python程序設(shè)計(jì) 課件 第1章 初識(shí)python

第1章初識(shí)PythonPython程序設(shè)計(jì)·第1章初識(shí)Python本章首先介紹計(jì)算機(jī)與程序語(yǔ)言之間的關(guān)系，然后初步探索Python語(yǔ)言，簡(jiǎn)述其歷史、版本、支持平臺(tái)與各種實(shí)施。在本章的編程訓(xùn)練中，我們將下載Python，建立起可以正常運(yùn)行的Python程序設(shè)計(jì)環(huán)境，我們可以在互動(dòng)模式下一行一行地輸入程序代碼并執(zhí)行，或是將Python程序?qū)懺谠创a文件里，整個(gè)交給Python解釋器執(zhí)行。計(jì)算機(jī)簡(jiǎn)史1Python集成開發(fā)環(huán)境4計(jì)算機(jī)軟件與程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言2Python語(yǔ)言簡(jiǎn)介3Python下載與安裝5目錄1.1計(jì)算機(jī)簡(jiǎn)史現(xiàn)代計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)科學(xué)計(jì)算機(jī)組成1.1

現(xiàn)代計(jì)算機(jī)我們先來(lái)了解計(jì)算機(jī)、計(jì)算機(jī)科學(xué)和計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的相關(guān)知識(shí)。艾倫·麥席森·圖靈（1912年6月23日-1954年6月7日），出生于英國(guó)倫敦帕丁頓，畢業(yè)于美國(guó)普林斯頓大學(xué)，是英國(guó)數(shù)學(xué)家、邏輯學(xué)家，被譽(yù)為“計(jì)算機(jī)科學(xué)之父”，“人工智能之父”，他是計(jì)算機(jī)邏輯的奠基者，他提出了“圖靈機(jī)”和“圖靈測(cè)試”等重要概念，為現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的邏輯工作方式奠定了基礎(chǔ)。為了紀(jì)念圖靈對(duì)計(jì)算機(jī)科學(xué)的巨大貢獻(xiàn)，1966年，由美國(guó)計(jì)算機(jī)協(xié)會(huì)（ACM）設(shè)立一年一度的“圖靈獎(jiǎng)”，以表彰在計(jì)算機(jī)科學(xué)中做出突出貢獻(xiàn)的人。圖靈獎(jiǎng)被喻為“計(jì)算機(jī)界的諾貝爾獎(jiǎng)”。

圖靈1.1

現(xiàn)代計(jì)算機(jī)約翰·馮·諾依曼（1903年12月28日-1957年2月8日），出生于匈牙利，畢業(yè)于瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院，數(shù)學(xué)家，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)、博弈論、核武器和生化武器等領(lǐng)域內(nèi)的科學(xué)全才，被后人稱為“現(xiàn)代計(jì)算機(jī)之父”和“博弈論之父”，他在泛函分析、遍歷理論、幾何學(xué)、拓?fù)鋵W(xué)和數(shù)值分析等眾多數(shù)學(xué)領(lǐng)域及計(jì)算機(jī)學(xué)、量子力學(xué)和經(jīng)濟(jì)學(xué)中都有重大成就，也為人類第一顆原子彈和第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)的研制做出了巨大貢獻(xiàn)。馮·諾依曼1.1

現(xiàn)代計(jì)算機(jī)電子計(jì)算機(jī)通稱電腦，簡(jiǎn)稱計(jì)算機(jī)，是一種通用的信息處理機(jī)器，它能執(zhí)行可以充分詳細(xì)描述的任何過(guò)程。用于描述解決特定問(wèn)題的步驟序列稱為算法，算法可以變成軟件（程序），確定硬件（物理機(jī)）能做什么和做了什么。創(chuàng)建軟件的過(guò)程稱為編程。1.1.1現(xiàn)代計(jì)算機(jī)幾乎每個(gè)人都用過(guò)計(jì)算機(jī)。也許你玩過(guò)計(jì)算機(jī)游戲，或曾用計(jì)算機(jī)寫文章、在線購(gòu)物、聽音樂或通過(guò)社交媒體與朋友聯(lián)系。計(jì)算機(jī)被用于預(yù)測(cè)天氣、設(shè)計(jì)飛機(jī)、制作電影、經(jīng)營(yíng)企業(yè)、完成金融交易和控制工廠等。世界上第一臺(tái)通用電子數(shù)字計(jì)算機(jī)ENIAC誕生于1946年2月14日的美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)。中國(guó)的第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)誕生于1958年。在2019年6月17日公布的全球超算500強(qiáng)榜單中，中國(guó)以擁有219臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)，繼續(xù)蟬聯(lián)全球擁有超算數(shù)量最多的國(guó)家。

