Python語言程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 課件 第1章 編程語言與Python概述

第1章編程語言與Python概述1.1計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)1.2程序設(shè)計(jì)語言1.3Python語言1.4Python及PyCharm的安裝本章小結(jié)

1.1計(jì)

算

機(jī)

基

礎(chǔ)

1.1.1計(jì)算機(jī)硬件一般而言，計(jì)算機(jī)由運(yùn)算器、控制器、存儲器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備五大部件組成。每個(gè)部件都是一個(gè)功能相對完整的子系統(tǒng)，各部件之間通過總線連接起來，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換，如圖1-1所示。運(yùn)算器和控制器是計(jì)算機(jī)的核心部件，通常被集成到一個(gè)芯片中，稱為中央處理器(CentralProcessingUnit，CPU)。圖1-1計(jì)算機(jī)的硬件組成

1.運(yùn)算器

運(yùn)算器也稱算術(shù)邏輯單元(ArithmeticLogicUnit，ALU)。算術(shù)運(yùn)算指的是加、減、乘、除等數(shù)學(xué)運(yùn)算，邏輯運(yùn)算包括與(and)、或(or)、非(not)等邏輯操作。表1-1給出了邏輯與和邏輯或的運(yùn)算結(jié)果。

2.控制器

控制器是整個(gè)計(jì)算機(jī)中結(jié)構(gòu)最復(fù)雜的部件，用于指揮、協(xié)調(diào)計(jì)算機(jī)各部件工作。每種計(jì)算機(jī)都有一個(gè)最基本的指令集合，機(jī)器只能識別這個(gè)集合中的指令?？刂破魇怯?jì)算機(jī)中唯一能夠識別這些二進(jìn)制指令的部件。

3.存儲器(內(nèi)存)

程序和數(shù)據(jù)以二進(jìn)制位(比特，bit)的形式存儲在存儲器中。程序是一個(gè)指令的序列，而指令是有著固定格式的比特串，其按順序存放，因此每一條指令都有一個(gè)序列號，比如從0到n，存放在存儲器的特定位置。程序執(zhí)行時(shí)，CPU每次從存儲器中取出一條指令執(zhí)行。此外，在程序執(zhí)行過程中，需要存儲一些中間結(jié)果和最終結(jié)果數(shù)據(jù)，在計(jì)算機(jī)語言中這些數(shù)據(jù)稱為變量，存儲在存儲器中。

4.輸入設(shè)備和輸出設(shè)備

輸入設(shè)備方便用戶向計(jì)算機(jī)發(fā)送信息。鍵盤、鼠標(biāo)等都屬于輸入設(shè)備。比如，用戶通過鍵盤將信息發(fā)送給計(jì)算機(jī)。輸出設(shè)備負(fù)責(zé)將運(yùn)算結(jié)果發(fā)送到指定部件。屏幕就是典型的輸出設(shè)備。輸入設(shè)備和輸出設(shè)備統(tǒng)稱為外圍設(shè)備。

1.1.2計(jì)算機(jī)軟件

計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的軟件可以分為系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件兩大類。為生產(chǎn)、生活、娛樂、科研等用途而開發(fā)的軟件稱為應(yīng)用軟件，如財(cái)務(wù)管理軟件、電信服務(wù)軟件、工業(yè)控制軟件等。為了方便操作計(jì)算機(jī)，或者為開發(fā)應(yīng)用軟件提供輔助目的而設(shè)計(jì)出的基礎(chǔ)軟件稱為系統(tǒng)軟件。典型的系統(tǒng)軟件包括操作系統(tǒng)、編譯系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)以及開發(fā)平臺(如EDA工具等集成環(huán)境)等。

操作系統(tǒng)是一種使用最為廣泛的系統(tǒng)軟件，它為用戶提供了一個(gè)良好的基礎(chǔ)操作平臺，其他軟件都必須在操作系統(tǒng)的管理下運(yùn)行。

