Vorbemerkungen

Dieses Tutorial versteht sich als unterstützende Hilfestellung bei der Installation von Jupyter, einer browserbasierten Umgebung zur Pythonprogrammierung. Es umreißt die notwendigen Vorkehrungen und versucht, die Prozesse nachvollziehbar zu erklären, dass der Einstieg in Jupyter problemlos gelingt.

Da sich das Tutorial an Anwender - auch ganz ohne Vorkenntnisse - richtet, ist es nicht sein Ziel, alles en detail zu beleuchten.

Vielmehr wird zur Installation von Juypter relativ viel Information zur Vorbereitung geliefert. So werden Einführungen zur generellen Arbeit im Dateisystem und zum Umgang mit der Kommandozeile einen relativ großen Platz einnehmen. Zwar ist die Installation von Jupyter möglich ohne diese Vorkenntnisse, aber schon während der Arbeit mit Jupyter-Notebooks ist es notwendig, mit Pfaden zu arbeiten, wie es im Abschnitt "Ordnerstruktur verstehen" erklärt wird. Um Jupyter oder eigene Python-Skripte zu starten bietet es sich oft an, dies aus der Kommandozeile heraus zu tun. Deswegen - aufbauend auf das Wissen um Ordnerstrukturen und Dateisysteme - folgt dann ein Abschnitt, der beim Einstieg in die Arbeit mit der Kommandozeile hilft.

Für weiterführende Lekture werden, wo sinnvoll, Empfehlungen gegeben. Auch können trotz sorgfältiger Vorbereitung wahrscheinlich nicht alle denkbaren (Fehler)Fälle abgedeckt werden, in denen sich Anwender Unterstützung wünschen - eingesetzte Hard- und Software und Vorwissen sind einfach zu vielfältig. Das Tutorial nährt sich aus Erfahrungen häufiger Probleme vorangegangener Semester und versteht sich auch als weiter im Aufbau befindlich.

Python

Jupyter weißt bereits darauf hin, dass mit Python (genauer gesagt in der 3. Version) gearbeitet wird. Python gilt als leicht erlernbare Programmiersprache, deren bereits großer Funktionsumfang mit Hilfe von Bibliotheken enorm erweitert werden kann, sodass Python sich nicht nur wachsender Beliebtheit erfreut, sondern auch in allen Bereichen von Data Science und Machine Learning eingesetzt wird. Auch wenn Python leicht zu erlernen ist, lernt man programmieren am Besten durch Programmieren. Deswegen anbei ein paar hilfreiche Links, die beim (Python) Programmierenlernen helfen.

Tutorials

• W3Schools Python Tutorial
• Python-Kurs.eu
• Realpython

Live Python-Code ausprobieren und erklären lassen:

• Pythontutor

Einfache Alltagsprobleme mit Python automatisch lösen:

• Automatetheboringstuff

Nun folgen zwei kurze Abschnitte, in denen die Arbeit mit Ordnerstrukturen und der Kommandozeile behandelt wird. Auch wenn im Anschluss daran mit dem Softwarepaket Anaconda eine sehr einfache, vollautomatische Lösung zur Installation einer vollständigen Entwicklungsumgebung vorgestellt wird, die eine Menge Konfigurations- und Verwaltungsarbeit erspart, ist ein Verständnis von Ordnerstrukturen und der Kommandozeile spätestens bei Auftreten von Problemen unerlässlich. Häufig ist eine Arbeit mit der Kommandozeile die einzige Option. Aber schon, wenn es darum geht, später kleine Skripte zu schreiben, die mit Dateien arbeiten, ist dieses Wissen unumgänglich. Die ersten eigenen Programme werden auch in der Kommandozeile laufen und kein anderes Benutzerinterface haben.

Ordnerstruktur verstehen

Um nachzuvollziehen, was während der Installation von Jupyter und generell bei der Arbeit in der Kommandozeile passiert, hier ein kurzer Überblick der Strukturierung im Dateisystem. Es ist notwendig, zu verstehen, wie Pfadangaben zum Beispiel mit graphischen Dateimanagern zusammenhängen.

