第1章

认识Python




【学习目标】 
(1) 了解Python特点和用途。
(2) 掌握Python环境的搭建。
(3) 了解综合案例内容及要求。
任务1.1了解Python
1.1.1Python语言的特点

Python语言诞生于1989年，是由吉多·范罗苏姆开发的一种面向对象、解释型、弱类型的脚本语言，也是一种功能强大而完善的通用型语言。
它的主要特点如下。 
(1) 通用性。Python语言几乎可以用于任何与程序设计相关应用的开发。
(2) 语法简洁、易学。Python语言主要用来精确表达问题逻辑，更接近自然语言，只有33个保留字，十分简洁。
(3) 面向对象。Python语言既支持面向过程，也支持面向对象，提供了类、对象、继承、重载、多态等编程机制。
(4) 丰富的扩展库。Python提供了丰富的标准库，可以满足各种编程场景的应用，如数据分析与挖掘、图像处理、网络爬虫等。
1.1.2了解Python语言的应用领域
Python具有丰富和强大的库。它常被戏称为“胶水语言”，因为使用Python能够把用其他语言制作的各种模块(尤其是C/C++)很轻松地联结在一起。常见的一种应用情形是使用Python快速生成程序的原型(有时甚至是程序的最终界面)，然后对其中有特别要求的部分，用更合适的语言加以改写，比如3D游戏中的图形渲染模块，性能要求特别高，就可以先用C/C++重写，而后封装为Python可以调用的扩展类库。Python的应用领域非常广泛，其主要应用包括但不限于以下领域。 
(1) 系统编程。提供API(Application Programming Interface，应用程序编程接口)，能方便进行系统维护和管理，Linux下标志性语言之一，是很多系统管理员理想的编程工具。
(2) 图形处理。提供PIL、Tkinter等图形库支持，能方便地进行图形处理。
(3) 数学处理。NumPy扩展提供大量标准数学库的接口。
(4) 文本处理。Python提供的re模块能支持正则表达式，同时还提供SGML、XML分析模块，许多程序员利用Python可方便地进行XML程序的开发。
(5) 数据库编程。程序员可通过遵循Python DBAPI(数据库应用程序编程接口)标准的模块与SQL Server、Oracle、Sybase、DB2、MySQL、SQLite等数据库进行通信。Python自带Gadfly模块，提供了一个完整的SQL环境。
(6) 网络编程。提供丰富的模块支持Sockets编程，能方便快速地开发分布式应用程序。很多大规模软件开发计划,如Zope、Mnet、BitTorrent及Google都在广泛地使用Python。
(7) Web编程。应用的开发语言，支持最新的XML技术。
(8) 多媒体应用。Python的PyOpenGL模块封装了OpenGL应用程序编程接口，利用该模块能进行二维和三维图像处理。另外，PyGame模块可用于编写游戏软件。
(9) 数据分析与处理。Python拥有一系列比较完善的数据分析与处理的标准库，其中Matplotlib经常会被用来绘制数据图表，它是一个2D绘图工具，可以完成直方图、散点图、折线图、条形图等的绘制。Pandas是基于Python的一个数据分析工具，该工具是为了解决数据分析任务而创建的，拥有大量类库和一些标准的数据模型，提供了可高效操作大型数据集所需的工具。















任务1.2Python语言开发环境搭建与使用
Spyder是一个简单的Python开发集成环境，Python的Anaconda版本中则集成了对Spyder的支持。Anaconda是一个开源的Python发行版本，是一款集成的Python环境，安装Anaconda后就默认安装了Python、IPython、集成开发环境Spyder和众多的包和模块。如在安装过程中选择一键安装，软件包则包含了Python等180多个科学包及依赖项，其最大的特点就是可以便捷获取包，且能方便地对包及其版本进行管理。
(1) 下载Anaconda。Anaconda可以从官网https://www.anaconda.com/distribution/下载，也可以从清华大学镜像网站下载，对于速度而言，国内镜像下载比较快。清华大学的镜像网址为https://mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/anaconda/archive/，选择Anaconda35.0.0Windowsx86_64.exe，如图11所示。