1.1.3計(jì)算機(jī)內(nèi)的數(shù)據(jù)表示

1.數(shù)據(jù)類型

在數(shù)據(jù)存儲和表示方面，計(jì)算機(jī)和人類存在較大的不同。一方面，計(jì)算機(jī)只能識別二進(jìn)制的數(shù)字，而用戶對于二進(jìn)制表示卻很不習(xí)慣；另一方面，計(jì)算機(jī)的存儲器容量雖然很大，但卻是有限的，并且每一個(gè)數(shù)據(jù)必須使用一個(gè)大小確定的存儲單元來加以存放，比如1字節(jié)或者4字節(jié)等。

2.字符和漢字的表示

多臺計(jì)算機(jī)之間、計(jì)算機(jī)和用戶之間都需要使用統(tǒng)一的編碼來表示符號，這些符號包括英文字母、阿拉伯?dāng)?shù)字、標(biāo)點(diǎn)符號和其他一些特殊字符。美國信息交換標(biāo)準(zhǔn)代碼(AmericanStandardCodeforInformationInterchange，ASCII)是基于拉丁字母的一套電腦編碼系統(tǒng)，主要用于編碼現(xiàn)代英語和其他西歐語言。它是最通用的信息交換標(biāo)準(zhǔn)，等同于國際標(biāo)準(zhǔn)ISO/IEC646。

表1-2給出了部分字符的ASCII碼。

3.數(shù)值的表示

所有的數(shù)值數(shù)據(jù)在機(jī)器內(nèi)部都是由0和1組成的比特串來表示的。數(shù)值有正數(shù)、負(fù)數(shù)、整數(shù)、小數(shù)等，因此，在使用時(shí)我們需要做出約定來正確地表示數(shù)值。根據(jù)小數(shù)點(diǎn)的位置不同，可以把數(shù)值分為定點(diǎn)數(shù)和浮點(diǎn)數(shù)兩大類。定點(diǎn)數(shù)又可以分為定點(diǎn)整數(shù)和定點(diǎn)小數(shù)。如果約定小數(shù)點(diǎn)在整個(gè)比特串的最右邊，則是定點(diǎn)整數(shù)；如果約定小數(shù)點(diǎn)在整個(gè)比特串的最左邊，則是定點(diǎn)小數(shù)。

1.1.4計(jì)算機(jī)的工作方式

計(jì)算機(jī)工作主要依賴于中央處理器和存儲器，中央處理器內(nèi)部包括控制器、運(yùn)算器和一些寄存器。控制器負(fù)責(zé)整個(gè)程序的自動執(zhí)行，運(yùn)算器用于算術(shù)運(yùn)算，寄存器用于臨時(shí)存儲一些數(shù)據(jù)，包括初始值和中間運(yùn)算結(jié)果。存儲器用于存儲程序和數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可以是待處理的數(shù)據(jù)初始值、中間結(jié)果和最終結(jié)果。

下面以函數(shù)y?=?ax?+?b的計(jì)算過程為例詳細(xì)說明計(jì)算機(jī)的工作過程。表1-3給出了計(jì)算y?=?ax?+?b時(shí)存儲器的存儲情況。

1.2程序設(shè)計(jì)語言

語言是一種交流工具，一般把人類用來相互交流溝通的語言稱為自然語言，而把程序員指示計(jì)算機(jī)完成某件工作所用的語言稱為程序設(shè)計(jì)語言。所以，按照語言的用途來說，自然語言用于人與人的溝通，而程序設(shè)計(jì)語言則用于人與計(jì)算機(jī)的溝通。程序設(shè)計(jì)語言通過一系列的符號、單詞和語法規(guī)則，來幫助程序員表達(dá)和組織計(jì)算機(jī)程序。

