01 計算機基礎與Python語言簡介

計算機基礎與Python簡介01本章內容計算機基礎概述程序設計語言Python概述Python開發(fā)環(huán)境的配置庫的導入與安裝1.1計算機基礎概述計算機的發(fā)展歷程計算機的體系結構自1946年第一臺計算機誕生以來，計算機技術先后經歷了幾次重大技術變革，具有鮮明的時代性。根據計算機技術發(fā)展的時代性，將計算機的發(fā)展歷程總結為4個階段。1946-1981年，計算機系統(tǒng)結構階段1982-2007年，網絡與信息化階段2008-2015年，復雜信息系統(tǒng)階段2016年至今，全面數字化階段1.1.1計算機發(fā)展歷程馮·諾依曼計算機體系結構將計算機分成五個組成部分：控制器、運算器、存儲器、輸入設備和輸出設備?？刂破鳎河脕砉芾砗涂刂朴嬎銠C指令的執(zhí)行，使其按照預先設定的步驟完成一系列特定任務，是計算機的神經中樞。運算器：計算機中執(zhí)行各種算術運算和邏輯運算的器件，能夠暫時存放計算的中間結果。存儲器：用來存放數據和程序的設備，又分為主存和輔存。輸入設備：將程序需要的數據或信息輸入計算機的設備，如鍵盤、鼠標、攝像頭等。輸出設備：接收計算機的運算結果，并以聲音、圖像、數字或字符等人們熟悉的形式表現出來的設備，如打印器、顯示器和繪圖儀等。在現代計算機中，控制器和運算器往往組合在一起做成一個硬件設備，就是大家熟知的中央處理器（CPU）。1.1.2計算機體系結構1.2程序設計語言程序設計語言概述編譯與解釋程序設計語言是書寫計算機程序的語言，它由一組符號及一組語法規(guī)則構成，能夠實現人與機器之間的交互，讓機器按照人類設計好指令自動完成各種運算。按照編程語言的特性，將程序設計語言分為低級語言、非面向對象高級語言和面向對象高級語言三個階段。低級語言階段（1946-1953年）：低級語言主要是機器語言和匯編語言。非面向對象的高級語言（1954-1982年）：Fortran語言、Algol語言、Basic語言、Pascal語言、C語言等面向對象的高級語言（1983年至今）：C++語言、Java、C#、Python、Golang、Rust等1.2.1程序設計語言概述因中央處理器只能理解和執(zhí)行機器語言指令，用高級語言編寫的程序（又稱為源代碼）必須翻譯成機器語言（又稱為目標代碼）后執(zhí)行。翻譯方式有兩種：編譯和解釋。編譯是將高級語言編寫的代碼轉換成獨立機器語言代碼的過程，轉換后的機器語言程序可以隨時執(zhí)行，執(zhí)行編譯的計算機程序稱為編譯器。解釋是將高級語言編寫的源代碼逐條轉換成機器語言的同時立即運行該條指令，然后不斷重復該過程執(zhí)行程序中的所有指令。執(zhí)行解釋的計算機程序稱為解釋器。1.2.2編譯和解釋解釋和編譯的區(qū)別在于編譯是一次性地翻譯，一旦程序被編譯，不再需要編譯程序或源代碼。解釋則在每次程序運行時都需要解釋器和源代碼。采用編譯方式的優(yōu)點是，對于相同的源代碼，編譯產生的目標代碼執(zhí)行速度比解釋方式更快，并且目標代碼不需要編譯器就可以運行，在同類操作系統(tǒng)上使用靈活。而采用解釋方式的優(yōu)點是，因為解釋執(zhí)行需要保留源代碼和解釋器，程序糾錯和維護更加方便，并且因為有解釋器，源代碼可以在任何操作系統(tǒng)上運行，程序的可移植性更好。1.2.2編譯和解釋根據翻譯方式的不用，高級語言按照執(zhí)行方式可以分為兩類：靜態(tài)語言和腳本語言。靜態(tài)語言采用編譯方式執(zhí)行，如C、C++和Java等腳本語言采用解釋方式執(zhí)行，如Python、JavaScript、PHP等無論哪種執(zhí)行方式，用戶的使用方式是一致的。1.2.2編譯和解釋1.3Python概述Python的發(fā)展歷程Python的特點Python的應用領域Python語言是由荷蘭人GuidovanRossum于1990年設計并實現的面向對象程序設計語言。1989年12月，Guido為了打發(fā)無趣的圣誕節(jié)決心開發(fā)一個新的腳本語言作為ABC語言的繼承。