第3章


编程基础： 认识程序







程序指为了完成某种特定功能，以某种程序设计语言编写的有序指令的集合。在计算机中，CPU只能执行二进制代码，而平常用户书写的一般是人类能够理解的编程语言。因此，要想让计算机理解用户书写的程序，就需要将程序翻译为计算机能够理解的二进制代码。根据翻译形式的不同，程序设计语言可以分为编译型语言和解释型语言。

Python是一个高层次的结合了解释性、编译性、互动性和面向对象的脚本语言。Python的设计具有很强的可读性，相比其他语言经常使用英文关键字、标点符号，Python的语法结构更有特色。本章内容是对Python基础知识的概览，旨在帮助初学者快速了解Python语言。




 Python环境搭建

 变量与基本数据类型

 Python基本编程方法



3．1环境搭建




3．1．1安装Python

Python是跨平台的，要学习 Python，首先需将其安装到计算机上。下面介绍Windows 10平台上的Python安装过程。

第1步根据Windows操作系统版本是64位还是32位，从Python 官网（https：//www．python．org/downloads/windows）下载对应的Python安装文件。这里强烈推荐安装Python 3．x版本，因为Python 2．x版本马上就不再支持。

注意： 安装过程中应选中Add Python 3．X to PATH复选框，如图31所示，单击Install Now即可开始Python安装。默认会将Python安装到C：＼Python3X目录下。



图31Python安装


第2步安装完成后，单击“开始”→“运行”，输入“CMD”后回车，打开命令提示符窗口，输入python，会出现如下两种情况。

情况一： 如果出现图32所示信息，说明Python安装成功。提示符号>>>表示已处于Python交互环境中，可以输入任何Python代码，回车后会立刻得到执行结果。输入exit()并回车，即可退出Python交互环境(直接关闭命令行窗口，或者使用快捷键Ctrl+C也可以)。



图32Python安装成功的提示信息


情况二： 如图33显示一个错误信息，提示Python不是内部或外部命令，也不是可运行的程序或批处理文件。这是因为Windows操作系统会根据Path的环境变量设定的路径查找Python．exe，如果没有找到，就会报错。多数情况下，这是由于安装Python过程中没有选中Add Python 3．X to PATH复选框。



图33Python安装不成功的提示信息


此时，需要通过以下方式将Python．exe所在的路径添加到Path中。

(1) 右击“计算机”，在弹出的快捷菜单中选择“属性”命令，在打开的窗口中单击“高级系统设置”超链接。

(2) 选择“系统变量”窗口下面的Path,双击，
在Path行添加Python安装路径即可。

3．1．2安装Anaconda

Anaconda本质上是一个软件发行版，包含了Conda、Python等180多个科学包及其依赖项，支持Linux、macOS、Windows操作系统，可以很方便地解决多版本Python并存、切换以及各种第三方包的安装问题。安装了Annaconda，就相当于安装了Python、Conda和可能用到的NumPy、SciPy、Pandas等常见的科学计算包，而无须再单独下载配置，如图34所示。



图34Anaconda界面


Anaconda对于Python初学者而言极其友好，相比单独安装Python主程序，选择Anaconda可以帮助省去很多麻烦。Anaconda里添加了许多常用的功能包，如果单独安装Python，则需要自行安装功能包，而在Anaconda中则不需要考虑这些，同时Anaconda还附带捆绑了两个非常好用的交互式代码编辑器(Spyder、Jupyter notebook)。

Anaconda的安装步骤如下。

第1步根据Windows操作系统版本是64位还是32位，从Anaconda官网（https：//www．anaconda．com/download）下载对应的Anaconda安装软件，如图35所示。



图35选择Anaconda的安装软件版本


第2步下载Anaconda安装文件，双击安装文件，打开图36所示的界面，单击Next按钮，开始安装。



图36开始安装Anaconda


第3步单击I Agree按钮，同意Anaconda的安装协议，如图37所示。


第4步选择Anaconda的安装类型，这里默认第一个，单击Next按钮，如图38所示。



图37用户协议界面




图38选择安装类型


第5步选择安装位置，如图39所示。使用默认安装位置，单击Next按钮。



图39选择安装位置


第6步安装高级选项，这里默认选择第二项，如图310所示，单击Install开始安装。


第7步正在安装Anaconda，界面显示安装进度，如图311所示。


第8步Anaconda安装成功，如图312所示。



图310选择安装高级选项




图311显示安装进度





图312Anaconda安装完成




3．2输入和输出




1. 输出

产生输出的最简单方法是使用print（）函数，将要打印查看结果的字符串放入到括号内。例如，要输出“hello,world”，用代码实现如下： 

>>> print('hello, world')

print()函数通过逗号“,”分隔零个或多个字符串，使其可以连成一串输出。print（）函数会依次输出每个对象，每遇到一个逗号“,”，就输出一个空格。例如： 

>>> print("Python is really a great language,", "isn't it?")

