آشنایی با کتابخانه های پایتون

کتابخانه های پایتون فهرست بزرگی از ابزارهای کاربردی را در اختیار شما قرار می‌دهند. شاید از تنوع در این مورد شگفت‌زده شوید و این یکی از مزایای اختصاصی پایتون در مقایسه با بسیاری از زبان‌ها است. از کتابخانه های محاسباتی پایتون گرفته تا ابزارهای هوش مصنوعی و طراحی گرافیکی، همه‌و‌همه در این فهرست قرار دارند تا خیال شما را از هر نظری راحت کنند. در دنیای امروزی، در هر رشته دانشگاهی که تحصیل کرده باشید، مطمئنا نیاز دارید تا از قابلیت‌های این زبان نیز برای انجام امور استفاده کنید. 

در این مطلب با معروف ترین کتابخانه های پایتون و کاربردی ترین آن‌ها آشنا می‌شویم.

کتابخانه پایتون

کتابخانه که در برنامه‌نویسی با نام Library نیز شناخته می‌شود، مجموعه‌ای از ماژول‌ها و کدهای آماده است. شما می‌توانید به راحتی و در چند ثانیه این بسته ماژول‌ها را به پروژه‌تان اضافه کرده و استفاده از آن را شروع کنید. تصور کنید که نوشتن یک کتابخانه خاص در زبان‌های مختلف که کار توابع json یا math را انجام دهد، چقدر زمان از شما خواهد گرفت. در عمل، شاید چند هفته مشغول این کار باشید و در نهایت هم به نتیجه دلخواه نرسید. 

جامعه توسعه‌دهندگان در زبان‌های مختلف فعالیت خود را روی توسعه چنین قابلیت‌هایی متمرکز می‌کنند. بنابراین، سایر افراد تازه‌کار یا حرفه‌ای می‌توانند از کدهای آماده و توسعه داده شده استفاده کنند و برای پروژه‌های شخصی یا حرفه‌ای خود چنین قابلیت‌هایی را در اختیار داشته باشند. 

اهمیت و نقش کتابخانه ها در پایتون

مهم‌ترین نکته زمانی که شما یک کتابخانه پایتون را به پروژه‌تان اضافه می‌کنید، رسیدن به صرفه‌جویی زمانی بالا است. توابع موردنیاز اکثرا در چنین کتابخانه‌هایی آماده هستند و کار شما تنها اضافه کردن یک خط در ابتدای کد است تا بتوانید از این توابع کاربردی استفاده کنید. 

برای مثال، در صورتی که هدف ما ارتباط گرفتن با یک API روی سرور باشد، تنها کافی است تا کتابخانه requests را نصب کنیم. پس از این کار، در ابتدای کد این کتابخانه پایتون را اضافه می‌کنیم تا در قدم بعدی درخواست get را با استفاده از آن به API ارسال کنیم:

import requests
response = requests.get('https://api.example.com/data')
print(response.json())

کاربرد کتابخانه ها در پایتون

کتابخانه های پایتون کاربرد متنوعی دارند و با این ابزارها می‌توانید برای ساده‌تر کردن فرآیندهای توسعه نرم‌افزار استفاده کنید. کتابخانه ها در پایتون کمک خواهند کرد تا بتوان به کارایی و کیفیت کد بهتری دست پیدا کرد و با خیال راحت برنامه‌های حرفه‌ای را در این زبان توسعه داد. 

از جمله کاربردهای این کتابخانه‌ها می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• محاسبات عددی و علمی
• تحلیل و پردازش داده
• یادگیری ماشین و هوش مصنوعی
• تجسم داده
• توسعه وب
• اتصال به پایگاه داده
• مدیریت و پردازش فایل‌ها
• شبکه و پروتکل‌های اینترنتی
• پردازش متن و زبان طبیعی
• تست و تضمین کیفیت

در ادامه مطلب با این کتابخانه های پایتون آشنا می‌شویم.

چگونه کتابخانه مورد نیاز را انتخاب کنیم؟

برای انتخاب بین کتابخانه های پایتون می‌توانید یک جستجوی سریع در اینترنت انجام دهید. پس از این کار، لازم است تا در مورد کتابخانه انتخابی خوب تحقیق کنید تا محبوبیت و کارایی آن را متوجه شوید. شاید بعضی از ابزارها مدت زیادی است که به روز رسانی نشده‌اند پس بهتر است همواره به سمت استفاده از کتابخانه‌های زنده و به روز حرکت کنید.

