CH01_初识Python

本章目标

  • 掌握python特性
  • 掌握python的优缺点
  • 掌握python的应用领域
  • 掌握python 2.x和 3.x的区别

python

Python简介

Python 是一种解释型、面向对象、动态数据类型的高级程序设计语言。

Python 由 Guido van Rossum （吉多·范罗苏姆） 于 1989 年底发明，第一个公开发行版发行于 1991 年。

像 Perl 语言一样, Python 源代码同样遵循 GPL(GNU General Public License) 协议。

官方宣布，2020 年 1 月 1 日， 停止 Python 2 的更新。

Python 2.7 被确定为最后一个 Python 2.x 版本。

编程语言是什么

其实，程序指的就是一系列指令，用来告诉计算机做什么，而编写程序的关键在于，我们需要用计算机可以理解的语言来提供这些指令。

为了有效避开所有影响给计算机传递指令的因素，计算机科学家设计了一些符号，这些符号各有其含义，且之间无二义性，通常称它们为编程语言。编程语言中的每个结构，都有固定的使用格式（称为语法）以及精确的含义（称为语义）。换句话说，编程语言指定了成套的规则，用来编写计算机可以理解的指令。习惯上，我们将这一条条指令称为计算机代码，而用编程语言来编写算法的过程称为编码。

本教程要讲解的 Python 就是一种编程语言，除此之外，你肯定也听说过其他一些编程语言，如 C、C++、Java、Ruby 等。至今，计算机科学家已经开发了成百上千种编程语言，且随着时间演变，这些编程语言又产生了多个不同的版本。但无论是哪个编程语言，也无论有多少个版本，虽然它们在细节上可能有所不同，无疑它们都有着固定的、无二义性的语法和语义。

以上提到的编程语言，都是高级计算机语言，设计它们的目的是为了方便程序员理解和使用。但严格来说，计算机硬件只能理解一种非常低级的编程语言，称为机器语言

比如说，让计算机对 2 个数做求和操作，那么 CPU 可能要执行以下指令：

  1. 将位于内存空间位置在 2001 的数加载到 CPU 中；
  2. 再将位于内存空间位置在 2002 的数也加载到 CPU中；
  3. 在 CPU中，对这 2 个数做求和操作；
  4. 将结果存储在位置为 2003 的内存空间。

而使用 Python 这样的高级语言，对 2 个数求和可以很自然地用 c = a + b 表示，但由此带来的问题是，我们需要设计一种方法，将高级语言翻译成计算机可以执行的机器语言，有两种方法可以实现，分别是使用编译器和解释器。

编译型语言和解释型语言的区别

我们编写的源代码是人类语言，我们自己能够轻松理解；但是对于计算机硬件（CPU），源代码就是天书，根本无法执行，计算机只能识别某些特定的二进制指令，在程序真正运行之前必须将源代码转换成二进制指令。

所谓的二进制指令，也就是机器码，是 CPU 能够识别的硬件层面的“代码”，简陋的硬件（比如古老的单片机）只能使用几十个指令，强大的硬件（PC 和智能手机）能使用成百上千个指令。

然而，究竟在什么时候将源代码转换成二进制指令呢？不同的编程语言有不同的规定：

  • 有的编程语言要求必须提前将所有源代码一次性转换成二进制指令，也就是生成一个可执行程序（Windows 下的 .exe），比如C语言、C++、Golang、Pascal（Delphi）、汇编等，这种编程语言称为编译型语言，使用的转换工具称为编译器。
  • 有的编程语言可以一边执行一边转换，需要哪些源代码就转换哪些源代码，不会生成可执行程序，比如 Python、JavaScript、PHP、Shell、MATLAB 等，这种编程语言称为解释型语言，使用的转换工具称为解释器。

简单理解，编译器就是一个“翻译工具”，类似于将中文翻译成英文、将英文翻译成俄文。但是，翻译源代码是一个复杂的过程，大致包括词法分析、语法分析、语义分析、性能优化、生成可执行文件等五个步骤，期间涉及到复杂的算法和硬件架构。解释器与此类似，有兴趣的读者请参考《编译原理》一书，本文不再赘述。

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python是什么

编程语言有“高低”之分，而高级语言又有很多种，比如 C++、Java、C#、PHP、JavaScript 等，Python 也是其中之一。从本节开始，我们将正式开始学习 Python 这门高级编程语言，但是在此之前，我们有必要先讨论一下“Python 是什么”。

