`	참, 거짓 (`true` or `false`)
`float`	실수 (real numbers)
`int`	정수 (integers)
`str`	문자열 (strings)
`range`	연속한 숫자 (sequence of numbers)
`list`	연속한 가변 값 (sequence of mutable values)
`tuple`	연속한 불 가변 값 (sequence of immutable values)
`dict`	키(key)와 대응되는 값(value)으로 이루어진 pairs의 모음 hash table과 유사
`set`	특정 값의(unique values) 모음

자세한 사항은 공식 문서인 docs.python.org 를 참고하면 된다.

Examples

Blur an image

pset4의 이미지를 불러와서 블러(blur) 시키는 프로그램.

# PIL란 library에서 Image와 ImageFilter 함수를 불러옴
from PIL import Image, ImageFilter

# 불러온 Image의 open을 이용해서 편집할 이미지 불러오기
before = Image.open("bridge.bmp")

# before에 filter를 이용해 불러온 ImageFilter의 BLUR를 적용
after = before.filter(ImageFilter.BLUR)

# after를 out.bmp로 저장.
after.save("out.bmp")

Implement a dictionary

pset5의 단어를 받아서 확인하는 프로그램

# words라는 set을 생성
words = set()

# word를 받는 check function
def check(word):

    # 받은 word를 lowercase로 만든 문자열이 words set 안에 존재하면 true를 반환
    if word.lower() in words: 
        return True
    else:
        return False

# dictionary를 받는 load function
def load(dictionary):

    # 받은 dictionary를 read mode로 file에 저장
    file = open(dictionary, "r")

    # file에 line을 한 개씩 읽어갈 때마다 반복
    for line in file:
        # line의 \n으로부터 거꾸로 잘라서(rstrip) words에 add
        words.add(line.rstrip("\n"))
    # file을 닫음
    file.close()
    return True

# words의 길이를 반환하는 size function
def size():
    return len(words)

# unload function
def unload():
    return True

C보다 코드는 간결해졌지만, 속도를 비교해보면 아주 느리다.

Check multiple conditions

사용자가 입력한 값에 따라 답변을 출력하는 프로그램. 글자 case에 상관없이 Y를 입력하면 Agreed, N을 입력하면 Not agreed를 출력한다.

from cs50 import get_string

s = get_string("Do you agree?\n")

# Y 또는 y를 입력하면 Agreed.를 출력
if s == "Y" or s == "y":
    print("Agreed.")
# N 혹은 n을 입력하면 Not agreed.를 출력
else s == "N" or s == "n"
    print("Not agreed.")

C의 ||연산자 대신 or을 사용한다.

위의 조건을 다음과 같이 표현할 수도 있다.

# s가 []안에 있는 값과 일치하면; Y 혹은 y이면, Agreed.를 출력
if s in ["Y", "y"]:
    print("Agreed.")
# s를 lowercase로 변환한 값이 y와 일치하면 Agreed.를 출력
if s.lower() in ["y"]:
    print("Agreed.")

Make function

cough를 세 번 출력하는 프로그램을 만들어보자.

# 1. cough를 세 번 출력
print("cough")
print("cough")
print("cough")

# 2. cough를 출력하는 것을 세 번 반복
for i in range(3):
    print("cough")

# 3. cough를 출력하는 cough 함수를 정의해서 cough 함수를 세 번 반복
# cough를 정의하기 전에 cough함수를 사용해서 error 발생
for i in range(3):
    cough()

def cough():
    print("cough")

# cough 함수를 main 코드보다 위에 적거나
# main 함수를 위에 쓰고 싶다면 우선 정의한 뒤 이후에 실행해야 한다.
def main():
    for i in range(3):
        cough()
    
def cough():
    print("cough")

main() # main 함수 실행

# 4. cough를 n번 실행하는 함수를 정의해서 n에 3을 입력
def main():
    cough(3)

def cough(n):
    for i in range(n):
        print("cough")

main()

def를 이용해서 함수를 정의한다.

양의 정수(Positive integer)를 입력받는 프로그램을 작성해보자.

def main():
  i = get_positive_int()
  print(i)

def get_positive_int():
    while True:
        n = get_int("Positive Integer:")
        if n > 0:
            break
    return n

파이썬에는 C의 do-while문이 존재하지 않는다.
파이썬에서 코드를 우선 한 번 실행한 뒤에 조건을 체크하는 반복문을 만들기 위해서는 while True 안에 반복하고 싶은 코드를 적어 실행한 후에 조건을 체크해서 break하는 방식을 이용한다.
C와 동일하게 break와 return을 사용할 수 있다.
파이썬에서는 동일한 함수 안이라면 변수가 선언된 위치(nesting) 밖에서도 변수를 사용할 수 있다.