در این آدرس اینترنتی فهرستی از کتابخانه‌ها به صورت دسته‌بندی شده در اختیار شما قرار دارد. بنابراین، در حوزه مورد علاقه خود می‌توانید لیست موردنظر را بررسی کرده و کتابخانه موردنیاز را انتخاب کنید. 

انواع کتابخانه های پایتون

اگر صادقانه صحبت کنیم، بیش از ده‌ها کتابخانه و فریم‌ورک در این زبان وجود دارند که با صرف چند ثانیه می‌توانید آن‌ها را به پروژه خود اضافه کنید. در این بخش با کاربردی‌ترین این ابزارها آشنا می‌شویم:

کتابخانه های استاندارد پایتون

در هر زبان برنامه‌نویسی کتابخانه‌های استانداردی وجود دارند که به صورت ذاتی با نصب آن در اختیار شما قرار خواهند گرفت. از این ابزارها می‌توان برای انجام وظایف مختلف مانند مدیریت فایل، عملیات ریاضی، دستکاری رشته‌ها و انجام عملیات شبکه استفاده کرد:

• کتابخانه os: این قابلیت به کاربر امکان ارتباط گرفتن با os را خواهد داد و از آن می‌توانید برای مدیریت فایل‌ها و دایرکتوری‌ها استفاده کنید. 
•  کتابخانه math: این قابلیت یکی از محبوب‌ترین ویژگی‌ها در زبان پایتون است که با اضافه کردن آن به برنامه خود می‌توانید عملیات پیچیده ریاضی را انجام دهید. محاسبه عملیاتی مانند جذر، سینوس و لگاریتم از جمله مزایای این کتابخانه است. 
• کتابخانه datetime: کتابخانه datetime در سایر زبان‌های برنامه‌نویسی نیز وجود دارد و از آن می‌توان برای کار با تاریخ و زمان استفاده کرد. ارائه قابلیت‌هایی مانند فرمت‌بندی و تجزیه‌و‌تحلیل تاریخ و زمان از ویژگی‌های این کتابخانه است.
• کتابخانه json: این قابلیت به توسعه‌دهنده اجازه می‌دهد تا با داده‌های JSON کار کند و پس از ارسال و دریافت درخواست به سرور، دیتای موردنظر را تحلیل کند.
• کتابخانه random: با این قابلیت در پایتون می‌توانید اعداد تصادفی تولید کنید یا از بین لیستی از اعداد به صورت تصادفی انتخاب کنید. 

کتابخانه های علمی و محاسباتی

پایتون اصولا یک زبان برنامه‌نویسی محاسباتی و علمی است. به همین دلیل است که قابلیت‌های متنوعی را در این مورد در اختیار خواهید داشت:

• ابزار NumPy: این کتابخانه یکی از کاربردی‌ترین و معروف‌ترین کتابخانه های پایتون است که امکانات ریاضی متعددی را در اختیار توسعه‌دهنده قرار می‌دهد. با این قابلیت می‌توانید عملیات محاسباتی روی توابع، آرایه‌ها و اعداد تصادفی را انجام دهید. 
• ابزار SciPy: ابزار SciPy کاربرد بی نظیری در این زبان دارد و با استفاده از آن می‌توان محاسبات پیشرفته علمی و ریاضی را انجام داد. برای مثال، با SciPy می‌توانید انتگرال یا مشتق یک تابع را محاسبه کنید. 
• ابزار Pandas: در صورتی که هدف شما کار با داده‌های جدولی و سری‌ها است، مطمئنا باید Pandas را در این زبان بیاموزید. با این کتابخانه امکان تجزیه‌وتحلیل داده‌های ساختاریافته فراهم است.  
• ابزار Matplotlib: شاید بتوان Matplotlib را محبوب‌ترین کتابخانه مصورسازی و رسم نمودار در پایتون به حساب آورد. در این کتابخانه بسیاری از قابلیت‌ها را در اختیار دارید که از آن جمله می‌توان به رسم نمودارهای خطی، ستونی و پراکنده اشاره کرد. 
• ابزار SymPy: جبر در ریاضی یکی از شاخه‌های محبوب و کاربردی است. بنابراین، پایتون برای محاسبات جبری نیز کتابخانه قدرتمندی به نام SymPy را آماده کرده است. با این کتابخانه پایتون می‌توان عملیات ساده‌سازی ریاضی، حل معادلات و محاسبات انتگرال را به انجام رساند. 