Python is really a great language, isn't it?

print()函数也可以输出整数，或者计算结果。例如： 

>>> print(300)

300

>>> print(100 + 200)

300

因此，可以把计算100 + 200的结果输出得更美观一点： 

>>> print('100 + 200 =', 100 + 200)

100 + 200 = 300

注意，对于100 + 200，Python解释器自动计算出结果300。但是，“100+200=”是字符串而非数学公式，因此Python将其视为字符串。请读者自行解释上述输出结果。

2. 输入

Python提供了input()内置函数，可以从标准输入读入一行文本，默认的标准输入是键盘。input（）函数可以接收一个Python表达式作为输入，并返回运算结果。例如，输入用户的名字： 

>>> name = input()

CYH

当输入name=input()并按Enter键后，Python交互式命令行即在等待用户输入。这时，用户可以输入任意字符，按Enter键完成输入。例如： 

>>> name

'CYH'

有了输入和输出，就可以把前面输出“hello,world”的程序改写为有意义的程序，如下： 

>>> name = input()

>>> print('hello,', name)

运行上述程序，第一行代码会让用户输入任意字符作为自己的名字，并存入name变量中； 第二行代码会根据用户的名字向用户说hello。但是程序运行时，没有任何信息提示用户。幸好，input()可以显示一个字符串来提示用户，于是把代码改成： 

>>> name = input('please enter your name: ')

>>> print('hello,', name)

再次运行该程序会发现，程序会首先输出“please enter your name：”，此时用户即可根据提示进行输入。



3．3变量




变量是编程中最基本的存储单元，变量存储内存中的值，这就意味着在创建变量时会在内存中开辟一个空间。对于基于变量的数据类型，解释器会分配指定内存，并决定什么数据可以被存储在内存中。因此，变量可以指定不同的数据类型。在计算机程序中，这些变量可以存储整数或浮点数，还可以是字符串。

每个变量在内存中创建时，都包括变量的标识、名称和数据等信息。每个变量在使用前都必须赋值，只有赋值以后该变量才会被创建。等号“=”用来给变量赋值，等号“=”左边是一个变量名，等号“=”右边是存储在变量中的值。例如，英国作家道格拉斯·亚当斯（Douglas Adams）在著名科幻小说《银河系漫游指南》中虚构了一个故事： 一台名为Deep Thought的计算机，通过750万年的计算，得到了生命、宇宙以及一切问题的答案是42，如果用编程语言来表达，就是图313所示等式，一个称为answer的变量被赋值为42。



图313变量赋值




3．4数据类型




在Python程序设计中，内存中存储的数据可以有多种类型，每个值对应一种数据类型。例如，一个人的年龄可以用整数来存储，名字可以用字符来存储。但是，用户并不需要声明变量的数据类型，Python会根据每个变量的初始赋值情况分析其类型，并在内部对其进行跟踪。Python定义了5种标准的数据类型，包括Number(数值类型)、
String(字符串)、
List(列表)、
Tuple(元组)、
Dictionary(字典)，用于存储各种类型的数据。

3．4．1数值类型

Number数值类型用于存储数值，Python 3支持以下4种不同的数值类型。

(1) 整型(Integer)： 是不包含小数部分的数值型数据，是正或负整数，不带小数点。Python 3的整型类型没有限制大小，可以当作Long类型使用。

(2) 浮点型(Floating Point Number)： 或称为浮点数，表示实数，由一个小数点分隔的整数部分和小数部分组成。浮点数也可以使用科学记数法表示。

(3) 复数(Complex Number)： 由实数部分和虚数部分构成，形式如a+bj，或者complex(a，b)，其中复数的实部a和复数的虚部b都是浮点型。