Python 英文原意为“蟒蛇”，直到 1989 年荷兰人 Guido van Rossum （简称 Guido）发明了一种面向对象的解释型编程语言，并将其命名为 Python，才赋予了它表示一门编程语言的含义。

说道 Python，它的诞生是极具戏曲性的，据 Guido 的自述记载，Python 语言是他在圣诞节期间为了打发时间开发出来的，之所以会选择 Python 作为该编程语言的名字，是因为他是一个叫 Monty Python 戏剧团体的忠实粉丝。

Python 语言是在 ABC 教学语言的基础上发展来的；遗憾的是，ABC 语言虽然非常强大，但却没有普及应用，Guido 认为是它不开放导致的。

基于这个考虑，Guido 在开发 Python 时，不仅为其添加了很多 ABC 没有的功能，还为其设计了各种丰富而强大的库，利用这些 Python 库，程序员可以把使用其它语言制作的各种模块（尤其是C语言和 C++）很轻松地联结在一起，因此 Python 又常被称为“胶水”语言。

这里的库和模块，简单理解就是一个个的源文件，每个文件中都包含可实现各种功能的方法（也可称为函数）。从整体上看，Python 语言最大的特点就是简单，该特点主要体现在以下 2 个方面：

  • Python 语言的语法非常简洁明了，即便是非软件专业的初学者，也很容易上手。
  • 和其它编程语言相比，实现同一个功能，Python 语言的实现代码往往是最短的。

看似 Python 是“不经意间”开发出来的，但丝毫不比其它编程语言差。事实也是如此，自 1991 年 Python 第一个公开发行版问世后：

  • 2004 年起 Python 的使用率呈线性增长，不断受到编程者的欢迎和喜爱；
  • 2010 年，Python 荣膺 TIOBE 2010 年度语言桂冠；
  • 2017 年，IEEE Spectrum 发布的 2017 年度编程语言排行榜中，Python 位居第 1 位。

直至现在（2019 年 12 月份），根据 TIOBE 排行榜的显示，Python 也居于第 3 位，且有继续提升的态势（如表 2 所示）。

显然，Python 已经将 C++ 语言甩在了后边，直逼 C 语言和 Java，而且未来有可能超越它们，成为编程语言排行榜冠军。 我们不妨再看一下 Python 历年来的市场份额变化曲线，Python 的未来大势可期。

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python的优缺点

优点

  1. 语法简单
  2. 开源的
  3. 免费的
  4. 高级语言
  5. 解释型语言，能跨平台
  6. 面向对象的编程语言
  7. 功能强大（模块众多）
  8. 可作扩展性强

缺点

1.运行速度慢

  1. ​ 运行速度慢是解释型语言的通病，Python 也不例外。
  2. ​ Python 速度慢不仅仅是因为一边运行一边“翻译”源代码，还因为 Python 是高级语言，屏蔽了很多底层细节。这个代价也是很大的，Python 要多做很多工作，有些工作是很消耗资源的，比如管理内存。
  3. ​ Python 的运行速度几乎是最慢的，不但远远慢于 C/C++，还慢于 Java。
  4. ​ 其次是有些应用场景可以容忍速度慢，比如网站，用户打开一个网页的大部分时间是在等待网络请求，而不是等待服务器执行网页程序。服务器花 1ms 执行程序，和花 20ms 执行程序，对用户来说是毫无感觉的，因为网络连接时间往往需要 500ms 甚至 2000ms。

2.代码加密困难

  1. ​ 不像编译型语言的源代码会被编译成可执行程序，Python 是直接运行源代码，因此对源代码加密比较困难。
  2. ​ 开源是软件产业的大趋势，传统程序员需要转变观念。

python的应用领域

web应用开发

Python 经常被用于 Web 开发，尽管目前 PHP、JS 依然是 Web 开发的主流语言，但 Python 上升势头更猛劲。尤其随着 Python 的 Web 开发框架逐渐成熟（比如 Django、flask、TurboGears、web2py 等等），程序员可以更轻松地开发和管理复杂的 Web 程序。

例如，通过 mod_wsgi 模块，Apache 可以运行用 Python 编写的 Web 程序。Python 定义了 WSGI 标准应用接口来协调 HTTP 服务器与基于 Python 的 Web 程序之间的通信。

举个最直观的例子，全球最大的搜索引擎 Google，在其网络搜索系统中就广泛使用 Python 语言。另外，我们经常访问的集电影、读书、音乐于一体的豆瓣网（如图 1 所示），也是使用 Python 实现的。