之所以以Python命名，是因為他當時是英國喜劇團體“MontyPython”的粉絲。1991年，第一個Python公開發(fā)行版誕生。2000年，Python2.0發(fā)布。2008年Python3.0發(fā)布。截至2023年2月，最新版本為3.11.2，于2023年2月8日發(fā)布。1.3.1Python的發(fā)展歷程Python是目前最流行且發(fā)展最為迅速的編程語言之一，之所以這么受歡迎，是因為Python具有很多優(yōu)點。簡單易學開源豐富的庫可擴展性可移植性好雖然Python語言有很多優(yōu)點，相比C、C++和Java等傳統(tǒng)語言，Python運行速度稍慢是Python最大的不足。在某些領域，使用優(yōu)化的第三方擴展庫能大幅提升Python語句的執(zhí)行速度。1.3.2Python的特點Python語言的應用領域非常廣泛，幾乎所有的互聯網企業(yè)都在使用Python提升運營效率。網絡爬蟲科學計算數據科學與數據分析人工智能Web開發(fā)自然語言處理游戲開發(fā)1.3.3Python的應用領域1.4Python開發(fā)環(huán)境的配置Python開發(fā)環(huán)境的安裝Python代碼編輯與運行方式Python程序運行實例安裝Python開發(fā)環(huán)境的關鍵是安裝Python解釋器。Python解釋器的安裝一般有兩種方式安裝Python官網發(fā)行的標準開發(fā)環(huán)境，后續(xù)根據需求手動安裝第三方庫安裝其它公司開發(fā)的集成開發(fā)環(huán)境，可一次性的安裝Python標準庫和常用的第三方庫，如Anaconda、PyCharm等。從Python官網下載對應操作系統(tǒng)的安裝包，可直接安裝IDLE環(huán)境。1.4.1Python開發(fā)環(huán)境的安裝運行Python程序有兩種方式：交互式和文件式。交互式指針對用戶輸入的每條代碼，Python解釋器立即執(zhí)行并給出執(zhí)行結果，然后用戶輸入下一條代碼，解釋器再執(zhí)行，以這種交替的方式執(zhí)行完所有的程序。文件式，也稱為批量式，將程序的所有代碼都寫入一個或多個文件中，然后由Python解釋器批量執(zhí)行所有代碼。交互式適用于程序代碼不多的情形，或者用于調試程序。文件式的代碼往往有多行，批量執(zhí)行可以節(jié)約人機交互過程中的等待時間。1.4.2Python代碼編輯與運行方式交互式有三種啟動和運行方法第一種方法是，啟動Windows操作系統(tǒng)命令行工具（在搜索框里輸入cmd后按回車鍵），在控制臺中輸入“Python”后回車，出現>>>提示符,則表示啟動成功。在提示符后輸入一條代碼：print('北京歡迎你！’)1.4.2Python代碼編輯與運行方式交互式有三種啟動和運行方法第二種方法是，在開始菜單中找到如圖1-8所示的Python3.11文件夾，單擊Python3.11(64-bit)，可以打開Python編譯器自帶的命令行窗口，命令提示符>>>已經出現1.4.2Python代碼編輯與運行方式交互式有三種啟動和運行方法第三種方法是，在開始菜單Python3.11文件夾中，單擊IDLE(Python3.1164-bit)，打開Python自帶集成開發(fā)環(huán)境。1.4.2Python代碼編輯與運行方式文件式有兩種運行方法，不管那種方法，在運行程序之前都必須創(chuàng)建好Python程序文件。第一種方法，使用IDLE。打開如圖1-11所示的IDLE界面，點擊左上角的File菜單，選擇NewFile選項。在打開的編輯窗口中輸入合法的Python代碼。默認文件名為untitled.py，單擊File菜單選擇Save選項，將其保存，文件名為circle.py（假設保存在D盤根目錄下）。保存好以后單擊菜單欄中的Run選擇RunModule，或者直接按快捷鍵F5（有的筆記本電腦需要按Fn+F5鍵），則程序文件開始運行，完成繪制圖形。