1.2.1程序設(shè)計(jì)語言概述

語言可以看成是應(yīng)用語法規(guī)則對詞匯進(jìn)行組合而成的序列。用自然語言寫文章的過程和用程序設(shè)計(jì)語言編寫程序的過程相似。寫文章時(shí)首先是遣詞造句，然后將句子匯聚成段落，若干個(gè)段落構(gòu)成一篇完整的文章；而程序員是利用程序設(shè)計(jì)語言中的基本詞匯構(gòu)成語句，多條語句組織成函數(shù)或過程，若干個(gè)函數(shù)或過程構(gòu)成計(jì)算機(jī)程序。圖1-2展示了自然語言和程序設(shè)計(jì)語言的結(jié)構(gòu)層次對應(yīng)關(guān)系。圖1-2自然語言與程序設(shè)計(jì)語言的結(jié)構(gòu)層次對應(yīng)關(guān)系

如圖1-3所示，在人與硬件機(jī)器之間，人們設(shè)計(jì)了一種編譯器軟件。圖1-3編譯器成為人-機(jī)之間的翻譯

計(jì)算機(jī)不能直接執(zhí)行高級語言編寫的程序，需要將高級語言程序翻譯成目標(biāo)程序才能執(zhí)行。這種“翻譯”通常有兩種方式：編譯方式和解釋方式。編譯方式是將程序中的所有代碼作為一個(gè)整體來對待，編譯通過后才能執(zhí)行。解釋方式則是對程序語言逐條解釋并執(zhí)行，當(dāng)遇到錯(cuò)誤時(shí)，則會停止工作，待錯(cuò)誤修正后再繼續(xù)運(yùn)行。一般而言，在程序編譯過程中，編譯方式和解釋方式各有優(yōu)缺點(diǎn)。

編譯方式的優(yōu)點(diǎn)在于：

(1)執(zhí)行速度快。

(2)安全性高。

編譯方式的缺點(diǎn)有：

(1)平臺依賴性。

(2)調(diào)試不方便。

(3)開發(fā)效率低。

編譯方式的缺點(diǎn)有：

(1)平臺依賴性。

(2)調(diào)試不方便。

(3)開發(fā)效率低。

解釋方式的優(yōu)點(diǎn)有：

(1)跨平臺性。

(2)調(diào)試容易。

(3)靈活性。

(4)開發(fā)效率高。

解釋方式的缺點(diǎn)有：

(1)執(zhí)行速度慢。

(2)安全性低。

(3)占用資源。

總的來說，編譯方式和解釋方式各有其優(yōu)缺點(diǎn)，適用于不同的場景。編譯方式適用于對執(zhí)行速度和安全性要求較高的場景，而解釋方式則更適用于需要跨平臺性和靈活性的場景。在實(shí)際應(yīng)用中，可以根據(jù)具體需求選擇合適的編譯方式或解釋方式。

1.2.2程序設(shè)計(jì)語言的成分

程序設(shè)計(jì)語言一般包括三個(gè)層次的成分：詞法、句法和程序，每一個(gè)成分都有語法和語義兩個(gè)方面的含義。與復(fù)雜的自然語言相比，每一個(gè)成分都更簡單和確定，不存在任何二義性。

詞法包括關(guān)鍵字、變量、常量、運(yùn)算符和數(shù)值等。關(guān)鍵字是為表達(dá)某個(gè)特定用途而保留識別的英文單詞，每一種語言都有自己定義的一個(gè)保留字集合。變量是為了存放在程序運(yùn)行過程中獲得的中間結(jié)果和最終結(jié)果的存儲單元，其名稱由程序員自行定義，稱為標(biāo)識符。每一個(gè)變量名稱實(shí)際上都是內(nèi)存地址的別名，以便于程序員記憶。程序設(shè)計(jì)語言中的運(yùn)算符和數(shù)值與自然語言中的沒有太多區(qū)別。