不仅如此，全球最大的视频网站 Youtube 以及 Dropbox（一款网络文件同步工具）也都是用 Python 开发的。

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自动化运维

很多操作系统中，Python 是标准的系统组件，大多数 Linux 发行版以及 NetBSD、OpenBSD 和 Mac OS X 都集成了 Python，可以在终端下直接运行 Python。

有一些 Linux 发行版的安装器使用 Python 语言编写，例如 Ubuntu 的 Ubiquity 安装器、Red Hat Linux 和 Fedora 的 Anaconda 安装器等等。

另外，Python 标准库中包含了多个可用来调用操作系统功能的库。例如，通过 pywin32 这个软件包，我们能访问 Windows 的 COM 服务以及其他 Windows API；使用 IronPython，我们能够直接调用 .Net Framework。

通常情况下，Python 编写的系统管理脚本，无论是可读性，还是性能、代码重用度以及扩展性方面，都优于普通的 shell 脚本。

办公人员日常处理数据表格时，就可以基于这些操作实现办公自动化，Word和Excel作为工作中最常用的软件，实现自动化可以节省很多时间。

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人工智能领域

人工智能是项目非常火的一个研究方向，如果要评选当前最热、工资最高的 IT 职位，那么人工智能领域的工程师最有话语权。而 Python 在人工智能领域内的机器学习、神经网络、深度学习等方面，都是主流的编程语言。

可以这么说，基于大数据分析和深度学习发展而来的人工智能，其本质上已经无法离开 Python 的支持了，原因至少有以下几点：

  1. 目前世界上优秀的人工智能学习框架，比如 Google 的 TransorFlow（神经网络框架）、FaceBook 的 PyTorch（神经网络框架）以及开源社区的 Karas 神经网络库等，都是用 Python 实现的；
  2. 微软的 CNTK（认知工具包）也完全支持 Python，并且该公司开发的 VS Code，也已经把 Python 作为第一级语言进行支持。
  3. Python 擅长进行科学计算和数据分析，支持各种数学运算，可以绘制出更高质量的 2D 和 3D 图像。

python案例实现打开图片，自动获取人脸。

网络爬虫领域

Python 语言很早就用来编写网络爬虫。Google 等搜索引擎公司大量地使用 Python 语言编写网络爬虫。

从技术层面上将，Python 提供有很多服务于编写网络爬虫的工具，例如 urllib、Selenium 和 BeautifulSoup 等，还提供了一个网络爬虫框架 Scrapy。

使用 Python3 抓取图片之家网站信息，完成一个图片之家工具。该项目练习 Python3 基础及网络编程，以及 docopt，requests，prettytable 等库的使用。

科学计算领域

自 1997 年，NASA 就大量使用 Python 进行各种复杂的科学运算。

并且，和其它解释型语言（如 shell、js、PHP）相比，Python 在数据分析、可视化方面有相当完善和优秀的库，例如 NumPy、SciPy、Matplotlib、pandas 等，这可以满足 Python 程序员编写科学计算程序。

游戏开发领域

很多游戏使用 C++ 编写图形显示等高性能模块，而使用 Python 或 Lua 编写游戏的逻辑。和 Python 相比，Lua 的功能更简单，体积更小；而 Python 则支持更多的特性和数据类型。

比如说，国际上指明的游戏 Sid Meier’s Civilization（文明，如图 2 所示）就是使用 Python 实现的。

除此之外，Python 可以直接调用 Open GL 实现 3D 绘制，这是高性能游戏引擎的技术基础。事实上，有很多 Python 语言实现的游戏引擎，例如 Pygame、Pyglet 以及 Cocos 2d 等。

以上也仅是介绍了 Python 应用领域的“冰山一角”，例如，还可以利用 Pygame 进行游戏编程；用 PIL 和其他的一些工具进行图像处理；用 PyRo 工具包进行机器人控制编程，等等。有兴趣的读者，可自行搜索资料进行详细了解。

python实现超级玛丽游戏。

python 3和python 2 的区别

python 3.x print函数代替了 print 语句

在 Python2.x 中，输出数据使用的是 Print 语句，例如：

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>>>> print "3,4"
3,4
>或者
>>>> print(3,4)
(3,4)