Print out a row, a column, a plane

행, 열, 평면을 시각적으로 출력하는 프로그램

# 1. 하나의 행 출력 "????"

# 끝에 개행 없이 문자 `?`를 네 번 입력. 마지막줄에 개행
for i in range(4):
    print("?", end="") 
print() # 개행

# 문자열인 '?'에 숫자를 곱해서 반복할 수도 있다
print("?" * 4)

end는 문자열의 끝을 가리키며 print시 기본값은 \n이다. end="..."로 내가 원하는 값으로 바꾸거나 아무것도 입력되지 않도록 할 수도 있다.
- end 값을 ""로 지정해 기본값인 줄 바꿈 문자가 같이 출력되지 않도록 한다.

# 2. 하나의 열 출력  "#"
                      #
                      #

# #룰 세 번 출력
for i in range(3):
    print("#")

# 곱하기 연산 이용 (print에 의한 개행을 없애지 않으면 마지막에 빈 한 줄이 생긴다)
print("#\n" * 3, end="")

# 3. 3 x 3 평면 출력 "###"
                      ###
                      ###

# nested loop: 개행 없이 '#' 세 번 출력 후 개행 하는 것을 세 번 반복
for i in range(3):
    for j in range(3):
        print("#", end="")
    print()

Overflow

파이썬에서는 integer overflow가 일어나지 않는다.
숫자를 키우면 컴퓨터의 메모리를 가득 채울 때까지 계속 커진다.
Floating-point imprecision 역시 십진수를 필요한 비트만큼 사용해서 나타낼 수 있는 라이브러리를 이용하면 방지할 수 있다.

List

리스트에 점수를 입력하고 평균을 구하는 프로그램을 작성해보자.

# list score 선언
score = []

# score에 점수 값 추가
score.append(72)
score.append(73)
score.append(33)

# list를 선언할 때 값을 바로 초기화 할 수도 있다
score = [72, 73, 74]

# 평균 계산 (scores의 총합을 scores의 크기로 나눔)
print(f"Average: {sum(scores) / len(scores)}")

리스트는 대괄호 []를 이용해 선언하고 초기화한다.
리스트의 크기는 처음 선언한 원소(element)의 개수로 정해지고 추가할 때마다 자동으로 늘어난다.

리스트를 이용해서 문자열을 출력해보자.

# String 입력
s = get_string("Input: ")

# string 출력
print(s)

# Bracket notation 이용
for i in range(len(s)):
    print(s[i], end="")
print()

# 'iterate*' over each character
# s의 각 character가 끝날 때까지 character 출력을 반복
for c in s:
    print(c, end="")
print()

파이썬에서도 브라켓 표기법(bracket notation)을 사용할 수 있다.

* Iterate: 컨테이너를 구성하는 원소를 하나씩 반환하면서 각 원소에 대해 동일한 코드를 반복하는 것을 의미한다. 위의 예시에서는 문자열을 구성하고 있는 문자를 차례대로 반환하여 출력한다.

More features

Command-line argument

명령 줄(command-line)을 받아서 출력해보자.

# command line을 받기 위해 sys library의 argv를 이용
from sys import argv

# argv: list of strings
# command-line에서 받은 argv의 수만큼 argv를 출력
for i in range(len(argv)):
    print(argv[i])

# iterate over the list
# list의 argument(string)이 끝날 때까지 argument 출력을 반복
for arg in argv:
    print(arg)

sys library의 argv를 이용해서 명령 줄 인자(command-line argument)를 받을 수 있다.

충분한 명령 줄 인자를 입력받지 못했을 때(하나의 명령 줄 인자만 입력받았을 때) 에러 메시지(error message)를 출력해보자.

from sys import argv, exit

if len(argv) != 2:
    print("missing command-line argument")

    # error를 알리기 위해 1을 반환하고 exit. return과 같은 역할
    exit(1)

print(f"hello, {argv[1]}")

# 정상 작동을 알리기 위해 0을 반환하고 exit.
exit(0)

sys library의 exit을 이용해서 return처럼 값을 반환하고 실행을 종료할 수 있다.

Linear search

리스트 안의 원소를 확인해서 그 원소의 존재 여부를 확인하는 프로그램을 작성해보자.

import sys

names = ["EMMA", "RODRIGO", "BRIAN", "DAVID"]

if "EMMA" in names:
    print("Found")
    sys.exit(0) # sys library의 exit 함수 사용
print("Not found")
sys.exit(1)

조건을 적어주는 것만으로 리스트(i.e., names) 안의 원소를 탐색할 수 있다.

Dictionary

# dictionary인 people을 선언 및 초기화
people = {
    "EMMA": "617-555-0100", 
    "RODRIGO": "617-555-0101", 
    "BRIAN": "617-555-0102"
}

if "EMMA" in people:
    # Found와 EMMA의 phone number (617-555-0100) 출력
    print(f"Found {people['EMMA']}")
    sys.exit(0)
print("Not found")
sys.exit(1)

딕셔너리(Dictionary)는 중괄호 {}를 이용해서 선언하고 초기화한다.
딕셔너리는 키(key)와 값(value) 한 쌍으로 이루어져 있다.
- 키와 값은 세미콜론으로, 각 쌍은 쉼표로 구분한다.
인덱스(index)가 단어인 배열(array)로 생각할 수 있다.