کتابخانه های یادگیری ماشین و هوش مصنوعی

پایتون شاید تنها گزینه قدرتمند، محبوب و کاربردی در حوزه یادگیری ماشین و هوش مصنوعی باشد. به همین دلیل است که فهرست بزرگی از کتابخانه های پایتون در این حوزه در اختیار شما قرار دارد:

• ابزار scikit-learn: ابزار scikit-learn از جمله کاربردی‌ترین قابلیت‌ها برای تحلیل دیتا در این زبان است که الگوریتم‌های بسیاری را نیز در اختیار شما قرار خواهد داد. این قابلیت به شما امکان این را خواهد داد تا پردازش داده‌ها را به صورت دقیق و کامل انجام دهید و مواردی مانند طبقه‌بندی، رگرسیون، خوشه‌بندی و کاهش ابعاد را روی مثال‌های مختلف عملی کنید. 
• ابزار TensorFlow: ابزار TensorFlow یکی از قدرتمندترین ویژگی‌های پایتون در حوزه یادگیری عمیق و شبکه‌های عصبی است. شما می‌توانید از این ابزار به صورت آنلاین نیز استفاده کنید یا برای دسترسی به ویژگی‌های آن امکان نصب کتابخانه روی سیستم محلی نیز فراهم است. 
• ابزار PyTorch: کتابخانه محبوب و قابل اتکایی در پایتون وجود دارد که برای یادگیری عمیق و هوش مصنوعی به کار می‌رود. PyTorch نام این کتابخانه است که با استفاده از آن می‌توانید به انعطاف‌پذیری بالا در مدل‌های عصبی دست پیدا کنید. 
• ابزار Keras: ابزار Keras رابط کاربری سریع و آسانی را در اختیار شما قرار می‌دهد و در آن می‌توانید مدل‌های شبکه عصبی را ایجاد کرده و تست‌‌های موردنیاز را روی آن اجرایی کنید. 

کتابخانه های توسعه وب

پایتون در سال‌های اخیر به دنیای وب نیز نفوذ پیدا کرده است و کتابخانه های پایتون در این مورد هم قدرتمند عمل می‌کنند. با این حال، تنها ۳ کتابخانه این زبان بین توسعه‌دهندگان محبوبیت بالایی دارند:

• کتابخانه Django: جنگو یک فریم‌ورک ساختاریافته و سطح بالا است که قابلیت‌های جامعی را در اختیارتان قرار می‌دهد. از این قابلیت می‌توانید برای بخش بکند وب استفاده کنید و با استفاده از آن برنامه‌های پیچیده یا حتی ساده وب را توسعه دهید. 
• کتابخانه Flask: محبوبیت Flask نسبت به جنگو کمتر است اما همچنان Flask را می‌توان به عنوان یکی از بهترین کتابخانه های پایتون به حساب آورد. امکان توسعه APIهای سبک و کوچک با این قابلیت فراهم است و می‌توانید بخش بکند وب سایت‌ها را با این ابزار طراحی کرده و توسعه دهید.
• کتابخانه FastAPI: این قابلیت سرعت بسیار مناسبی دارد و معمولا برای طراحی و توسعه APIها می‌توان از آن استفاده کرد. 

کتابخانه های پردازش متن و زبان طبیعی

کتابخانه های پایتون در مورد پردازش متن و زبان طبیعی شامل موارد متعددی است. این قابلیت پایتون NLP نام دارد و توسعه‌دهندگان و محققان می‌توانند با استفاده از آن به تحلیل، پردازش و استخراج اطلاعات از داده‌های متنی بپردازند:

• کتابخانه NLTK: اگر هدف شما آموزش عمیق مباحث زبان‌شناسی و محاسباتی است، با استفاده از کتابخانه پایتون NLTK می‌توان این کار را انجام داد. با این قابلیت امکان تجزیه نحوی، برچسب گذاری و تجزیه جملات در اختیار شما است. 
• کتابخانه spaCy: این کتابخانه پایتون را می‌توان در مقیاس صنعتی و تجاری مورد استفاده قرار داد و این ابزار یکی از محبوب‌ترین ابزارهای پردازش زبان طبیعی در پایتون است. در حال حاضر، spaCy از بیش از ۷۵ زبان دنیا پشتیبانی می‌کند و سیستم آن را می‌توان به صورت همزمان با TensorFlow و PyTorch استفاده کرد. 
• کتابخانه TextBlob: کتابخانه پایتون TextBlob برای تجزیه‌وتحلیل داده‌های متنی مورد استفاده قرار می‌گیرد و با استفاده از آن می‌توان پردازش‌های ساده و متوسط را انجام داد. اموری مانند استخراج کلمات، دسته‌بندی و … را می‌توان با TextBlob انجام داد. 