世界上第一臺(tái)通用計(jì)算機(jī)ENIAC1.1.1現(xiàn)代計(jì)算機(jī)但是，計(jì)算機(jī)到底是什么機(jī)器？一個(gè)計(jì)算設(shè)備怎么能執(zhí)行這么多不同的任務(wù)呢？現(xiàn)代計(jì)算機(jī)可以被定義為“在可改變的程序的控制下，存儲(chǔ)和操縱信息的機(jī)器”。該定義有兩個(gè)關(guān)鍵要素：第一，計(jì)算機(jī)是用于操縱信息的設(shè)備。這意味著我們可以將信息放入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)將信息轉(zhuǎn)換為新的、有用的形式，然后輸出（顯示）信息。第二，計(jì)算機(jī)在可改變的程序的控制下運(yùn)行。1.1.1現(xiàn)代計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)不是唯一能操縱信息的機(jī)器。當(dāng)你用簡(jiǎn)單的計(jì)算器來(lái)運(yùn)算一組數(shù)字時(shí)，就是在輸入信息（數(shù)字），處理信息（如計(jì)算連續(xù)的總和），然后顯示。另一個(gè)典型的例子是油泵。給油箱加油時(shí)，油泵利用某些輸入：當(dāng)前每升汽油的價(jià)格和來(lái)自傳感器的信號(hào)，汽油流入汽車油箱的速率等。油泵將這個(gè)輸入轉(zhuǎn)換為加了多少汽油和應(yīng)付多少錢的信息。但計(jì)算器或油泵并不是完整的計(jì)算機(jī)，這些設(shè)備包含的是嵌入式計(jì)算機(jī)（芯片），被構(gòu)建來(lái)執(zhí)行單一的任務(wù)?！坝?jì)算機(jī)程序”是一組詳細(xì)指令的有序集合。程序明確地告訴計(jì)算機(jī)做什么，如果我們改變程序，計(jì)算機(jī)就會(huì)執(zhí)行不同的動(dòng)作序列，從而完成不同的任務(wù)。正是這種靈活性，讓計(jì)算機(jī)在一個(gè)時(shí)刻是文字處理器，在另一個(gè)時(shí)刻是金融顧問(wèn)，后來(lái)又變成一個(gè)街機(jī)游戲。機(jī)器（硬件）沒變，但控制機(jī)器的程序（軟件）改變了。1.1.1現(xiàn)代計(jì)算機(jī)每臺(tái)計(jì)算機(jī)只是“執(zhí)行”（運(yùn)行）程序的機(jī)器。例如AppleMacintosh、DellPC、聯(lián)想Thinkpad筆記本、AppleiPad和華為智能手機(jī)等，它們實(shí)際上是不同類型的計(jì)算機(jī)。所有這些不同的計(jì)算機(jī)具有相同的力量，通過(guò)適當(dāng)?shù)木幊?，每臺(tái)計(jì)算機(jī)基本上可以做任何其他計(jì)算機(jī)可以做的事情。從這個(gè)意義上說(shuō)，放在你書桌上的PC機(jī)實(shí)際上是一臺(tái)通用機(jī)器，它可以做任何你想要它做的事，只要你能足夠詳細(xì)地描述要完成的任務(wù)。1.1.2計(jì)算機(jī)軟件與程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言事實(shí)上，計(jì)算機(jī)科學(xué)并不只是研究計(jì)算機(jī)的。計(jì)算機(jī)科學(xué)本質(zhì)上是研究什么可以計(jì)算，它是更廣泛的計(jì)算科學(xué)領(lǐng)域的基礎(chǔ)，其中包括網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫(kù)和信息管理系統(tǒng)等。著名計(jì)算機(jī)科學(xué)家埃格斯·迪克斯特拉曾經(jīng)說(shuō)過(guò)，“計(jì)算機(jī)之于計(jì)算機(jī)科學(xué)，正如望遠(yuǎn)鏡之于天文學(xué)?！庇?jì)算機(jī)是計(jì)算機(jī)科學(xué)中的重要工具，由于它可以執(zhí)行我們描述的任何過(guò)程，所以真正的問(wèn)題是：“我們可以描述什么過(guò)程？”即：計(jì)算機(jī)科學(xué)的根本問(wèn)題就是“可以計(jì)算什么”。計(jì)算機(jī)科學(xué)家應(yīng)用許多研究技術(shù)來(lái)回答這個(gè)問(wèn)題，其中三種主要技術(shù)是設(shè)計(jì)、分析和實(shí)驗(yàn)。1.1.2計(jì)算機(jī)軟件與程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言證明某個(gè)問(wèn)題可以解決的一種方式就是實(shí)際設(shè)計(jì)解決方案。也就是說(shuō)，我們開發(fā)了一個(gè)逐步的過(guò)程，以實(shí)現(xiàn)期望的結(jié)果。計(jì)算機(jī)科學(xué)家稱之為“算法”，算法設(shè)計(jì)是計(jì)算機(jī)科學(xué)中最重要的方面之一。設(shè)計(jì)有一個(gè)弱點(diǎn)，它只能回答“什么是可計(jì)算的”。如果可以設(shè)計(jì)一個(gè)算法，那么問(wèn)題是可解的。然而，未能找到算法并不意味著問(wèn)題是不可解的，這可能是碰巧還沒有找到正確的想法，這就是我們引入分析的原因。1.1.2計(jì)算機(jī)軟件與程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言分析是以數(shù)學(xué)方式檢查算法和問(wèn)題的過(guò)程。算法分析是計(jì)算機(jī)科學(xué)的重要組成部分。當(dāng)一些問(wèn)題太復(fù)雜或者定義不明確而無(wú)法開展分析時(shí)，在這種情況下，計(jì)算機(jī)科學(xué)家就依靠實(shí)驗(yàn)。他們實(shí)際實(shí)現(xiàn)一些系統(tǒng)，然后研究行為的結(jié)果。即使在進(jìn)行理論分析時(shí)，也經(jīng)常需要實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證和完善分析。對(duì)于大多數(shù)問(wèn)題，底線是能否構(gòu)建一個(gè)可靠的工作系統(tǒng)。通常我們需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，以確定這個(gè)底線已經(jīng)滿足。當(dāng)你開始編寫自己的程序時(shí)，會(huì)有很多機(jī)會(huì)觀察你的解決方案的表現(xiàn)。如今，計(jì)算機(jī)科學(xué)家參與的活動(dòng)都在計(jì)算這把大傘之下，例如移動(dòng)計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)、人機(jī)交互、人工智能、計(jì)算科學(xué)（使用強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)來(lái)模擬科學(xué)過(guò)程）、數(shù)據(jù)庫(kù)和數(shù)據(jù)挖掘、軟件工程、網(wǎng)絡(luò)和多媒體設(shè)計(jì)、數(shù)字音樂制作、管理信息系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)安全等。無(wú)論在何處進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算機(jī)科學(xué)的技能和知識(shí)都有應(yīng)用。1.1.3計(jì)算機(jī)組成一名成功的程序員也許并不需要知道計(jì)算機(jī)工作的所有細(xì)節(jié)，但是，了解計(jì)算機(jī)的基本原理將有助于掌握讓程序運(yùn)行所需的步驟。因此，讓我們來(lái)看看計(jì)算機(jī)的內(nèi)部構(gòu)造。不同計(jì)算機(jī)在具體細(xì)節(jié)上會(huì)顯著不同，但抽象起來(lái)看，所有現(xiàn)代數(shù)字計(jì)算機(jī)都是非常相似的。右圖展示了計(jì)算機(jī)的功能視圖，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)包括中央處理單元（CPU）、主存儲(chǔ)器（RAM）、輔助存儲(chǔ)器以及輸入和輸出設(shè)備。CPU是機(jī)器的“大腦”，這是計(jì)算機(jī)執(zhí)行所有基本操作的地方。CPU可以執(zhí)行簡(jiǎn)單的算術(shù)運(yùn)算，如兩個(gè)數(shù)相加，也可以執(zhí)行邏輯操作，如測(cè)試兩個(gè)數(shù)是否相等。