但是在 Python 3.x 中，print 语句没有了，取而代之的是 print 函数，例如：

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>>>> print(3,4)
3 4

python 3.x默认使用UTF-8编码

相比 Python 2.x 默认采用的 ASCII 编码，Python 3.x 默认使用 UTF-8 编码，可以很好地支持中文或其它非英文字符。

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>#Python 2.x
>>>>str ="C语言中文网"
>>>str
'C\xe8\xaf\xad\xe8\xa8\x80\xe4\xb8\xad\xe6\x96\x87\xe7\xbd\x91'

#Python 3.x
>>>str ="C语言中文网"
>>>str
'C语言中文网'

不仅如此，在 Python 3.x 中，下面的代码也是合法的：

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>>>>中国="China"
>>>print(中国)
>China

python 3.x除法运算

和其他语言相比，Python 的除法运算要高端很多，它的除法运算包含 2 个运算符，分别是 / 和 //，这 2 个运算符在 Python 2.x 和 Python 3.x 的使用方法如下：

/ 运算符:
在 Python 2.x 中，使用运算符 / 进行除法运算的方式和 Java、C 语言类似，整数相除的结果仍是一个整数，浮点数除法会保留小数点部分，例如： 

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>>>>1/2
0
>>>1.0/2
0.5

但是在 Python 3.x 中使用 / 运算符，整数之间做除法运算，结果也会是浮点数。例如：

1
2
>>>>1/2
0.5

//运算符 :
使用运算符 // 进行的除法运算叫做 floor 除法，也就是输出不大于结果值的一个最大的整数（向下取整）。此运算符的用法在 Python 2.x 和Python 3.x 中是一样的，举个例子：

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>#Python 2.x
>>> -1//2
-1

#Python 3.x
>>> -1//2
-1

python 3.x异常

在 Python 3.x 版本中，异常处理改变的地方主要在以下几个方面：

  1. 在 Python 2.x 版本中，所有类型的对象都是直接被抛出的，但是在 Python 3.x 版本中，只有继承 BaseException 的对象才可以被抛出。
  2. 在 Python 2.x 版本中，捕获异常的语法是“except Exception，var:”；但在 Python 3.x 版本中，引入了 as 关键字，捕获异常的语法变更为 “except Exception as var:”。
  3. 在 Python 3.x 版本中，处理异常用 “raise Exception(args)”代替了“raise Exception，args”。
  4. Python 3.x 版本中，取消了异常类的序列行为和 .message 属性。

有关 Python 2.x 版本和 Python 3.x 版本处理异常的示例代码如下所示：

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>#Python 2.x
>>> try:
...  raise TypeError,"类型错误"
>... except TypeError,err:
...  print err.message
...
>类型错误

>#Python 3.x
>>> try:
...     raise TypeError("类型错误")
... except TypeError as err:
...     print(err)
...
>类型错误

python 3.x 八进制字面量表示

在 Python 3.x 中，表示八进制字面量的方式只有一种，并且必须写成“0o1000”这样的方式，原来“01000”的方式不能使用了。举个例子：

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>#Python 2.x
>>> 0o1000
512
>>> 01000
512

#Python 3.x
>>> 01000
  File "<stdin>", line 1
    01000
        ^
SyntaxError: invalid token
>>> 0o1000
512

python 3.x 不等于运算符

Python 2.x 中的不等于运算符有 2 种写法，分别为 != 和 <>，但在 Python 3.x 中去掉了 <>，只有 ！= 这一种写法，例如：

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>#Python 2.x
>>> 1!=2
True
>>> 1<>2
True

#Python 3.x
>>> 1!=2
True
>>> 1<>2
  File "<stdin>", line 1
    1<>2
      ^
SyntaxError: invalid syntax

python 3.x 数据类型

Python 3.x 中对数据类型也做了改动，比如说：

Python 3.x 去除了 long 类型，现在只有一种整形 int，但它的行为就像是 Python 2.x 版本中的 long。
Python 3.x 新增了 bytes 类型，对应 Python 2.x 版本的八位串，定义 bytes 字面量的方法如下所示：

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>>>>>b=b'China'
>>>type(b)
<type 'bytes'>

字符串对象和 bytes 对象可以使用 .encode() 或者 .decode()方法相互转化，例如： 

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>>>>>s=b.decode()
>>>s
'China'
>>>b1=s.encode()
>>>b1
b'China'

Python 3.x 中，字典的 keys()、items() 和 values() 方法用返回迭代器，且之前的 iterkeys() 等函数都被废弃。同时去掉的还有 dict.has_key()，改为用 in 替代。

课后作业

1.略