(4) 布尔型(Boolean)： Python 3中把true和false定义成关键字，但它们的值还是1和0。

有时需要对数值内置类型进行转换，此时只需将数值类型作为函数名即可。数据进行类型转换时有如下4个函数可以使用： 

（1） int(x)： 将x转换为一个整数。

（2） float(x)： 将x转换为一个浮点数。

（3） complex(x)： 将x转换为一个复数，实数部分为x，虚数部分为0。

（4） complex(x,y)： 将x和y转换为一个复数，实数部分为x，虚数部分为y。x和y是数字表达式。

下面看几个常用的数值类型运算： 

>>> 2 / 4   #除法，得到一个浮点数0.5

0.5

>>> 2 // 4  #整除，得到一个整数0

0

>>> 17 % 3  #取余，得到一个整数2

2

>>> 2 ** 5  #乘方，得到一个整数32

32

3．4．2字符串

字符串是Python中常用的数据类型，是一个有序的字符集合。用户可以使用引号('或")创建字符串。创建字符串的方法很简单，只需为变量分配一个值即可。例如： 

1 >>> str1 = "Hello Python!"

Python的字符串列表有两种取值顺序： 

（1） 从左到右索引默认从0开始，最大范围是字符串长度减1。

（2） 从右到左索引默认从-1开始，如图314所示。



图314字符串索引


如果要实现从字符串中获取一段子串，可以使用［头下标：尾下标］截取相应的字符串。截取字符串的语法格式如下： 

变量［头下标：尾下标］

或

变量［头下标：尾下标：步长］

［头下标：尾下标］ 获取的子字符串包含头下标的字符，但不包含尾下标的字符。例如： 

>>> str = 'Python'

>>> print (str)          #输出字符串

Python

>>> print (str［0:-1］)    #输出第一个到倒数第二个所有字符

Pytho

>>> print (str［2:5］)     #输出从第3个开始到第5个字符

tho

>>> print (str［2:］)      #输出从第3个开始其后所有字符

thon

3．4．3列表

列表是Python中使用较频繁的数据类型，是Python中的内置有序序列。列表可以实现大多数集合类的数据结构，如图315所示。



图315列表样例


列表支持字符、数字、字符串，甚至还可以包含列表(嵌套)。列表的所有元素放在一对中括号“［］”中，并使用逗号分隔。列表中值的切割也可以使用变量 ［头下标：尾下标］ ，从左到右索引默认从0开始，从右到左索引默认从-1开始，下标可以为空（表示取到头或尾），如图316所示。



图316列表索引


列表可以进行赋值、删除、添加等修改性操作。当列表元素增加或删除时，列表对象自动扩展或释放内存，保证元素之间没有缝隙。列表可以包含不同类型的元素，但是通常所有的元素具有相同的类型。例如： 

>>> t = ［1,2,3,4］

>>> t［1］ = 4

>>> t

1,4,3,4

>>> del t［0］ 

>>> t

4,3,4

>>> t［:1］ = ［］

>>> t

3,4

3．4．4元组

Python的元组与列表类似，但是元组不能二次赋值，相当于只读列表，因此元组常常又被称为“不可变列表”。元组使用小括号()表示，如图317所示。



图317元组样例


元组创建很简单，只需在括号中添加元素，并使用逗号隔开。例如： 

>>> tup1 = ('physics', 'chemistry', 1997, 2000)

>>> tup2 = (1, 2, 3, 4, 5 )

以下操作对于元组是无效的，因为元组中的元素值不允许修改，而列表允许更新。

tuple = ('hello', 1 , 2, 'python')

list =  ［'hello', 1 , 2, 'python'］

tuple［2］ = 3    #元组中是非法操作

list［2］ = 3     #列表中是合法操作

但用户可以对元组进行连接。例如： 

>>> tup1 = (12, 34)

>>> tup2 = ('abc', 'xyz')

>>> tup3 = tup1 + tup2

>>> tup3

(12, 34, 'abc', 'xyz')

3．4．5字典

程序设计中，其实很多概念是来自现实生活中的原型。Python中的字典就如现实世界中的字典一样，使用“名称：内容”进行数据的构建，在Python中分别对应“键(key)：值(value)”，习惯称之为键值对，如图318所示。