計(jì)算機(jī)的功能視圖1.1.3計(jì)算機(jī)組成CPU只能直接訪問(wèn)（操作）存儲(chǔ)在“主存儲(chǔ)器”（RAM，隨機(jī)存取存儲(chǔ)器）中的信息（數(shù)據(jù)和程序）。主存儲(chǔ)器速度快，但它也是易失性存儲(chǔ)。也就是說(shuō)，當(dāng)電源關(guān)閉時(shí)，主存儲(chǔ)器中的信息會(huì)丟失。因此，還必須有一些輔助存儲(chǔ)器來(lái)提供永久存儲(chǔ)。在個(gè)人計(jì)算機(jī)中，主要的輔助存儲(chǔ)器通常是硬盤驅(qū)動(dòng)器（HDD）或固態(tài)驅(qū)動(dòng)器（SSD）。HDD將信息以磁模式存儲(chǔ)在磁盤上，而SSD使用稱為閃存的電子電路。大多數(shù)計(jì)算機(jī)還支持可移動(dòng)介質(zhì)作為輔助存儲(chǔ)器，如U盤和DVD數(shù)字多功能光盤，后者以光學(xué)模式存儲(chǔ)信息，由激光讀取和寫入。人們通過(guò)輸入和輸出設(shè)備與計(jì)算機(jī)交互，常見的設(shè)備如鍵盤、鼠標(biāo)和顯示器。來(lái)自輸入設(shè)備的信息由CPU處理，并可以被移動(dòng)到主存儲(chǔ)器或輔助存儲(chǔ)器。類似地，需要顯示信息時(shí)，CPU將它發(fā)送到一個(gè)或多個(gè)輸出設(shè)備。1.1.3計(jì)算機(jī)組成當(dāng)在計(jì)算機(jī)上啟動(dòng)游戲或文字處理程序時(shí)，構(gòu)成程序的指令從（更）持久的輔助存儲(chǔ)器復(fù)制到計(jì)算機(jī)的主存儲(chǔ)器中。一旦指令被加載，CPU就開始執(zhí)行程序。技術(shù)上，CPU遵循的過(guò)程稱為“讀取-執(zhí)行循環(huán)”。從存儲(chǔ)器取得第一條指令，解碼以弄清楚它代表什么，并且執(zhí)行適當(dāng)?shù)膭?dòng)作。然后，取得并解碼和執(zhí)行下一條指令。循環(huán)繼續(xù)，一條指令接著一條指令。這確實(shí)是所有的計(jì)算機(jī)從你打開它直到關(guān)閉時(shí)做的事情：讀取指令、解碼、執(zhí)行。但計(jì)算機(jī)能以很快的速度執(zhí)行這個(gè)簡(jiǎn)單的指令流，每秒完成數(shù)十億條指令。將足夠多的簡(jiǎn)單指令以正確的方式放在一起（編程），計(jì)算機(jī)便完成了驚人的工作。1.2計(jì)算機(jī)軟件與程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言計(jì)算機(jī)軟件程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言計(jì)算機(jī)翻譯器1.2

計(jì)算機(jī)軟件與程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言電腦硬件其實(shí)非常復(fù)雜，主要原因之一是輸入/輸出設(shè)備既繁多且各不相同，例如鍵盤、鼠標(biāo)、顯卡與屏幕、聲卡與喇叭、打印機(jī)、硬盤、U盤、攝像頭、藍(lán)牙、無(wú)線網(wǎng)卡與路由器等等，如果要由人們或直接由應(yīng)用軟件來(lái)面對(duì)這種種裝置，那幾乎是不可能的任務(wù)，所幸，我們可以在軟件與硬件之間加入一層被稱為操作系統(tǒng)（operatingsystem，OS）的軟件，由它來(lái)管理下面的硬件并負(fù)責(zé)執(zhí)行上面的軟件，介于兩者之間，讓上層程序可存取下層的輸出入裝置。