图11清华大学镜像网址文件选择页面


(2) 安装Anaconda。下载完成后，双击安装文件，弹出的界面如图12所示。


图12Anaconda3安装界面


单击Next按钮，打开如图13所示的对话框，在Advanced Options栏中不要选中Add Anaconda3 to the system PATH environment variable(添加Anaconda至系统环境变量)复选框。因为如果选中该复选框，则将会影响其他程序的使用。如果使用Anaconda，则通过打开Anaconda Navigator或者开始菜单中的Anaconda Prompt(类似Mac OS中的“终端”)即可。
为了让其他相关程序，如一些Python开发环境，能够自动检测Anaconda，请选中Register Anaconda3 as the system Python 3.8复选框。如图13所示。


图13Advanced Installation Options窗口


然后单击Install按钮开始安装。如果想要查看安装细节，则可以单击Show Details按钮。安装完成后则可以启动Spyder。选择“开始”|Anaconda3|Spyder，便可以打开Spyder环境开发窗口，如图14所示。 


图14Spyder开发窗口


在右下角的Console区输入Python命令后按Enter键，即可获得交互式结果。如图15所示，在Console区输入print(3+4)命令后按Enter键，即可获得输出结果7。


图15Console交互命令区


位于窗口左侧编辑区的文件untittled0.py即为当前可编辑的Python程序文件，可以在其中写入Python程序后，单击菜单Run|Run，会要求先保存文件，输入自定义文件名lesson1并进行保存后，即可在Console区看到运行结果，如图16所示。


图16Python程序编辑及运行结果


任务1.3Python程序运行方式
Python程序有两种运行方式，即交互式和文件式。
交互式是指利用Python解释器即时响应用户输入的代码并输出结果，在学习使用单个语句命令时，这种方式尤为方便易用。如1.2节中的图15展示了交互式的运行方式。
文件式是指先将代码编写成Python程序(扩展名为.py)，然后启动解释器将源代码转换为字节码(扩展名为.pyc)，之后将字节码转发到Python虚拟机中解释执行。如1.2节中的图16展示了Python程序的文件式运行方式。


任务1.4


任务1.4本书综合案例简介
Python支持很多开源扩展库，Turtle是其中一个，它可以控制小海龟在屏幕上移动进行绘图。使用Turtle库中提供的函数可以实现在屏幕上绘制静态图形、动画的制作及程序与用户的实时交互。


图17图形动画综合案例示意图


为了综合运用Python知识，本书中提供了一个基于Turtle库的图形动画程序作为贯穿案例，其效果如图17所示。图中有四个中国结、一个长木板、一段文字及一个作为场景图形的小树林。其中四个中国结画法一致，但初始时大小位置不同，在运行时，四个中国结会按一定速度上下运动，到达上下边界后反向运动。通过按键A、D可以控制木板左右移动，在与中国结相遇时，中国结会停留在上面。当用户使用按键移动木板离开中国结范围时，中国结会继续下落。木板成为一个控制中国结是否下落的变因，从而完成用户对动画的控制，类似于游戏中玩家对游戏的控制。此程序涉及图形的绘制、动画的基本元素、动画交互的基本元素等相关知识，简单易学。整个案例的实现被分解成各个知识模块并贯穿于各个章节中，有助于基础知识的学习和运用，并可在此基础上扩展，从而能够制作复杂的动画和游戏程序。
在第3章中会使用模块化程序设计方法将单个中国结的绘制分解成主要函数，并调用Turtle库绘图函数实现各模块基本组成部分。在第4章会对各函数使用选择结构、循环结构进行扩充、完善，从而实现完整单个中国结的绘制及运动。在第5章会应用元组、列表、字典等数据结构扩展程序，用来实现多个中国结的生成及运动控制。在第6章会应用字符串、文件等实现中国结参数的动态输入获取，从而增加程序的灵活性。在完成案例开发的过程中既可学习Python的基本知识，又可以依据所学知识设计自己的动画和游戏程序，从而培养综合程序设计开发的能力。