图318字典样例


列表是有序的对象集合，字典是无序的对象集合。两者之间的区别在于： 字典中的元素是通过键来存取的，而不是通过偏移存取。字典是一种映射类型，是一个无序的键值对“键(key)：值(value)”的集合，每个键值对之间用逗号“,”分隔，整个字典包括在大括号“{}”中。字典的格式如下： 

d = {key1 : value1, key2 : value2 }

键（key）一般是唯一的，如果重复，则最后一个键值对会替换前面的，值不需要唯一。例如： 

>>> dict = {'a': 1, 'b': 2, 'b': '3'}

>>> dict［'b'］

'3'

>>> dict

{'a': 1, 'b': '3'}



3．5Python编程




3．5．1控制流

控制流元素非常重要，可以在程序中包含有意义的业务逻辑。很多商务处理和分析依赖于业务逻辑，如“如果客户的花费超过一个具体值，就……”或“如果销售额属于A类，则编码为X； 如果销售额属于B类，则编码为Y； 否则编码为Z”，这些逻辑语句在代码中就可以用控制流元素表示。Python提供了若干种控制流元素，包括ifelifelse语句、for循环、while循环和break与continue语句。

1. if条件控制

条件控制就是对ifelse的使用。正如它们的名字所示，ifelse语句提供的逻辑为“如果这样，那么就……，否则……”。else代码块（code block）并不是必需的，但可以使代码更加清楚。ifelse语句的基本结构如图319所示。



图319ifelse语句的基本结构


ifelse语句中，条件(condition)指的是成立的条件，即返回值为true的布尔表达式。

一般情况下，设计程序时需要考虑逻辑的完备性，并对用户可能会产生困扰的情况进行预防性设计，这时就会形成多条件判断。多条件判断同样很简单，只需在if和else之间增加elif即可，用法和if一致。多条件判断是依次进行的，首先判断条件是否成立，如果成立就运行内部代码，如果不成立就顺次判断下面的条件是否成立，如果不成立则运行else对应的语句。ifelse多条件判断的基本结构如图320所示。



图320ifelse多条件判断的基本结构


【例21】已知某课程的百分制分数mark，将其转换为五级制(优、良、中、及格、不及格)的评定等级grade，评定条件如图321所示。



图321分数五级制


根据评定条件，其可以通过如下多条件控制流实现。

>>> mark = int(input("请输入分数："))

>>> if (mark >= 90):

grade = "优"

elif (mark >= 80):

grade = "良"

elif (mark >= 70):

grade = "中"

elif (mark >= 60):

grade = "及格"

else: 

grade = "不及格"

>>> print(grade)

在上面的代码中可以清晰地看到代码块。代码块的产生是由于缩进，即具有相同缩进量的代码实际上是在共同完成相同层面的事情。另外，if…elif …elif…序列用于替代其他语言中的switch或case语句。

2. for循环

可迭代对象(Iterables)一次可以返回一个元素，因此可以适用于循环。Python包括如下几种常用的可迭代对象： 列表、元组、字典或字符串。Python 3中的内置对象range可以产生指定范围的数字序列，格式如下： 

range(start, stop［, step］)

range返回的数字序列从start开始，到stop结束(不包含stop)。range可以指定可选的步长step。例如： 

>>> for i in range(1,11): 

>>> 	print(i, end=' ')   #输出：1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

>>> for i in range(1,11,3): 

>>> print(i, end=' ')   #输出：1 4 7 10

for语句可以遍历可迭代对象集合中的元素，如遍历列表、元组或字符串等包含的元素。也可以使用range()函数与len()函数一起作用于列表，生成一个索引序列，用在for循环中。for语句的基本结构如图322所示。



图322for语句的基本结构


【例22】利用for循环求1~100中所有奇数的和以及所有偶数的和。

1>>> sum_odd = 0; sum_even = 0

2>>> for i in range(1,101):

if i % 2 != 0:

sum_odd = sum_odd +i

else:

sum_even = sum_even +i   

3>>> print("1-100之间奇数的和是：", sum_odd)   

#输出：1-100之间奇数的和是：2500

4>>> print("1-100之间偶数的和是：", sum_even) 

#输出：1-100之间偶数的和是：2550

在编程中还有一种常见的循环，即嵌套循环或称为多重循环。嵌套循环是指一个循环体内又包含另一个完整的循环结构。在嵌套循环中，两种循环语句(for循环和while循环)可以相互嵌套。

3. while循环

Python编程中，while语句也可以用于循环执行程序，即在某条件下循环执行某段程序，以处理需要重复处理的相同任务。但是，for循环用于集合中每个元素的一个代码块，集合中元素被穷尽遍历时停止； 而while循环可以不断进行，直到不满足指定条件为止。因此，while的作用概述成一句话就是“只要…条件成立，就一直做…”。while循环的基本结构如图323所示。