Exemplarisch sei hier folgende Verzeichnisstruktur vorausgesetzt:

Windows:

C:
|--Users
    |--%USER%
          |--Desktop
          |--Dokumente
          |--Bilder

Linux:

/
|--home
    |--<username>
          |--Desktop
          |--Dokumente
          |--Bilder

Wo liegen Order, die auf dem Desktop/Schreibtisch zu sehen sind?

Als kleines Beispiel dient hier der Dateiablageort "Desktop". Dieser befindet sich in C:\Users\%USER%\Desktop in Windows und /home/<username>/Desktop ¹.

Dabei fällt auf, dass sich in den Pfadangaben von Windows \ und Linux / unterscheiden. Dies führt gerne zu Problemen.

Verzeichnis/Ordner wechseln

Möchte man in den übergeordneten Ordner C:\Users\%USER%\ oder /home/<username>/ wechseln, gibt man cd ..² ein. Durch cd Dokumente wechselt man vom übergeordneten Ordner eine Ebene tiefer nach Dokumente. Es ist sehr wichtig, sich das klarzumachen.

Absolute und relative Pfadangaben

Um zwischen verschiedenen Orten zu navigieren kann man relative Pfadangaben (vom Ort aus, an dem man sich befindet) oder absolute Pfadangaben verwenden. Vom Ort C:\Users\%USER%\Dokumente oder /home/<username>/Dokumente aus gibt es zwei Wege, um in den Ordner Bilder zu wechseln:

• cd.., vom relativen Pfad aus eine Ebene höher zu steigen und dann cd Bilder, um eine Ebene tiefer, in den gewünschten Ort zu wechseln
• cd C:\Users\%USER%\Bilder oder cd /home/<username>/Bilder, um, egal, wo man sich befindet, direkt in den absoluten Ordner zu wechseln.

Noch einige Hinweise zur Fehlervermeidung/-suche:

• Pfade ohne Leerzeichen erstellen! → Fehlerquelle

  • Nicht so: "C:\Users\My Name" Leerzeichen in Windows müssen in Skripten (vor allem bei Betriebssystemübergreifenden Arbeiten) mit backslash escaped werden, da es sonst Fehler gibt: "C:\Users\My\ Name" In Zusammenhang mit Windows kann das zu folgenden Konstruktionen fürhen, in denen die Pfadbackslashes nochmal escaped werden müssen: "C:\\Users\\My\ Name"
  • Besser: "C:\Users\My_Name" oder C:\Users\MyName

• (Installations)Pfad(e) merken (für alle OS) erleichtert spätere Installationen/Problemlösungen

Nach dem Überlick über das Arbeit im Dateisystem folgt eine kleine Einführung in den Umgang mit der Kommandozeile. Der Einstieg dürfte nun leicht fallen, da jetzt schon ein Gefühl dafür besteht, wo man gerade im System arbeitet und was die angezeigten Pfade bedeuten.

Kommandozeile / Terminal

Die Kommandozeile ist eine der ersten Möglichkeiten, mit einem Programm (oder dem Betriebssystem) zu interagieren³. Zwar wirkt der Umgang mit der Kommandozeile oft kompliziert, da dieser im Folgenden aber unumgänglich ist, hier einige kurze einleitende Worte. Man wird schnell merken, das jede Angst der Benutzung unbegründet ist und die Nutzung der Kommandozeile für alltägliche Arbeiten oft der effizienteste Weg.