基本的程序語句有多種，如賦值語句、控制語句、函數(shù)調(diào)用等。賦值語句中賦值符號的左邊必須是變量；而函數(shù)則由若干條語句序列組成，便于多次調(diào)用，函數(shù)調(diào)用前必須先進(jìn)行定義或聲明，這可以由程序員自行實(shí)現(xiàn)，也可以由第三方人員實(shí)現(xiàn)。這些語句按照順序、分支和循環(huán)三種結(jié)構(gòu)構(gòu)成程序，其中分支結(jié)構(gòu)根據(jù)判斷條件選擇其中的一個(gè)分支加以執(zhí)行，循環(huán)結(jié)構(gòu)則可以多次執(zhí)行循環(huán)中的語句序列。

1.3Python語言

1.3.1Python發(fā)展簡史

1.起源與早期發(fā)展

1989年圣誕節(jié)期間，荷蘭計(jì)算機(jī)科學(xué)家GuidovanRossum受到ABC語言的啟發(fā)，開始設(shè)計(jì)Python。1991年，首個(gè)Python編譯器被創(chuàng)造出來，并以英國喜劇團(tuán)體MontyPython’sFlyingCircus命名，這標(biāo)志著Python語言的正式誕生。1994年，Python1.0發(fā)布，其引入了lambda、map、filter等函數(shù)式編程特性，以及對模塊和包的支持。

2.?Python2.x時(shí)代

2000年，Python2.0發(fā)布，其引入的許多新特性奠定了Python2.x系列的基礎(chǔ)，包括增強(qiáng)的類支持、列表推導(dǎo)式、垃圾回收機(jī)制、Unicode支持、迭代器和生成器等。Python2.x系列不斷引入新的特性，如Python2.4引入了裝飾器和生成器表達(dá)式，Python2.5引入了with語句和條件表達(dá)式。Python2.7是這一時(shí)代的最后一個(gè)版本。

3.?Python3.x時(shí)代

2008年12月3日，Python3.0發(fā)布，帶來了重大革新，如去除了經(jīng)典類，只支持新式類；統(tǒng)一了整數(shù)和長整數(shù)類型；改進(jìn)了Unicode字符串支持；print成為函數(shù)等。

4.社區(qū)與生態(tài)系統(tǒng)

Python社區(qū)迅速壯大，形成了豐富的開源項(xiàng)目和第三方庫生態(tài)。

5.未來發(fā)展

Python在繼續(xù)發(fā)展，并不斷添加新的功能。

1.3.2Python的特點(diǎn)

1.高級的內(nèi)建類型

伴隨著每一代編程語言的產(chǎn)生，程序員的編程效率都會達(dá)到一個(gè)新的高度。

2.面向?qū)ο?/p>

面向?qū)ο缶幊虨閿?shù)據(jù)和邏輯相分離的結(jié)構(gòu)化和過程化編程添加了新的活力。

3.升級簡便

Python代碼乍看起來與批處理或UNIX系統(tǒng)下的Shell有些類似。

4.良好的可擴(kuò)展性

對于程序項(xiàng)目中大量的Python代碼，可以通過將其分離為多個(gè)文件或模塊加以組織管理。而且程序員可以從一個(gè)模塊中選取代碼，而從另一個(gè)模塊中讀取屬性，并且對于所有的模塊，Python的訪問語法都是相同的。對于特別強(qiáng)調(diào)性能部分的代碼，可以用C語言重寫后再作為Python的擴(kuò)展。需要強(qiáng)調(diào)的是，重寫后的代碼接口和純Python模塊的接口完全相同，代碼和對象的訪問方法也相同，但這些代碼顯著提升了整體性能。

5.易學(xué)易讀

Python的語法非常簡潔，無需像其他編程語言那樣記憶大量的復(fù)雜語法和規(guī)則。

6.移植性強(qiáng)

Python是一種跨平臺語言，能在多種操作系統(tǒng)上運(yùn)行。

1.3.3IDLE集成開發(fā)環(huán)境

1.主要功能

(1)代碼編輯器：支持語法高亮、自動縮進(jìn)和代碼補(bǔ)全，為編程提供了便捷的體驗(yàn)。其類似于VisualStudio和Eclipse等IDE，但更加輕量級和易于使用。