图323while循环的基本结构


【例23】while循环示例： 给定指定包含整数集合的列表，分别产生奇数列表和偶数列表。

1>>> numbers = ［12, 17, 3, 20, 8, 7］

2>>> even = ［］

3>>> odd = ［］

4>>> while len(numbers)>0:

number = numbers.pop()

if(number%2 == 0):

even.append(number)

else:

odd.append(number)

4. break与continue语句

break语句用于提前终止for或while循环语句，即循环条件没有false条件或者序列没有被完全递归完也会停止执行循环语句，接着执行循环语句的后继语句。continue语句类似于break语句，也必须在for或while循环中使用，但是continue语句仅用于跳出本次循环。continue 语句用来告诉Python跳过当前循环的剩余语句，然后继续进行下一轮循环。break与continue语句如图324所示。



图324break与continue语句


continue语句与break语句的区别： continue语句仅结束本次循环，并返回循环的起始处，如果循环条件满足，就开始执行下一次循环； 而break语句则是结束循环，跳转到循环的后继语句执行。

3．5．2函数

前面已经介绍了部分函数，其中print()函数和input函数两个基本函数如图325所示。



图325基本函数


函数是组织好的、可重复使用的、用来实现单一或相关联功能的代码段。函数能提高应用的模块性和代码的重复利用率。Python中函数的应用非常广泛，前面我们已经接触过多个函数，如input()、print()、range()函数等，这些都是 Python 的内置函数，可以直接使用。

Python自带的函数数量是有限的，除了可以直接使用的内置函数外，Python 还支持自定义函数，帮助我们做更多的事情。设计符合使用需求的函数，即将一段有规律的、可重复使用的代码定义成函数，从而达到一次编写、多次调用的目的，以下是简单的规则： 

(1) 函数代码块以 def 关键词开头，后接函数标识符名称和圆括号()。

(2) 任何传入参数和自变量必须放在圆括号中。圆括号之间可以用于定义参数。

(3) 函数的第一行语句可以选择性地使用文档字符串（用于存放函数说明）。

(4) 函数内容以冒号起始，并且缩进。

(5) return ［表达式］ 结束函数，选择性地返回一个值给调用方； 不带表达式的return相当于返回 None。

我们读一遍： Define a function named 'function' which has two agruments： arg1 and arg2, returns the result 'Something', 是不是很易读很顺畅？代码的表达比英文句子更简洁，具体的语法格式如图326所示。



图326函数定义


调用函数的方法就是直接写出自定义的函数名，如果有参数，还需要指定实际传入的参数值。函数调用的语法格式如下： 

函数名(［实参列表］)

【例24】定义计算并返回第n阶调和数(1+2+3+…+n)的函数, 从命令(input)获取所需输出的调和数个数n，输出前n个调和数。

>>> def harmonic(n):#计算n阶调和数(1 + 2 + 3 + … + n)

total = 0.0

for i in range(n): 

total += i

return total

>>> n = int(input("输出的调和数个数n:"))#三角形行数

>>> for i in range(1, n+1):

print(harmonic(i))



本章小结




Python是一种面向对象的编译型、解释型的计算机程序设计高级语言，提供高效的高级数据结构，成为多数平台上写脚本和快速开发应用的编程语言。本章作为Python的基础知识部分，首先对编程环境的配置进行了介绍，学习了Python及其发行版Anaconda的安装方法； 其次，介绍了Python语言的输入输出、变量以及5种标准的数据类型，包括数值类型、字符串、列表、元组、字典； 在流程控制语句方面，介绍了条件语句、循环语句； 在Python函数方面，介绍了自定义函数的创建。



习题




1． Python包括哪些不可变序列数据类型？哪些可变序列数据类型？

2．  输入三角形的3条边a、b、c，判断此3边是否可以构成三角形。若能，则进一步判断三角形的性质，即为等边、等腰、直角或其他三角形。

3．  随便给定一个在一定范围内的数字，让用户猜该数字是多少，并输入自己猜测的数字，系统判断是否为给定数字。如果猜测数字大于给定值，则提示“输入值过大”； 否则，提示“输入值过小”； 如果等于给定数字，就提示“猜对了”，并展示猜了多少次才猜中。