硬件、操作系統(tǒng)與軟件1.2.1計(jì)算機(jī)軟件“計(jì)算”的一個(gè)要點(diǎn)是：“軟件”（程序）主宰“硬件”（物理機(jī)器）。軟件決定計(jì)算機(jī)可以做什么，沒有軟件，計(jì)算機(jī)也許只是昂貴的鎮(zhèn)紙。程序是一系列指令的有序集合，它告訴計(jì)算機(jī)做什么。顯然，就目前而言，我們?nèi)匀恍枰糜?jì)算機(jī)可以理解的語(yǔ)言來(lái)提供這些指令。1.2.1計(jì)算機(jī)軟件操作系統(tǒng)也是程序，只不過(guò)非常龐大復(fù)雜，在整個(gè)電腦系統(tǒng)中扮演著管理員的角色。操作系統(tǒng)可以分為許多組成部分。簡(jiǎn)單而言，其中會(huì)由驅(qū)動(dòng)程序負(fù)責(zé)與底層硬件溝通，不同的硬件裝置需要不同的驅(qū)動(dòng)程序，借以彌補(bǔ)其差異，提供一致的接口供上層調(diào)用；然后提供程序運(yùn)行環(huán)境，以執(zhí)行各式各樣的應(yīng)用軟件，而這些軟件可由各種“程序語(yǔ)言”編寫而成。我們平常自由自在地享受各式軟件，諸如網(wǎng)頁(yè)瀏覽器（InternetExplorer、百度、搜狗等）、即時(shí)通訊軟件（QQ、微信）、電子表格（Excel）、媒體播放程序、壓縮軟件（Zip、WinZip）、看圖軟件等等，這些軟件都必須由某一種（或數(shù)種）程序語(yǔ)言開發(fā)編寫而成。1.2.2程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言人類的自然語(yǔ)言不太適合描述復(fù)雜的算法，因?yàn)槠渲谐錆M著模糊和不精確。計(jì)算機(jī)科學(xué)家設(shè)計(jì)了一些符號(hào)，以準(zhǔn)確無(wú)二義的方式來(lái)表示計(jì)算，從而繞過(guò)了這些問(wèn)題，這些形式表示法的特殊符號(hào)稱為編程語(yǔ)言，其中的每個(gè)結(jié)構(gòu)都有精確的形式（即語(yǔ)法）和精確的含義（即語(yǔ)義）。編程語(yǔ)言就像一種規(guī)則，用于編寫計(jì)算機(jī)將遵循的指令。程序員通常將他們的程序稱為“計(jì)算機(jī)代碼”，用編程語(yǔ)言來(lái)編寫算法（軟件）的過(guò)程就被稱為“編碼”或“編程”，程序設(shè)計(jì)人員有時(shí)也自稱為“碼農(nóng)”。編程是計(jì)算機(jī)科學(xué)的一個(gè)基本組成部分，因此，對(duì)所有立志成為計(jì)算機(jī)專業(yè)人員的人都很重要。計(jì)算機(jī)已經(jīng)成為我們社會(huì)中的常見工具，要理解這個(gè)工具的優(yōu)點(diǎn)和局限性，就需要理解編程。程序員是計(jì)算機(jī)的真正控制者，編程能讓你成為一個(gè)更聰明的計(jì)算機(jī)用戶。1.2.2程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言編程也有很多樂趣。這是一項(xiàng)智力活動(dòng)，讓人們通過(guò)有用的、有時(shí)非常漂亮的創(chuàng)作來(lái)表達(dá)自己，因此，許多人確實(shí)愛好編寫計(jì)算機(jī)程序。編程也會(huì)培養(yǎng)有價(jià)值的問(wèn)題解決技能，特別是將復(fù)雜系統(tǒng)分解為一些可理解的子系統(tǒng)及其交互，從而分析復(fù)雜系統(tǒng)的能力。在信息社會(huì)，程序員有著很大的市場(chǎng)需求，理解計(jì)算機(jī)和具備編程的能力可能會(huì)讓你在社會(huì)競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)優(yōu)勢(shì)。本質(zhì)上，計(jì)算機(jī)硬件只能理解一種稱為機(jī)器語(yǔ)言的低級(jí)語(yǔ)言，而程序通常使用面向人類的高級(jí)語(yǔ)言（如Python、Java）編寫。因此，高級(jí)語(yǔ)言必須被編譯或解釋，以便計(jì)算機(jī)能夠理解它。高級(jí)語(yǔ)言比機(jī)器語(yǔ)言更容易移植。時(shí)至今日，已經(jīng)出現(xiàn)過(guò)無(wú)數(shù)的程序語(yǔ)言，那些曾經(jīng)熱門的程序語(yǔ)言至少就有幾十個(gè)，諸如FORTRAN、COBOL、C、C++、C#、Java、PHP、JavaScript、VisualBasic、Perl、Lisp、Prolog、Ada等等。1.2.3計(jì)算機(jī)翻譯器假設(shè)我們希望讓計(jì)算機(jī)對(duì)兩個(gè)數(shù)求和，CPU實(shí)際執(zhí)行的指令可能是這樣的：將內(nèi)存位置2001的數(shù)加載到CPU中將內(nèi)存位置2002的數(shù)加載到CPU中在CPU中對(duì)這兩個(gè)數(shù)求和將結(jié)果存儲(chǔ)到內(nèi)存位置2003兩個(gè)數(shù)求和似乎有很多工作，實(shí)際上甚至比這更復(fù)雜，因?yàn)橹噶詈蛿?shù)字是以二進(jìn)制符號(hào)表示的（即0和1的序列）。在高級(jí)語(yǔ)言中，兩個(gè)數(shù)求和可以更自然地表達(dá)為c=a+b。這讓人們?nèi)菀桌斫?，但我們還需要用“編譯”或“解釋”方法，以便將高級(jí)語(yǔ)言翻譯成計(jì)算機(jī)可以執(zhí)行的機(jī)器語(yǔ)言。1.2.3計(jì)算機(jī)翻譯器“編譯器”是一個(gè)復(fù)雜的計(jì)算機(jī)程序，它接受一個(gè)以高級(jí)語(yǔ)言編寫的程序，并將其翻譯成以某個(gè)計(jì)算機(jī)的機(jī)器語(yǔ)言表達(dá)的等效程序。下圖展示了編譯過(guò)程。高級(jí)語(yǔ)言程序被稱為“源代碼”，得到的“機(jī)器代碼”是計(jì)算機(jī)可以直接執(zhí)行的程序。圖中的虛線表示機(jī)器代碼的執(zhí)行（也稱為“運(yùn)行程序”）。