小结
本章介绍了Python语言的特点和用途，并以Anaconda环境为例介绍了Python开发环境的搭建过程及使用方法，同时介绍了一个贯穿案例的运行效果及主要绘制过程。通过本章的学习，相信你已经掌握了Python语言工作环境的搭建方法，并了解了学习的主要目标，可以展开有趣的学习旅程了。
习题

一、 填空题
1. Python是由、、三个主要部分组成。
2. 编写Python语言程序，其扩展名为，编译后生成的文件扩展名为。

二、 简答题
1. Python程序的运行原理是什么？
2. Python程序运行方式有哪些？
3. Python有哪些特点？







第2章

Python基础知识


【学习目标】 
(1) 掌握Python标识符的命名及注释规则。
(2) 掌握Python变量的定义及使用方法。
(3) 掌握Python的输入输出控制。
(4) 掌握Python的基本数据类型。
(5) 掌握Python的算术运算符及表达式的应用。
任务2.1学习Python基本语法
【任务描述】
使用Python语言编写程序实现中国结案例，需要按照Python语言的语法规则，创建变量、注释及进行基本运算等。
【任务分析】
(1) 掌握Python的注释规则。
(2) 掌握Python标识符的命名规则。


微课21


2.1.1注释
注释是对程序代码的解释和说明。在编写程序时，为了提高程序的可读性，让人一看就知道这段代码的作用，需要给某些重要的代码添加注释。Python解释器会忽略注释，而且注释内容也不会影响程序的执行结果。Python中的注释有两种，即单行注释和多行注释。
1. 单行注释
Python中的单行注释以#开头。
【代码21】单行注释。使用#对一行代码进行单行注释。


1#输出中国结

2print("中国结寓意真善美！")


代码说明： Python解释器执行语句print("中国结寓意真善美！")，输出“中国结寓意真善美！”。“#输出中国结”是单行注释语句，不被执行。运行结果如下：


中国结寓意真善美！

2. 多行注释
Python中用三个单引号(''')或者三个双引号(""")将多行注释括起来。

【代码22】使用三个单引号(''')的多行注释。
使用三个单引号(''')对一段代码进行多行注释。


1'''

2输出中国结

3输出长木板

4输出汉字

5'''

6print("中国结。")            

7print("长木板。")            

8print("汉字")  

代码说明： 使用三个单引号表示三行注释语句，即“输出中国结”“输出长木板”“输出汉字”。Python解释器执行三条print语句，并输出结果。运行结果如下： 

中国结。

长木板。

汉字


【代码23】使用三个双引号(""")的多行注释。
使用三个双引号(""")对一段代码进行多行注释。

1"""

2输出中国结

3输出长木板

4输出汉字

5"""

6print("中国结。")            

7print("长木板。")            

8print("汉字")  

代码说明： 使用三个双引号表示三行注释语句，即“输出中国结”“输出长木板”“输出汉字”。Python解释器执行三条print语句，并输出结果。运行结果如下：

中国结。

长木板。

汉字

3. 注释的位置
















为了使程序清晰易懂，注释量需要达到源程序的20％以上，注释一般会被使用在Python源程序中的以下几个方面。 
(1) 在Python文件的开头，添加安装路径和编码格式注释。
使用语句“#!/usr/bin/env python”，告诉操作系统，先到env里查找Python 的安装路径，再调用解释器运行程序。
使用语句“# * coding: utf8*”，告诉Python编译器，源程序是使用utf8编码的。
(2) 在安装路径和编码格式注释后，添加模块的功能说明。

"""

Shared support for scanning document type declarations in HTML and XHTML.

This module is used as a foundation for the html.parser module.  It has no

documented public API and should not be used directly.

"""

(3) 在类名后，添加类的说明。

class JSONDecodeError(ValueError):

"""

Subclass of ValueError with the following additional properties:

msg: The unformatted error message

doc: The JSON document being parsed

pos: The start index of doc where parsing failed

lineno: The line corresponding to pos

colno: The column corresponding to pos

"""

(4) 在函数名后，添加函数说明。

def __init__(self, filename=None, file=None, **options):

"""

Construct a new TextFile object.  At least one of 'filename'

(a string) and 'file' (a file-like object) must be supplied.