کتابخانه های تحلیل و پردازش داده های بزرگ

پایتون دارای مجموعه‌ای از کتابخانه‌ها و فریم‌ ورک‌های قدرتمند برای تحلیل و پردازش داده‌های بزرگ (Big Data) است. این امکانات به توسعه‌دهندگان و تحلیل‌گران داده کمک می‌کنند تا به سرعت و با کارایی بالا داده‌های حجیم را پردازش و تحلیل کنند. در زیر بعضی از مهم‌ترین کتابخانه‌ها و فریم‌ ورک‌های پایتون برای تحلیل و پردازش داده‌های بزرگ معرفی شده‌اند:

• ابزار اسپارک: آپاچی اسپارک یکی از محبوب ترین کتابخانه های پایتون در حال حاضر است که برای تحلیل و پردازش دیتاهای بزرگ مورد استفاده قرار می‌گیرد. با نصب این قابلیت روی سیستم خود می‌توانید پردازش دسته‌ای یا جریانی داده‌های بزرگ را انجام دهید و از ویژگی‌های متمایز آن می‌توان به پشتیبانی از SQL اشاره کرد. 
• ابزار DASK: کتابخانه DASK برای پردازش داده‌های بزرگ به صورت موازی و توزیع شده مورد استفاده قرار می‌گیرد. در این کتابخانه پایتون می‌توانید قابلیت‌هایی مانند آرایه‌های توزیع شده و دیتا فریم‌ها را در اختیار داشته باشید. 
• ابزار Vaex: این کتابخانه یک چارچوب قدرتمند یادگیری ماشین است که به صورت سریع می‌توانید آن را روی سیستم خود نصب کرده و راه‌اندازی کنید. در این چارچوب امکان دسترسی به راه حل‌های مبتنی بر علوم داده و قابلیت‌های متنوع نظارتی فراهم است. 

کتابخانه های رابط کاربری گرافیکی (GUI)

از نظر کتابخانه‌های رابط کاربری، پایتون یکی از بهترین محصولات نرم افزاری در دنیای کنونی است. با کتابخانه های پایتون می‌توانید رابطهای گرافیکی قدرتمند و مدرنی را طراحی کرده و در اختیار شرکت‌ها قرار دهید. سه ابزار زیر از جمله محبوب ترین و بهترین کتابخانه های پایتون برای طراحی رابطهای گرافیکی به شمار می‌روند:

• کتابخانه Tkinter: برای ساخت رابطهای کاربری ساده و کاربرپسند می‌توانید از کتابخانه Tkinter استفاده کنید. این ابزار یکی از بهترین کتابخانه های پایتون است و ویجت‌های زیبا و کاملی را در اختیار شما قرار می‌دهد. 
• کتابخانه PyQt: در صورتی که هدف شما طراحی رابطهای کاربری با پایتون است، شاید PyQt یکی از بهترین گزینه‌ها برای این کار باشد. این کتابخانه پایتون برای طراحی رابطهای پیچیده و حرفه‌ای به کار می‌رود. 
• کتابخانه wxPython: معمولا توسعه‌دهندگان برای طراحی و ساخت رابطهای GUI چند سکویی از wxPython استفاده می‌کنند. این کتابخانه دارای ویجت‌های متنوع و پیشرفته‌ای است و از طراحی‌های شخصی‌سازی شده نیز می‌توانید در این کتابخانه استفاده کنید. 

کتابخانه های شبکه و ارتباطات

پایتون در مورد شبکه و ارتباطات قدرتمند عمل می‌کند و با استفاده از کتابخانه های پایتون می‌توانید ارتباطات شبکه را برقرار کنید. این ابزارها از پروتکل‌های متعددی پشتیبانی می‌کنند که در این بخش با بهترین آن‌ها آشنا می‌شویم:

• ابزار Socket: این ابزار یکی از قدرتمندترین کتابخانه‌هایی است که برای برقراری ارتباطات شبکه‌ای در پایتون به کار خواهد رفت. با استفاده از پروتکل‌های مختلف در این ابزار می‌توانید به صورت سریع و مطمئن تبادل دیتا را داخل شبکه انجام دهید. 
• ابزار asyncio: این ابزار از جمله بهترین کتابخانه های پایتون برای ارتباطات شبکه است. با این قابلیت می‌توانید مدیریت تبادل اطلاعات ناهمگام را انجام دهید. 
• ابزار requests: این ابزار شاید یکی از معروف‌ترین ابزارهای پایتون برای برقراری ارتباطات http باشد. استفاده از requests بسیار سریع و آسان است و برای دریافت پاسخ از سرور می‌توان از آن استفاده کرد. 