編譯高級(jí)語(yǔ)言1.2.3計(jì)算機(jī)翻譯器“解釋器”模擬能理解高級(jí)語(yǔ)言的計(jì)算機(jī)，它根據(jù)需要一條一條地分析和執(zhí)行源代碼指令。下圖展示了這個(gè)過(guò)程。

解釋高級(jí)語(yǔ)言1.2.3計(jì)算機(jī)翻譯器解釋和編譯之間的區(qū)別在于，編譯是一次性翻譯。一旦程序被編譯，它可以重復(fù)運(yùn)行而不再需要編譯器或源代碼。在解釋的情況下，每次程序運(yùn)行時(shí)都需要解釋器和源代碼。編譯的程序往往更快，因?yàn)槠浞g是一次完成的，但是解釋語(yǔ)言擁有更靈活的編程環(huán)境，程序可以交互式地開發(fā)和運(yùn)行。翻譯過(guò)程突出了高級(jí)語(yǔ)言對(duì)機(jī)器語(yǔ)言的可移植性。計(jì)算機(jī)的機(jī)器語(yǔ)言由特定CPU的設(shè)計(jì)者創(chuàng)建，每種類型的計(jì)算機(jī)都有自己的機(jī)器語(yǔ)言。不同的是，以高級(jí)語(yǔ)言編寫的程序可以在許多不同種類的計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，只要存在合適的編譯器或解釋器（這只是另一個(gè)程序）。因此，我們可以在自己的筆記本計(jì)算機(jī)和平板計(jì)算機(jī)上運(yùn)行完全相同的Python程序。盡管它們有不同的CPU，但都運(yùn)行著Python解釋器。1.3

Python語(yǔ)言Python簡(jiǎn)史Python語(yǔ)言特點(diǎn)Python語(yǔ)言的版本1.3Python語(yǔ)言簡(jiǎn)介Python是一種解釋型程序語(yǔ)言，了解Python的一個(gè)好方法是使用交互式shell（俗稱“殼”，用來(lái)區(qū)別于“核”）進(jìn)行實(shí)訓(xùn)操作。shell是指“為使用者提供操作界面”的軟件。Python標(biāo)準(zhǔn)版包括一個(gè)IDLE程序，它提供了一個(gè)shell以及編輯Python程序的工具。1.3.1Python簡(jiǎn)史Python語(yǔ)言是由荷蘭人吉多·范羅蘇姆在1980年代末設(shè)計(jì)的，于1994年1月正式發(fā)布1.0版，經(jīng)過(guò)近三十年的發(fā)展演進(jìn)，現(xiàn)在已經(jīng)成為主流的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言之一。

Python語(yǔ)言LogoPython之父吉多·范羅蘇姆1.3.1Python簡(jiǎn)史Python這個(gè)名字取自于著名的英國(guó)超現(xiàn)實(shí)喜劇“蒙提派森的飛行馬戲團(tuán)”，另外，Python又有巨蟒蛇之意，所以其代表圖示為兩只蟒蛇纏繞在一起，形成類似于太極陰陽(yáng)圖的樣子。Python支持多種程序設(shè)計(jì)范式，包括程序式、結(jié)構(gòu)式、面向?qū)ο?、函?shù)式、腳本式，其語(yǔ)法高級(jí)且簡(jiǎn)潔，易于學(xué)習(xí)，具備了垃圾收集、動(dòng)態(tài)類型檢查、異常處理機(jī)制等特色。Python的程序庫(kù)模塊多得不計(jì)其數(shù)，游戲、多媒體、數(shù)學(xué)運(yùn)算、視頻處理、系統(tǒng)程序、網(wǎng)站網(wǎng)頁(yè)、機(jī)器人等等領(lǐng)域，都可見其運(yùn)用之處，廣受各界采用。1.3.2Python語(yǔ)言特點(diǎn)Python的程序代碼清楚易懂，開發(fā)軟件時(shí)易于編寫功能，之后也易于維護(hù)修改，提供一致的程序設(shè)計(jì)模型，核心概念并不多。與C、C++、Java等程序語(yǔ)言相比，Python的開發(fā)速度快，相同功能需要的程序代碼行數(shù)較少。所以，使用Python可以提高程序開發(fā)人員與軟件工程師的生產(chǎn)力，在較短時(shí)間內(nèi)完成較多功能。Python常被昵稱為膠水語(yǔ)言，它能夠把用其他語(yǔ)言制作的各種模塊（尤其是C/C++）很輕松地聯(lián)結(jié)在一起。常見的一種應(yīng)用情形是，使用Python快速生成程序的原型（有時(shí)甚至是程序的最終界面），然后對(duì)其中有特別要求的部分，用更合適的語(yǔ)言改寫，比如3D游戲中的圖形渲染模塊，性能要求特別高，就可以用C/C++重寫，而后封裝為Python可以調(diào)用的擴(kuò)展類庫(kù)。在使用擴(kuò)展類庫(kù)時(shí)可能需要考慮平臺(tái)問(wèn)題，某些可能不提供跨平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)。Python語(yǔ)法簡(jiǎn)潔清晰，它強(qiáng)制使用空白符（whitespace）作為語(yǔ)句縮進(jìn)。1.3.3Python語(yǔ)言的版本Python是純粹的自由軟件，源代碼和解釋器CPython遵循GNU通用公共許可證許可，為此成立了非營(yíng)利組織Python軟件基金會(huì)，開發(fā)人員也逐漸演變成Python開發(fā)團(tuán)隊(duì)，并擁有廣大的社團(tuán)。Python語(yǔ)言的各項(xiàng)開發(fā)工作都記錄在Python功能增進(jìn)建議書之中，規(guī)范并定義各種擴(kuò)充與延伸功能的技術(shù)規(guī)格，讓整個(gè)Python社區(qū)擁有共同遵循的原則和依據(jù)。目前在用的Python版本分為2.x與3.x（又稱為Python3000或py3k），兩個(gè)版本并不完全兼容，學(xué)習(xí)與查詢相關(guān)數(shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)看清楚適用版本。1.3.3Python語(yǔ)言的版本雖然3.x版已推出一段時(shí)日，但仍有很多人以2.x版開發(fā)程序，使用者眾多，很多程序代碼只相容于2.x版，某些程序庫(kù)模塊也尚未更新提供3.x的版本。Python的2.7版本發(fā)布至今已相當(dāng)普及，也是2.x的最后一版，該版本進(jìn)入了糾錯(cuò)和維護(hù)的穩(wěn)定狀態(tài)。關(guān)于Python各版本之間功能與特色的差異詳情，可以到Python官方網(wǎng)站的文件區(qū)（/）查詢。本書編寫時(shí)應(yīng)用的是Python版本3.8。1.4