String comparison

두 개의 문자열을 입력받아 비교하는 프로그램을 작성해보자.

s = get_string("s: ")
t = get_string("t: ")

if s == t:
    print("Same")
else: 
    print("Different")

파이썬에서는 비교 연산자 ==로 문자열을 바로 비교할 수 있다.

s = get_string("s: ")

t = s

print(f"s: {s}")
print(f"t: {t}")

문자열을 바로 복사하는 것도 가능하다.

Swap

x = 1
y = 2

print(f"x is {x}, y is {y}")

# swap x and y
x, y = y, x
print(f"x is {x}, y is {y}")

파이썬에서는 순서를 바꿔서 대입하면 스왑(swqp)할 수 있다.

Files

csv 파일을 열고 편집하는 프로그램을 작성해보자.

# csv file을 사용하는 데 도움을 주는 library
import csv
from cs50 import get_string

# phonebook.csv file을 append mode로 불러서 file에 저장
file = open("phonebook.csv", "a")

# name과 number를 사용자로부터 입력받음
name = get_string("Name: ")
number = get_string("Number: ")

# csv안의 writer를 이용해서 file로부터 writer를 만든 뒤
writer = csv.writer(file)

# writer에 writerow를 이용해서 입력받았던 name과 number를 기재
# tuple (name, number)를 만들어서 single argument로 writerow에 전달될 수 있도록 함
writer.writerow((name, number))

file.close()

# with를 사용해서 file을 이용하는 과정을 간소화
# file close 생략 가능
with open("phonebook.csv", "a") as file:
    writer = csv.writter(file)
    writer.writerow((name, number))

New features

Regular Expressions

파이썬에는 문자열과 동일시 할 수 있는 패턴인 정규 표현식(regular expression) 이 존재한다.

정규 표현식은 다음과 같은 것을 사용해서 작성할 수 있다.

표현식	동치 대상
`.`	문자 (any characters)
`.*`	0개 이상의 문자 (0 or more characters)
`.+`	1개 이상의 문자 (1 or more characters)
`?`	선택적인 것 (something optional)
`^`	input의 시작 (start of input)
`$`	input의 끝 (end of input)

예를 들어 multiple condition에서 봤던 사용자가 입력한 값에 따라 답변을 출력하는 프로그램을 다음과 같이 만들 수도 있다.

# regular expression을 위한 re library를 import
import re
from cs50 import get_string

s = get_string("Do you agree?\n")

# re.search는 뒤의 입력값 's'에 앞의 입력값 '^y(es)?$'가 있는지 확인한다.
# re.IGNORANCE argument를 추가로 받으면 lettercase를 무시한다.

# 'es'가 optinal한 y; 즉 y 혹은 yes가 입력받은 s에 있으면 조건을 만족한다.
# yes 앞/뒤를 ^와 $로 제한해서 uhhhm, yes 등의 답변은 조건을 만족하지 못하도록 한다.
if re.search("^y(es)?$", s, re.IGNORANCE):
    print ("Agreed.")

# 'o'가 optinal한 n; 즉 n 혹은 no가 입력받은 s에 있으면 조건을 만족한다.
# no 앞/뒤를 ^와 $로 제한한다.
elif re.search("^no?$", s, re.IGNORANCE):
    print("Not agreed.")

# 두 조건 다 만족하지 못하면 아무것도 출력하지 않는다.

Speech Recognition

Google에서 제공하는 speech_recognition library를 이용해 음성을 인식해서 출력하거나 응답하는 프로그램을 만들 수 있다.

# speech_recognition library를 불러옴
import speech_recognition

recognizer = speech_recognition.Recognizer()

# 마이크를 이용해서 받은 음성을 source에 저장한 뒤
# 나중에 작성
with speech_recognition.Microphone() as source:
    print("Say something!")
    audio = recognizer.listen(source)

# 1. recognizer가 인식한 문자열을 출력
print("Google Speech Recognition thinks you said: ")
print(recognizer.recognize_google(audio))

# 2. 인식한 문자열에 따라 다른 대답을 출력

# recognizer가 인식한 문자열을 words에 저장
words = recognizer.recognize_google(audio)

# words에 따른 응답
if "hello" in words:
    print("Hello to you too!")
elif "how are you" in words:
    print("I am well, thanks!")
elif "goodbye" in words:
    print("Goodbye to you too!")
else:
    print("Huh?")

# 3. regular expressions를 사용해서 문자열의 일부로 사용

# recognizer가 인식한 문자열을 words에 저장
words = recognizer.recognize_google(audio)

# words가 my name is 이후에 0개 이상의 string이 나오는 형태와 일치하는지 확인
matches = re.search("my name is (.*)", words)

# 일치하면 matches의 두 번째 string (이름)을 Hey에 이어서 출력
if matches:
    print(f"Hey, {matches[1]}.")
else:
    print("Hey you.")