They keyword argument options are described above and affect

the values returned by 'readline()'.

"""

(5) 在重要的代码后添加注释。

pos=rawdata.rindex("＼n", i, j)    # Should not fail




微课22


2.1.2Python标识符
在编写Python程序时，需要给常量、变量、函数、模块等对象命名，这种用于标识对象的名字被称为标识符。在Python语言中，标识符必须遵守命名规则，即标识符可以包括英文、数字以及下划线(_)，但不能以数字开头，且标识符区分大小写。例如，以下是合法的标识符： indent、check_environ、__init__、indent2、apple、APPLE。注意，apple与APPLE是两个不同的标识符。
为了提高程序的可读性、可维护性、可重用性，降低程序出错的可能性，在遵守Python标识符命名规则的基础上，建议遵循以下约定： 
 项目的命名建议使用单词首字母大写，如MyProject。
 文件的命名建议使用小写，可以使用下划线，如file_util。
 模块的命名建议使用小写字母，且简短，尽量不使用下划线，如util。
 包的命名建议使用小写字母，且简短，不使用下划线，如numpy。
 类的命名建议使用单词首字母大写，如StrictVersion。
 私有类的命名建议使用下划线开头，如_StrictVersion。
 常量的命名建议使用大写字母，如有多个单词，可以使用下划线隔开，如PI=3.14159。
 函数的命名建议使用小写字母，如有多个单词，可以使用下划线隔开，如create_static_lib。
 异常的命名建议使用Error作为后缀，如KeyError。
 全局变量的命名建议使用大写字母，如有多个单词，可以使用下划线隔开，如MY_PATH。
 普通变量的命名建议使用小写字母，如有多个单词，可以使用下划线隔开，如realm。
 只读对象的命名建议使用小写字母，并在开头和结尾添加下划线，如_id_。
在Python语言中，有些标识符已经被赋予了特定的含义，已被Python语言内部定义并保留使用，称为保留字。程序员在为变量、函数、类、模板等对象命名时，不能使用保留字。Python的保留字有：and、as、assert、break、class、continue、def、del、elif、else、except、finally、for、from、False、global、if、import、in、is、lambda、nonlocal、not、None、or、pass、raise、return、try、True、while、with、yield。
Python中的保留字同样区分大小写，如if是保留字，而IF不是保留字。
任务2.2变量与输入/输出控制
【任务描述】
在中国结案例中，通过变量记录中国结的尺寸并显示位置的x坐标、y坐标。
【任务分析】
(1) 掌握变量的定义及使用方法。
(2) 掌握变量的输入输出方法。


微课23


1. 变量的简单赋值
中国结的结心红线尺寸以及基准点的横纵坐标的值，根据不同的应用需求，可以灵活改变，这种值可以变化的量，称为变量。Python语言实现变量的方法是，在计算机内存中开辟一个空间存放“值”，并将该内存空间的地址存放在另一个内存空间中，这个存放地址的内存空间就是变量。
现在通过Python语言实现一个结心红线尺寸为100且基准点横坐标为-200、基准点纵坐标为200的中国结。首先，按照标识符的命名规则，为中国结的基准点横纵坐标及结心红线尺寸分别取名为x、y、size，然后为三个变量分别赋予一个值。变量赋值的语句格式为： 变量名=变量值。
【代码24】变量的简单赋值。

1x=-200#变量x 赋值为-200

2y=200#变量y 赋值为200

3size=100#变量size赋值为100

代码说明： “=”是赋值符号，它将右边的值赋给左边的变量，Python语言中变量要赋值后才能在内存中创建。在Python语言中，变量没有数据类型，同一个变量可以赋值任何数据，变量通过对内存地址的引用实现值的读取和修改。变量的简单赋值结果如图21所示。 


图21变量的简单赋值结果


变量可以多次赋值，并保留最新一次的赋值。例如，需要将中国结的结心红线尺寸修改为80，可以重新为变量size赋值，即size=80，变量多次赋值结果如图22所示。