Die Kommandozeile gibt es auf jedem Betriebssystem und sie funktioniert auch überall ziemlich ähnlich. Unter Windows startet man sie durch Drücken von Windowstaste + R und der Eingabe von CMD. Unter Linux benutzt man dafür das Terminal, auf einigen Distributionen drückt man ALT + CTRL + T. Ein weiterer Weg, die Kommandozeile zu öffnen ist, im Dateiexplorer per Rechtsklick ein Kontextmenü zu öffnen und dort * was genau? * (Windows) oder In Terminal öffnen (Linux) anzuklicken. Es öffnet sich ein meist schwarz oder weiß hinterlegtes Fenster. Zu sehen ist ein meist blinkender Cursor. Dort wird die Eingabe erwartet. Der Cursor steht hinter einem > (Windows) oder einem $ (Linux). Vor diesen Zeichen, die anzeigen, dass eine Eingabe erwartet wird, ist der aktuelle Pfad, in der sich die Kommandozeile gerade befindet. Standardmäßig öffnet sich diese im entsprechenden Benutzerverzeichnis, C:\Users\%USER% (Windows) und /home/<username>⁴, wobei dieser Standardpfad in Linux mit ~ abgekürzt ist⁵. Hat man die Kommandozeile mit der Rechtsklick-Methode geöffnet, steht sie genau an dem Ort des Öffnens im Dateiverzeichnis. So eignet sich diese Methode besonders für unerfahrene Benutzer: Sie bekommen ein Gefühl dafür, das alle Aktionen in der Kommandozeile zuerst immer einen relativen Bezug zur Ordnerstruktur haben. In diesem Zusammenhang ist es hilfreich, sich noch einmal klarzumachen, was im Abschnitt Ordnerstruktur beschrieben wurde. Weiterführende Erklärungen bezüglich verschiedener Benutzer- und Rechteverwaltung werden hier bewusst ausgeklammert.

In der Kommandozeile kann im Dateisystem navigiert werden, Dateien und Ordner können aufgelistet und manipuliert werden (Erstellen, Umbenennen, Löschen, Kopieren, etc.). Alles was in einer grafischen Benutzeroberfläche meist mit der Maus gemacht wird und noch mehr ist hier möglich. Die vielen Befehle wirken vielleicht abschreckend, werden aber schon nach weniger Zeit des Umgangs ganz automatisch von der Hand gehen.

Einige der am häufigsten gebrauchten Befehle sind in der Tabelle unten zu finden.

Einige Entsprechungen von wichtigen Windows- und Unix-Kommandos

CMD Command	UNIX Command	PowerShell Command	PowerShell Alias	Erklärung
dir	ls	Get-ChildItem	gci	Ordnerinhalt anzeigen (directory, list)
cls	clear	Clear-Host (function)	cls	Konsole leeren
del, erase, rmdir	rm	Remove-Item	ri	Lösche-Befehl (delete, remove)
copy	cp	Copy-Item	ci	Kopieren
move	mv	Move-Item	mi	Verschieben (move)
rename	mv	Rename-Item	rni	Umbenennen (unter Linux wird Umbenannt durch Verschieben)
type	cat	Get-Content	gc	Inhalt von (einer) Datei(en) anzeigen (concatenate)
cd	cd	Set-Location	sl	Ort (Ordner) wechseln (change directory)6
md	mkdir	New-Item	ni	Ordner anlegen (make directory)7

Auszug aus: Windows To Unix Command Cheat Sheet

Jupyter

Nicht nur im Verlauf dieses Seminars wird die Notwendigkeit bestehen, Code ausführen, Codeschnipsel kombinieren oder Code selber erzeugen zu müssen. Vor allem zur schnellen Ausführung von Code und zur Entwicklung bietet es sich an, Jupyter-Notebooks zu verwenden. Damit ist es möglich, Code zeilenweise auszuführen, um zu überprüfen, ob er tut was er soll, ohne auf eine umfangreiche und große Entwicklungsumgebung wie PyCharm⁸ zurückgreifen zu müssen.

Jupyter ausprobieren

Um zu sehen, wie ein Jupyter-Notebook aussieht, und wie es funktioniert, ohne etwas installieren zu müssen, kann bei JupyterLab ein Beispielnotebook geöffnet und ausprobiert werden.

Bei Google Colab können - sofern ein Google-Konto vorhanden ist, Jupyter-Notebooks mit eigenen Daten angelegt, gespeichert und ausgeführt werden. Jedoch: Sensible Daten werden auf Google-Servern gespeichert; dies gilt es im Hinterkopf zu behalten.

Anaconda

Zur Installation von Jupyter empfiehlt sich, dies zusammen mit der Anaconda-Distribution zu tun. Jupyter über eine Paketverwaltung wie pip zu installieren ist eher fortgeschrittenen Benutzern zu empfehlen⁹.