Python集成開發(fā)環(huán)境1.4Python集成開發(fā)環(huán)境執(zhí)行Python程序的規(guī)格已經(jīng)由Python語(yǔ)言定義好了，而現(xiàn)在需要的是實(shí)施，就是要為實(shí)際動(dòng)手編寫程序搭建好Python程序的運(yùn)行環(huán)境，它依托于不同的操作系統(tǒng)。理論上，只要Python程序運(yùn)行環(huán)境的每一個(gè)具體實(shí)現(xiàn)都遵守Python語(yǔ)言的規(guī)格，而且程序員也按照標(biāo)準(zhǔn)編寫Python程序，那么所編寫的程序代碼不管在哪一個(gè)程序運(yùn)行環(huán)境里都應(yīng)該能正確無(wú)誤地得到執(zhí)行。換句話說(shuō)，在Windows上編寫的Python程序，也可以放到Linux上執(zhí)行，只要兩處都安裝了相兼容的Python運(yùn)行環(huán)境即可，因此Python具備良好的可移植性。1.4Python集成開發(fā)環(huán)境常見的Python實(shí)施有CPython、StacklessPython、UnladenSwallow、IronPython、Jython、PyPy等等，且各有其獨(dú)特之處，例如CPython是Python官方團(tuán)隊(duì)以C語(yǔ)言編寫開發(fā)的運(yùn)行環(huán)境，具有標(biāo)準(zhǔn)地位，其源代碼完全開放，可移植性最高。另外有些實(shí)施，如ActivePython、PythonXY、AnacondaPython等，是把CPython重新包裝，再加入額外的程序庫(kù)，專供特定領(lǐng)域使用，例如科學(xué)計(jì)算、數(shù)據(jù)分析與管理、數(shù)據(jù)庫(kù)運(yùn)用等。本書的程序與范例都以CPython實(shí)施為準(zhǔn)；平常提到Python時(shí)指的便是這個(gè)運(yùn)行環(huán)境。1.5

Python下載與安裝安裝Python開發(fā)環(huán)境執(zhí)行Python程序1.5

安裝Python學(xué)習(xí)Python課程時(shí)，除了利用學(xué)校的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室完成相關(guān)實(shí)訓(xùn)任務(wù)外，還應(yīng)該在自己的個(gè)人計(jì)算機(jī)中安裝Python軟件，以方便隨時(shí)進(jìn)行編程練習(xí)。我們以Windows環(huán)境和CPython版本為例，來(lái)學(xué)習(xí)搭建Python3.x開發(fā)環(huán)境。1.5.1安裝Python開發(fā)環(huán)境請(qǐng)按照下列步驟完成安裝并進(jìn)行簡(jiǎn)單操作。步驟1：在自己的個(gè)人計(jì)算機(jī)中為Python語(yǔ)言建立一個(gè)文件夾（例如：\Python）。步驟2：下載Python軟件?；ヂ?lián)網(wǎng)上有很多地方提供了下載服務(wù)。這里，我們選擇在Python的官網(wǎng)上下載python。打開Python官網(wǎng)（。

Python官網(wǎng)1.5.1安裝Python開發(fā)環(huán)境鼠標(biāo)指向“Downloads”-“Windows”菜單命令，屏幕顯示如圖所示，單擊“Python3.8.1”按鈕，按屏幕提示，將Python軟件下載到指定的文件夾。

選擇“Windows”1.5.1安裝Python開發(fā)環(huán)境步驟3：下載完成后雙擊執(zhí)行下載的exe程序，進(jìn)入安裝界面。（安裝完成后，若再次單擊該程序，可執(zhí)行卸載Python的操作。）