کتابخانه های امنیت و رمزنگاری

پایتون برای امنیت و رمزنگاری کتابخانه‌های قدرتمند و پرکاربردی دارد که به شما امکان این را می‌دهند تا داده‌های حساس را امن نگه دارید، ارتباطات ایمن برقرار کنید و انواع الگوریتم‌های رمزنگاری را پیاده‌سازی کنید. در زیر تعدادی از این کتابخانه‌ها معرفی شده‌اند:

• ابزار PyCrypto: این ابزار یکی از مطمئن‌ترین و محبوب‌ترین کتابخانه های پایتون در دنیای کنونی به شمار می‌رود. با استفاده از PyCrypto می‌توان عملیات رمزنگاری را انجام داد و از الگوریتم‌هایی مانند RSA و DSA برای رمزگذاری استفاده کرد.
• ابزار Cryptography: این ابزار را می‌توان برای رمزنگاری مدرن و تولید و مدیریت کلیدها به کار برد. همچنین، در صورتی که نیاز به امضاهای دیجیتال داشته باشید، کتابخانه استاندارد کریپتوگرافی از بهترین گزینه‌ها برای استفاده است. 

کتابخانه های اتوماسیون و اسکریپت نویسی

کتابخانه های پایتون در مورد اتوماسیون و اسکریپت‌نویسی دارای تنوع بالایی هستند و با استفاده از آن‌ها می‌توانید اتوماسیون فرآیندها و اجرای خودکار امور را انجام دهید:

• کتابخانه Selenium: از این ابزار می‌توان برای اتوماسیون و تست وب سایت‌ها استفاده کرد و به قابلیت‌های خودکارسازی متعددی دسترسی پیدا کرد. 
• کتابخانه Autolt: این کتابخانه برای مدیریت و کنترل فرآیندهای تحت سیستم‌عامل به کار می‌رود. برای مثال، در مورد مدیریت کلیک‌ها یا جابجایی موس می‌توان از این ابزار استفاده کرد. 
• کتابخانه Ansible: کتابخانه Ansible یکی از کاربردی‌ترین قابلیت‌ها در دنیای پایتون است که با استفاده از آن می‌توان سیستم‌های اتوماسیون IT را مدیریت کرد. این کتابخانه پایتون دارای یک جامعه توسعه‌دهندگان بزرگ است. 

کتابخانه های تست و اشکال زدایی

برای زبان پایتون کتابخانه‌های مختلفی وجود دارد که با استفاده از آن می‌توانید تست و اشکال‌زدایی موثر و مطمئن را انجام دهید. با این تست‌ها امکان شناسایی و رفع مشکلات کدها به راحتی فراهم خواهد بود:

• ابزار pytest: این ابزار یکی از معروف‌ترین قابلیت‌ها برای تست‌نویسی در پایتون است که برای نوشتن تست‌های واحد و پیچیده می‌توانید از آن استفاده کنید. از امکانات آن قابلیت گزارش‌گیری سریع است. 
• ابزار unittest: کتابخانه تست‌نویسی unittest برای نوشتن تست‌های ساده و پیچیده کاربردی است و با استفاده از آن می‌توانید مشابه JUnit جاوا تست‌ها را روی کدهای خود اعمال کنید. 
• ابزار nose2: این ابزار مشابه unittest در پایتون عمل می‌کند اما قابلیت‌های بسیار بیشتری را در اختیار شما قرار خواهد داد. از جمله مزایای این کتابخانه می‌توان به پشتیبانی از پلاگین‌ها و تست‌های پیچیده اشاره کرد. 

جمع بندی 

زبان پایتون یکی از ابزارهایی است که رشد سریع و قابل توجهی در سال‌های اخیر به خود دیده است. شاید هیچ زبانی به این اندازه رشد نداشته است و این به دلیل سادگی در استفاده و تنوع در کتابخانه‌های کاربردی است. بهتر است به این موضوع اشاره کنیم که شما باید روی حوزه مورد علاقه‌تان در این زبان تمرکز کنید چرا که آموزش تمامی این کتابخانه‌ها و فریم ورک‌ها زمان‌بر است و در نهایت نیز نمی‌توانید به نتیجه مطلوب دست پیدا کنید. با آموزش کتابخانه های پایتون یک مزیت اختصاصی در اختیار شما است تا با خیال راحت وارد بازار کار در این حوزه شوید.