Anaconda ist ein Softwarepaket, das sich nicht nur um die richtige Installation von Python (und R) kümmert, sondern auch dafür sorgt, dass Abhängigkeiten von (Python-)Paketen richtig aufgelöst werden. Das verhindert nicht nur Fehler durch Inkompatibilität sondern auch durch Änderungen in den Paketen selbst, die sich auf die Funktion von selbstentwickelten Programmen auswirken. Anaconda bringt weiter die Entwicklungsumgebung Spyder mit und beinhaltet eine umfangreiche Paketsammlung¹⁰ für Python, sodass zunächst mit keiner anderen Paketverwaltung gearbeitet werden muss. Vom Anaconda Navigator, der "Benutzeroberfläche" von Anaconda aus sind alle Tools wie Jupyter, Spyder, Paketverwaltung aber auch Installation und Update von Paketen erreichbar; so können viele Aufgaben von einem Ort und zunächst ohne Kommandozeile erledigt werden.

Bei der Auswahl der richtigen Anaconda-Distribution kommt es auf folgende Punkte an:

• welches Betriebssystem: Windows - Linux - macOS
• 32bit - 64bit: zu finden in den Systeminformationen, neuere Geräte sind vermutlich mit 64bit-Software ausgestattet Für Linux und macOS nur 64bit
• Python-Version 3 (Python 2 wird in Zukunft nicht mehr weiterentwickelt)

Anaconda-Download-Seite

Weil die Installation von Anaconda auf Linux und macOS sehr ähnlich sein sollten, wird bei den folgenden Hinweisen nur auf Windows und Linux eingegangen.

Ein wichtiger Hinweis, der in beiden Fällen gilt: Soll Anaconda installiert werden, so ist es sehr wichtig, bestehende Pythoninstallationen (auch IDLE oder Ähnliches) restlos vom System zu entfernen. Dies betrifft auch schon eingerichtete Umgebungsvariablen. Sollte Anaconda parallel installiert werden kann (und wird) es zu Fehlern kommen, die mit einigem Aufwand behoben werden können.

Exkurs: Umgebungsvariablen/Environment Variables

Normalerweise kommt man mit Umgebungsvariablen kaum in Berührung, da sie tief ins (Betriebs-)System eingreifen und der Umgang mit ihnen einiger Vorsicht bedarf. In Umgebungsvariablen werden grundsätzliche Einstellungen zum Betriebssystem gespeichert, das heißt, dass bei falschen Konfigurationen das System instabil werden kann oder es gar nicht mehr arbeitet. Die meisten Einstellungen passieren im Hintergrund, etwa bei der Installation von neuen Programmen. Hier ist der Anknüpfpunkt bei der Installation von Python und Anaconda: In den Umgebungsvariablen gibt es eine Variable mit Namen PATH. Dieser Exkurs soll sich nur auf die Beschreibung dieser beschränken. In der PATH-Variable sind kurz gesagt Pfade abgespeichert, in denen sich Programmdateien befinden. Jedes Programm, das im Betriebssystem installiert ist, hat irgendwo eine ausführbare Datei (bei Windows zum Beispiel .exe oder .bat ufm.), die aufgerufen wird, wenn das Programm gestartet werden soll. Dabei spielt es keine Rolle, ob auf eine Verknüpfung zum Programm geklickt, es aus dem Startmenü ausgewählt oder per Befehl auf der Kommandozeile aufgerufen wird.

Ist beispielsweise auf dem Computer LibreOffice als Officepaket installiert und Writer (Word-Äquivalent) soll gestartet werden (durch eine der oben aufgeführte Methoden), dann weiß das Betriebssystem durch die PATH-Variable, wo die ausführbare Datei zu finden ist: C:\Program Files (x86)\LibreOffice 5\program\swriter.exe oder usr/bin/swriter. Gäbe es die Umgebungsvariable nicht, müsste zum entsprechenden Speicherort der Programmdatei gewechselt werden, um dann von dort aus gestartet zu werden. So kann man an jeder beliebigen Stelle im Dateisystem das Programm einfach durch Klick oder Eingabe von swriter.exe oder swriter starten¹¹. Die Verknüpfung kann auf dem Desktop oder irgendwo anders liegen, man kann eine Kommandozeile irgendwo starten. Eine PATH-Variable kann aus mehreren Pfaden (jeweils ein Eintrag pro Programm) bestehen, die durch ; (Windows) oder : (Linux) getrennt sind.