Python安裝界面1.5.1安裝Python開發(fā)環(huán)境在選擇安裝時(shí)，可以把下方的“AddPython3.8toPATH”勾選上，直接默認(rèn)把用戶變量添加上，后續(xù)不用再添加。安裝界面中可以選擇默認(rèn)安裝或者自定義安裝。由于默認(rèn)安裝路徑層次比較深，可以選擇自定義安裝，例如將Python程序系統(tǒng)安裝在前面定義的“\Python”目錄中，以方便后續(xù)查找。其他選項(xiàng)選擇默認(rèn)（見圖1-12），單擊“Next”按鈕，進(jìn)一步的高級(jí)選項(xiàng)選擇默認(rèn)（見圖1-13），單機(jī)“Install”按鈕，完成安裝（見圖1-14）。1.5.1安裝Python開發(fā)環(huán)境圖1-12設(shè)置選項(xiàng)1.5.1安裝Python開發(fā)環(huán)境圖1-13設(shè)置高級(jí)選項(xiàng)1.5.1安裝Python開發(fā)環(huán)境圖1-14完成安裝1.5.1安裝Python開發(fā)環(huán)境步驟4：安裝成功。在安裝目錄可以看到Python安裝文件的相關(guān)信息，在“開始”菜單可以單擊“Python3.8”>“Python3.8(32-bit)”命令，打開Python軟件。至此，可以使用Python了。

Python操作界面1.5.1安裝Python開發(fā)環(huán)境下載安裝后，若沒有改動(dòng)缺省設(shè)置的安裝路徑，那么Python3.x版會(huì)放在C:\Python中。Windows“開始”菜單的“Python3.8”子菜單中也會(huì)出現(xiàn)“IDLE(Python3.832-bit)”命令，這是一款簡(jiǎn)易的圖形化開發(fā)編輯器。請(qǐng)分析并記錄：（1）你實(shí)際選擇安裝的Python軟件版本是：答：__________________________________________________________________________（2）你是否完成Python軟件的安裝？若未完成，則簡(jiǎn)單分析原因是什么？答：________________________________________________________________________________________________________________________________________________________1.5.1安裝Python開發(fā)環(huán)境安裝后的Python程序運(yùn)行環(huán)境，里面最主要的部分是“解釋器”，解釋器負(fù)責(zé)執(zhí)行程序，把Python程序交給它后，它就開始解析程序代碼、檢查語(yǔ)法有無(wú)錯(cuò)誤、根據(jù)程序語(yǔ)義去完成任務(wù)（例如計(jì)算某個(gè)數(shù)學(xué)公式）、把數(shù)據(jù)存回文件、通過(guò)網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求到某網(wǎng)站，等等，而這些具體功能都會(huì)由某個(gè)程序庫(kù)負(fù)責(zé)；解釋器與眾多程序庫(kù)再加上Python運(yùn)行環(huán)境的其他部分，將會(huì)往下層存取操作系統(tǒng)提供的服務(wù)，完成程序代碼定義的功能。當(dāng)然這是極度簡(jiǎn)化后的示意圖，Python程序運(yùn)行環(huán)境可再細(xì)分出許多部分，解釋器的功能也可再細(xì)分。解釋器是Python程序運(yùn)行環(huán)境的門戶，編寫Python程序時(shí)，直接面對(duì)的就是解釋器。運(yùn)行環(huán)境架構(gòu)1.5.1安裝Python開發(fā)環(huán)境Python具有非常豐富龐大的程序庫(kù)，例如處理各種數(shù)據(jù)形式的程序庫(kù)、網(wǎng)絡(luò)連線的程序庫(kù)、存取文件系統(tǒng)的程序庫(kù)等。1.5.2執(zhí)行Python程序下面我們來(lái)學(xué)習(xí)編寫控制機(jī)器內(nèi)部計(jì)算過(guò)程的程序。我們通過(guò)向Python解釋器發(fā)出指令來(lái)指揮計(jì)算機(jī)內(nèi)部的計(jì)算過(guò)程?？梢杂媒换ツＪ絾?dòng)Python解釋器（shell）。shell允許用戶在其中鍵入Python命令，然后顯示執(zhí)行結(jié)果。啟動(dòng)shell的具體細(xì)節(jié)因不同的Python安裝而異。一般情況下，我們會(huì)使用IDLE應(yīng)用程序，它提供了Pythonshell，可以幫助我們創(chuàng)建和編輯Python程序。在Windows“開始”菜單中單擊“IDLE（Python3.832-bit）”命令，屏幕顯示IDLE窗口。

PythonIDLE窗口1.5.2執(zhí)行Python程序當(dāng)?shù)谝淮螁?dòng)IDLE時(shí)，所看到的具體的啟動(dòng)消息取決于當(dāng)前正在運(yùn)行的Python版本和正在使用的系統(tǒng)。重要的部分是圖中的最后一行，>>>