(2)交互式解釋器：在Shell窗口中，用戶可以交互式地運(yùn)行Python代碼，并能快速獲取運(yùn)行結(jié)果。Shell窗口提供了比基本的交互命令提示符更好的剪切、粘貼等功能。

(3)調(diào)試工具：具備設(shè)置斷點(diǎn)、單步調(diào)試等調(diào)試工具，便于查找和解決代碼中的錯(cuò)誤，為開發(fā)者提供了強(qiáng)大的調(diào)試支持。

2.使用方式

(1)交互式編程：用戶可以在Shell中直接輸入Python代碼并立即看到運(yùn)行結(jié)果。

(2)文件編輯模式(腳本模式)：用戶可以在文件編輯器中編寫Python代碼，并保存到文件中，然后通過運(yùn)行該文件來執(zhí)行代碼。這種模式更適合于編寫較長或較為復(fù)雜的Python代碼，并且可以通過函數(shù)、模塊等方式將代碼組織成更為結(jié)構(gòu)化的形式。

3.安裝與打開

安裝Python時(shí)，IDLE會自動安裝，無須單獨(dú)安裝。

打開IDLE的方法有以下兩種：

(1)在命令行中輸入“python”(或“python3”)后按回車鍵(在Windows操作系統(tǒng)下使用命令提示符，在macOS或Linux操作系統(tǒng)下使用終端)。

(2)在圖形界面中雙擊IDLE圖標(biāo)(通常位于Python安裝目錄下的Scripts文件夾中)。

圖1-4展示了IDLEShell3.10.10的交互式窗口。圖1-4IDLEShell3.10.10交互式窗口

1.3.4Python的工作方式

1.交互方式

首先在Windows操作系統(tǒng)的“開始”菜單中找到“Python3.10”菜單目錄并展開，如圖1-5所示，然后選擇“IDLE(Python3.1064-bit)”選項(xiàng)，打開IDLE。也可以直接在桌面左下角的“搜索”中輸入命令“IDLE”打開IDLE，結(jié)果如圖1-6所示。圖1-5從“開始”菜單中打開IDLE圖1-6體驗(yàn)交互式輸出文字

在圖1-6所示的IDLE中，界面上方是Python語言解釋器程序的版本信息，下面的“>>>”稱為提示符。在提示符“>>>”后輸入如下代碼，并按回車鍵，觀察解釋器窗口的變化。

>>>print("大家好，歡迎來到Python課堂！")

注意：Python對大小寫是敏感的，在輸入命令時(shí)大小寫必須嚴(yán)格按照上面的命令形式，特別是引號("")，不能使用中文中的引號(“”)，中文或全角字符只能出現(xiàn)在英文引號("")之間或者是注釋中。

如圖1-7所示，嘗試輸入幾行代碼。其中：輸入代碼“1?+?2?+?4?+?8”被解釋器接受，并成功顯示結(jié)果“15”；輸入代碼給變量pi賦值也被接受；而輸入“Python你好”，解釋器拒絕解釋執(zhí)行，并用紅色文字給出錯(cuò)誤提示信息。圖1-7Python只接受能理解的指令

2.文件方式

(1)在IDLE菜單欄中打開“File”菜單，選擇第一項(xiàng)“NewFile”，此時(shí)系統(tǒng)會創(chuàng)建一個(gè)新的窗口，其中的空白區(qū)域用來編輯代碼內(nèi)容；輸入圖1-8中的代碼，執(zhí)行“File”→“Saveas…”命令，將其保存為一個(gè)文件，命名為“pwd.py”。這樣就創(chuàng)建了第一個(gè)Python語言腳本文件。圖1-8在文本編輯窗口中輸入代碼