1.4.2Python代碼編輯與運行方式文件式有兩種運行方法，不管那種方法，在運行程序之前都必須創(chuàng)建好Python程序文件。第二種方法，Windows操作系統(tǒng)命令運行程序文件。對于剛建立并保存在D盤根目錄的circle.py文件，打開操作系統(tǒng)命令行，輸入pythond:\circle.py就可以運行該文件。文件式的兩種方式運行結果是一樣的。1.4.2Python代碼編輯與運行方式【例1-1】計算三角形的面積。已知三角形的三條邊a、b、c，根據三角形面積的計算公式，交互式執(zhí)行語句的計算過程如下。>>>importmath#導入數學函數庫>>>a=4>>>b=5>>>c=6>>>h=(a+b+c)/2>>>s=math.sqrt(h*(h-a)*(h-b)*(h-c))#sqrt()表示求平方根>>>print(s)9.9215674164922151.4.3Python程序運行實例【例1-1】計算三角形的面積。已知三角形的三條邊a、b、c，根據三角形面積的計算公式，交互式執(zhí)行語句的計算過程如下。1.4.3Python程序運行實例12345678#p1-1.pyimportmath#導入數學函數庫a=4b=5c=6h=(a+b+c)/2s=math.sqrt(h*(h-a)*(h-b)*(h-c))#sqrt()表示求平方根print(s)【例1-2】計算1-100之間的所有整數的和。>>>s=0#s存放累加和，初值為0>>>foriinrange(1,101):#range(1,101)產生1-100之間的整數，并逐個取出s=s+i#將每個整數累加到s中>>>print(s)50501.4.3Python程序運行實例1.5庫的導入與安裝庫的導入擴展庫的安裝Python本身內置了很多功能強大的庫，如數學函數math庫、繪制圖形的turtle庫等。Python導入庫或模塊的方式有普通導入和使用from語句導入兩種方式。普通導入：import庫名[as別名] >>>importmath>>>math.pow(3,4)#計算3的4次方81.0>>>importmathasm>>>m.exp(3)#計算自然對數e的3次方20.0855369231876681.5.1庫的導入使用from語句導入：from庫名import對象名[as別名]>>>frommathimportgcd#導入mah庫中的gcd函數>>>gcd(16,24)#求兩個數的最大公約數8>>>frommathimportsin,cos#同時導入兩個函數>>>sin(1),cos(1)#分別求1的正弦值和余弦值(0.8414709848078965,0.5403023058681398)>>>frommathimportfactorialasf#給函數起個別名>>>f(4)#求4！241.5.1庫的導入使用from語句導入：from庫名import*>>>frommathimport*>>>pow(2,3),exp(1),sin(0),cos(0)#都不需要加庫名(8.0,2.718281828459045,0.0,1.0)1.5.1庫的導入雖然Python提供了很多標準庫，但對很多應用來說還是需要安裝一些第三方擴展庫來拓展它的功能。目前最常用的第三方庫安裝方式是采用pip工具安裝。pip是Python官方提供并維護的在線第三方庫安裝工具，已成為管理Python擴展庫的主流方式。1.5.2擴展庫的安裝pip命令描述pipinstall庫名安裝指定庫piplist查看已經安裝的第三方庫pipinstall–-upgrade庫名升級指定庫pipuninstall庫名卸載已經安裝的指定庫使用pip安裝中文分詞庫jieba，打開Windows操作系統(tǒng)命令行，輸入pipinstalljieba命令并執(zhí)行，網絡下載安裝包后自動安裝，安裝命令及安裝成功后的界面如下圖。1.5.2擴展庫的安裝由于某些第三方庫只提供源代碼，pip下載文件后無法在