是一個(gè)Python提示符，表示Python解釋器正在進(jìn)行展示交互式會(huì)話，等待給它的命令。在編程語(yǔ)言中，一個(gè)完整的命令稱為語(yǔ)句（注意，不要使用中文的句號(hào)、引號(hào)等符號(hào)）。下面是與Pythonshell交互的例子：>>>print("Hello,World!")Hello,World!>>>print(2+3)5>>>print("2+3=",2+3)2+3=51.5.2執(zhí)行Python程序1.5.2執(zhí)行Python程序這里，我們嘗試了三個(gè)使用Python的print語(yǔ)句的例子。第一個(gè)print語(yǔ)句要求Python顯示文本短語(yǔ)“Hello,World！”，Python在下一行做出響應(yīng)，打印出該短語(yǔ)。第二個(gè)print語(yǔ)句要求Python打印2與3之和。第三個(gè)print結(jié)合了這兩個(gè)想法。Python打印出引號(hào)中的部分“2+3=”，然后是2+3的結(jié)果，即5。建議讀者啟動(dòng)自己的Pythonshell并嘗試這些例子。Python允許我們將一系列語(yǔ)句放在一起，創(chuàng)建一個(gè)全新的命令或函數(shù)。下面的例子創(chuàng)建了一個(gè)名為hello的新函數(shù)：>>>defhello():print("Hello")print("計(jì)算機(jī)很有趣！")>>>1.5.2執(zhí)行Python程序1.5.2執(zhí)行Python程序第一行告訴Python我們正在定義一個(gè)新函數(shù)，命名為hello。接下來(lái)兩行縮進(jìn)，表明它們是hello函數(shù)的一部分。最后的空白行（通過(guò)按兩次回車鍵獲得）讓Python知道定義己完成，并且shell用另一個(gè)提示符進(jìn)行響應(yīng)。注意，鍵入定義并不會(huì)導(dǎo)致Python打印任何東西。我們告訴Python，當(dāng)hello函數(shù)用作命令時(shí)應(yīng)該發(fā)生什么，但實(shí)際上并沒有要求Python執(zhí)行它。鍵入函數(shù)名稱并跟上括號(hào)，函數(shù)就被調(diào)用了。下面是使用hello命令時(shí)發(fā)生的事情：>>>hello()Hello計(jì)算機(jī)很有趣！>>>1.5.2執(zhí)行Python程序1.5.2執(zhí)行Python程序這時(shí)，hello函數(shù)定義中的兩個(gè)print語(yǔ)句按順序執(zhí)行了。命令可以有可變部分，稱為參數(shù)，放在括號(hào)中。讓我們看一個(gè)使用參數(shù)、自定義問(wèn)候語(yǔ)的例子。先是定義：>>>defgreet(person):print("Hello",person)print("Howareyou?")1.5.2執(zhí)行Python程序現(xiàn)在我們可以使用定制的問(wèn)候。>>>greet("John")HelloJohnHowareyou?>>>greet("Emily")HelloEmilyHowareyou?>>>1.5.2執(zhí)行Python程序1.5.2執(zhí)行Python程序使用greet時(shí)，我們可以發(fā)送不同的名稱，從而自定義結(jié)果。print是Python中的一個(gè)內(nèi)置函數(shù)，當(dāng)我們調(diào)用print函數(shù)時(shí)，括號(hào)中的參數(shù)告訴函數(shù)要打印什么。注意到，執(zhí)行一個(gè)函數(shù)時(shí)，括號(hào)必須包含在函數(shù)名之后，即使沒有給出參數(shù)也是如此。例如，可以使用print而不使用任何參數(shù)，創(chuàng)建一個(gè)空白的輸出行。>>>print()>>>但是如果只鍵入函數(shù)的名稱，省略括號(hào)，函數(shù)將不會(huì)真正執(zhí)行。這時(shí)，交互式Python會(huì)話將顯示一些輸出，表明名稱所引用的函數(shù)，如下面的交互所示：>>>greet<functiongreetatOx8393aec>>>>print<built-infunctionprint）1.5.2執(zhí)行Python程序1.5.2執(zhí)行Python程序這里的0x8393aec是在計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器中的位置（地址），其中恰好存儲(chǔ)了greet函數(shù)的定義。如果你在自己的計(jì)算機(jī)上嘗試，肯定會(huì)看到不同的地址。如果將函數(shù)交互式地輸入到Pythonshell中，當(dāng)退出shell時(shí)，定義會(huì)丟失。如果下次希望再次使用它們時(shí)，必須重新鍵入。1.5.2執(zhí)行Python程序?qū)嶋H上，程序的創(chuàng)建通常是將定義寫入獨(dú)立的文件，稱為“模塊”或“腳本”。此文件保存在輔助存儲(chǔ)器中，可以反復(fù)使用。模塊文件是一個(gè)文本文件，可以用任何應(yīng)用程序來(lái)編輯文本，例如記事本或文字處理程序，只要將程序保存為“純文本”文件即可。有一種特殊類型的應(yīng)用稱為集成開發(fā)環(huán)境（IDE，IntegratedDevelopmentEnvironment）簡(jiǎn)化了這個(gè)過(guò)程，它們專門設(shè)計(jì)用于幫助程序員編寫程序，包括自動(dòng)縮進(jìn)、顏色高亮顯示和交互式開發(fā)等功能。作為Pythonshell的IDLE就是一個(gè)簡(jiǎn)單卻完整的開發(fā)環(huán)境?！癐DLE”中多出來(lái)的字母“L”是表達(dá)對(duì)EricIdle（埃里克·艾多爾）的致敬，他是英國(guó)六人喜劇團(tuán)體MontyPython的6位成員之一。1.5.2執(zhí)行Python程序我們來(lái)編寫并運(yùn)行一個(gè)完整的程序，以說(shuō)明模塊文件的使用。要將此程序鍵入IDLE，應(yīng)選擇File/NewFile菜單選項(xiàng)。這將打開一個(gè)空白（非shell）窗口，可以在其中鍵入程序。下面是程序的Python代碼：【程序?qū)嵗?-1】一個(gè)簡(jiǎn)單的示例程序。#chaos.py#一個(gè)隨意編寫的簡(jiǎn)單程序，沒有特定的目的defmain():print("該程序說(shuō)明了一個(gè)隨意的功能。")x=eval(input("輸入0到