(2)在文本編輯器的“Run”菜單中選擇“RunModule”命令，或者直接使用快捷鍵F5，執(zhí)行這個(gè)文件中所有的代碼。

如圖1-9所示，執(zhí)行結(jié)果出現(xiàn)在IDLE的Shell窗口中。輸入的密碼“1234567”與正確密碼“123456”不符，所以顯示“Errorpassword”。圖1-9執(zhí)行pwd.py中的代碼

1.3.5Python的應(yīng)用領(lǐng)域

Python的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，以下是一些主要的應(yīng)用領(lǐng)域。

1.?Web應(yīng)用開發(fā)

2.數(shù)據(jù)分析與可視化

3.人工智能與機(jī)器學(xué)習(xí)

4.自動化運(yùn)維

5.網(wǎng)絡(luò)爬蟲

6.科學(xué)計(jì)算

7.游戲開發(fā)

1.4Python及PyCharm的安裝

1.4.1Windows下Python的安裝

Python是一種跨平臺的語言，可以在Windows和Linux等多種操作系統(tǒng)下使用，這里只介紹Windows平臺下的安裝，使用Linux的用戶可以查閱其他資料自行處理。

Windows下Python的安裝步驟如下：

(1)打開/download，選擇“download”菜單項(xiàng)下的“Allreleases”項(xiàng)，再選擇相應(yīng)的版本下載。本書采用的版本是3.10.10。如果想體驗(yàn)最新版本，可以選擇“downloadpython3.12.3”。

(2)鼠標(biāo)雙擊打開安裝包，在彈出窗口的最下方勾選“InstallLauncherforallUsers(recommended)”和“AddPython3.10toPATH”，然后點(diǎn)擊“Next”；勾選“Option”頁面中的全部選項(xiàng)，繼續(xù)點(diǎn)擊“Next”；在“AdvancedOption”頁面中勾選前5個(gè)選項(xiàng)，并選擇安裝路徑，最后點(diǎn)擊“Install”。注意：在最后安裝結(jié)束的頁面中，我們可以點(diǎn)擊“disablepathlengthlimit”禁用系統(tǒng)路徑長度限制，這將會在以后的使用中省去很多麻煩。

(3)安裝結(jié)束后，在系統(tǒng)中按下Win?+?R，輸入“cmd”后回車，進(jìn)入command命令行模式；然后輸入“python--version”進(jìn)行驗(yàn)證，若出現(xiàn)Python?+?版本號，則說明安裝成功，如圖1-10所示。圖1-10Python安裝成功驗(yàn)證

1.4.2PyCharm的安裝

與IDLE相比，PyCharm的功能更加強(qiáng)大，增加了項(xiàng)目管理等功能，適合更大規(guī)模的多模塊軟件開發(fā)，其主要功能包括編碼協(xié)助、項(xiàng)目代碼導(dǎo)航、代碼分析、Python代碼重構(gòu)、支持Django框架和支持GoogleApp、圖形頁面調(diào)試以及集成單元測試等。其使用相對也更復(fù)雜，熟練掌握后能大幅提高代碼開發(fā)效率。PyCharm3.13開發(fā)界面如圖1-11所示。本書中開發(fā)的實(shí)例都是在IDLE中完成的，有興趣的讀者也可以選擇使用PyCharm。圖1-11PyCharm3.13開發(fā)界面

1.?PyCharm3.10的安裝

安裝步驟如下：

(1)訪問官網(wǎng)/pycharm/download/#section=windows，下載“社區(qū)版Community”安裝包。

(2)雙擊安裝包，進(jìn)行安裝。建議不要把安裝目錄放置在系統(tǒng)盤(C盤)，而是另外選擇一個(gè)目錄如d:\pycharm310。在Options安裝界面勾選“Add‘bin’FoldertothePATH”，保證把安裝目錄添加到系統(tǒng)搜索路徑的變量中去。

2.第三方庫的安裝

(1)?NumPy：用于科學(xué)計(jì)算和數(shù)值分析。

2)?Pandas：用于數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)預(yù)處理。

(3)?Matplotlib：用于數(shù)據(jù)可視化和