Mit diesem Wissen ist es nun leichter, nachzuvollziehen, warum vor der Installation von Anaconda genau darauf geachtet werden muss, schon vorhandene Einträge in den Umgebungsvariablen zu entfernen. Dies geschieht eigentlich bei der Deinstallation von Programmen (z. B. Python oder IDLE) automatisch, wenn aber mehrere Programme auf die jeweilige Umgebungsvariable zugreifen, können entsprechende Variablen bestehen bleiben. Dies ist ein besonders kniffliger Fehler, wenn es bei Installationen von Programmen zu Problemen kommt.

Eine detaillierte Anleitung, wie auf den verschiedenen Betriebssystemen mit der PATH-Variable gearbeitet kann, soll nicht weiter Teil dieses Tutorials sein, da sich dies vor allem bei Windows aufwändiger gestaltet als bei Linux, deswegen hier nur der Hinweis auf Anleigungen:

• Anleitung für Java, aber analog für andere Programme
• Allgemeinere Anleitung für alle Betriebssysteme

Installation

Das Meiste ist schon geschafft auf dem Weg zu einer lauffähigen Jupyter-Umgebung; ganz nebenbei ist viel Wissen eingeflossen, das später sowieso gebraucht wird. Die Installation von Anaconda selbst besteht an sich nur aus der Ausführung des oben bereits heruntergeladenen Installers (Windows) beziehungsweise des heruntergeladenen Bash-Skripts (Linux). Bei Windows ist darauf zu achten, dass Anaconda für alle Benutzer installiert wird und die PATH-Variable hinzugefügt wird.

Alle weiteren Schritte sollten weitgehend selbsterklärend sein. Auch bei Linux ist - bei entsprechender Nachfrage - die PATH-Variable zu setzen¹²; den Fragen zu Lizenzvereinbarung und Installationspfad kann (mit yes) zugestimmt werden.

Der Installationsprozess sollte aufmerksam verfolgt werden und gerade der unerfahrene Benutzer sollte sich die gezeigten und abgefragten Pfade merken, um zu wissen, wo im Problemfall zu suchen ist.

Die umfangreiche Vorbereitungsarbeit, die investiert wurde, mag übertrieben scheinen, wenn dann hier eine Ein-Klick-Lösung angeboten wird, jedoch zeigt die Erfahrung, das Probleme wahrscheinlich sind, und zu deren Lösung brauch man oben Vermitteltes auf jeden Fall. Und spätestens - wie bereits erwähnt - wenn im eigenen Skript mit lokalen Daten gearbeitet wird, ist dieses Wissen notwendig.

Erste Nutzung von Anaconda/Jupyter Notebooks

Mit Anaconda wurde auch der Anaconda-Navigator installiert. Dies ist die zentrale grafische Benutzeroberfläche für die Verwaltung und das Starten von Programmen. Er wird über den Klick auf das entsprechende Programm-Icon oder über die Eingabe von anaconda-navigator in der Kommandozeile gestartet. Von dort aus kann das Jupyter-Notebook einfach per Klick auf Launch geöffnet werden. Man kann Jupyter aber auch über die Eingabe von jupyter notebook direkt aus der Kommandozeile heraus starten. Ein neues Notebook wird im (neuen Reiter vom) Standardbrowser geöffnet. Die Adresse ist localhost:8888/tree. Das bedeutet nicht, dass Jupyter irgendetwas online macht, der Browser ist einfach die Oberfläche für das Programm; darauf weist localhost hin. Im geöffneten Fenster sind mehrere Ordner zu sehen. Da Anaconda sowohl auf Windows als auch auf Linux im Benutzerordner installiert ist, sind offensichtlich genau die Ordner zu sehen, die eben dort liegen. Auch wenn das im Moment banal erscheint, gilt es doch, Notiz davon zu nehmen.

Es bietet sich an, in einen Ordner wie Dokumente oder Documents zu navigieren und dort einen eigenen Ordner anzulegen, der Jupyter-Notebooks (Dateien mit der Endung .ipynb) enthält. Ein neues Jupyter Notebook legt man aus der Browser-Oberfläche heraus an indem man (im Screenshot ganz rechts) auf New und dann Python 3 klickt.

Ein Beispielpfad mit Jupyter-Notebook sieht so aus: C:\Users\%USER%\Dokumente\Python_Projects\first_notebook.ipynb oder /home/<username>/Documents/python_projects/first_notebook.ipynb

Wird Jupyter nach einer der oben genannten Methoden gestartet, müsste immer in den entsprechenden Pfad gewechselt werden, in dem die zu bearbeitende Jupyter-Datei liegt. Wesentlich leichter ist es da, entweder per grafischem Dateiverwalter zu entsprechendem Ort zu wechseln und dort - wie oben erklärt - eine Kommandozeile zu starten. Oder die Kommandozeile wird zuerts gestartet und in dieser wird zum Ort gewechselt. In beiden Fällen wird dann in der Kommandozeile jupyter notebook eingegeben, um Jupyter zu starten. Idealerweise nimmt man in den Befehl die Datei selbst mit auf: jupyter notebook first_notebook.ipynb; im Browser wird direkt das Notebook geöffnet.

Oben ist ein kleiner Ausschnitt dargestellt, wie ein Notebook aussieht. Hier sei nur ein sehr kurzer Überblick über Jupyter Notebooks gegeben: Man vergibt in der obersten Zeile einen Namen, unter dem das Notebook gespeichert wird. Jupyter speichert regelmäßig automatisch, doch kann mittels Klick auf das entsprechende Icon (oder mit STRG + S) auch manuell gespeichert werden. Ein Notebook funktioniert, wie dem Screenshot zu entnehmen ist, mit einzelnen Zellen, die Markdown oder Pythoncode enthalten können. Nachdem die Zellen befüllt sind, müssen sie ausgeführt werden; entweder mit SHIFT + Enter, dann wird die Zelle ausgeführt und in die folgende Zelle gewechselt, oder mit STRG + Enter, dann wird nur die gewählte Zelle ausgeführt.

Links:

• Anaconda unter Windows installieren

• Anaconda (Navigator) unter Linux installieren

• Einführung zu und Benutzung der Kommandozeile

Footnotes

1. Je nach Linuxdistribution kann der Ort auch anders, z. B. Schreibtisch heißen ↩

2. cd steht für change directory ↩

3. Erklärung für alle Betriebssysteme ↩

4. %USER% und <username> sind natürlich Platzhalter für die jeweiligen Benutzernamen. Vor allem unter Windows findet man immer wieder auch %APPDATA%, um auf (versteckte) Benutzerdaten zugreifen zu können. Diese sind standardmäßig versteckt. ↩

5. Ein Wechsel in das eigene Homeverzeichnis ist unter Linux mit der Eingabe cd ~ möglich ↩

6. Vorsicht: cd.. (Windows) vs cd␣.. (Leerzeichen zwingend bei Linux) ↩

7. Unter Linux kann mit touch <dateiname> eine neue, leere Datei angelegt werden ↩

8. PyCharm ist in einer kostenlosen Community- und einer für Studenten auch kostenlosen professionellen Version erhältlich ↩

9. https://jupyter.readthedocs.io/en/latest/install.html ↩

10. Häufig verwendete Pakete wie numpy, pandas, matplotlib, scipy und viele weiter sind bereits enthalten ↩

11. Die Pfade können je nach installierter Version oder Anwendung zwar abweichen, generell finden sich Programmdateien bei Standardinstallation aber in C:\Program Files\, C:\Program Files\ (Windows) oder /usr/bin (Linux). ↩

12. Bei der Testweisen Installation zur Erstellung des Tutorials wurde unter Linux nicht nachgefragt, ob die Umgebungsvariable gesetzt werden soll. ↩