第章1
基础知
识


目前虽然专门从事软件开发的人员很多,教学、科研、商务中的许多业务,可以委托这些
专业人员去完成,但有时受限于客观条件,需要我们自己处理和分析学习和工作中的数据。
使用本行业专业化的软件虽然能够满足要求,但这些软件庞大而昂贵;用大众化软件如
Excel却又不能满足要求,此时非软件开发人员就需要小露一手,自己编写程序。

C++、Java等编程语言虽然功能强大,但对于非软件专业的人士,编写代码的工作量很
大,在较短的时间内上手有一定的困难。Matlab虽然在科学计算、数据分析、通信、机器学
习、图像处理等方面提供了简单易用的工具包,但软件价格昂贵。Python是由Guidovan 
Rosum在1989年年底出于某种娱乐目的而开发的,其语言基础是ABC 。ABC语言功能
强大,专门为非专业程序员而设计,因而Python上手容易,学习成本低。

1.1　软件的安装
登录网站htps://www.Python.org,根据个人计算机操作系统选择下载并安装
Python。Pyton有2.X和3.考虑到2.X版本将来不再更新,建议安装3.

hX版本,X版本。
安装成功后,n自带一个集成开发环境IDLE 。要注意,低于Py7的版本不能直

Pythothon3.
接识别中文命名的文件和文件夹。除Python的IDLE外,还可以安装其他编程器,如
Anaconda、Pycharm等。Anaconda是一个包含180多个科学包及其依赖项的发行版本,下
载的网址htps://www.anaconda.com/download/。Anaconda自带有conda、NumPy、
Sc、pyhnntboca软件下载的网址hs:jtrisc

iPyitooeok等。Pyhrm 
tp//www.eban.om/ 
pycharm/,安装完成后,如果计算机上安装了不同版本的Python,需要为Pycharm配置
Python版本及库文件。方法是单击Pycharm,选择File→Setings→ProectInterreter菜
单命令,设置指定版本的Python。
jp

Pycharm是Python最专业的编程软件,但运行时计算机耗费的资源较大。本书仅以
WinowtoItgaeeeonnerigEnion集

ds下Pyhn自带的IDLE(nertdDvlpmetadLannvrnmet, 
成开发与学习环境)为例,介绍Python。

1.2　管理Python 
相关的扩展库
要安装Python的库文件,需要以管理员的身份在Windows的命令提示符窗口中执行pip
命令。pito如D:to\Pyhn7.cit

p命令在Pyhn软件安装的文件夹中, \Pyhnto3.1\Srps。另


Python 基础及应用
002 
外,更新pip命令时需要使用Python.exe,该命令在Python安装的文件夹中,命令窗口中每
次运行这些命令时都需要转到相应的文件夹下,比较麻烦。简单的方法是在Windows中设
置环境变量。下面以Python安装在D:\Python\Python3.7.1为例,说明环境变量的设置。
在Windows桌面右击“此电脑”,依次选择“属性”→“高级系统设置”→“环境变量”,查
看在administrator的用户变量下有无Path变量,如果没有就单击“新建”按钮;否则单击
“编辑”按钮。“新建”时在“变量名”中输入Path、“变量值”中输入D:\Python\Python3.7.1 
\Scripts;D:\Python\Python3.7.1\。编辑Path变量时,在已经存在的变量值后增加D: 
\Python\Python3.7.1\Scripts;D:\Python\Python3.7.1\,变量值间用半角分号( )分隔。
在Windows的搜索框中,输入cmd,出现命令提示符,右击,选择“以管理员身份运行”, 
进入“命令提示符”窗口。输入命令piplist,将列出已经安装的库。如果有新版本的pip命
令,执行时会出现WARNING:Youareusingpipversion19.3.1;however,version20.0.2 
isavailable.Youshouldconsiderupgradingviathe 'Python-m pipinstall--upgradepip' 
command的提示,要求输入:Python-mpipinstall--upgradepip完成更新。
(1)联网情况下。在Windows命令提示符下执行pip,可以完成Python扩展库的安
装、升级、卸载等。下面以NumPy为例说明。
安装NumPy: 
pip install numpy 
升级NumPy: 
pip install --upgrade numpy 
卸载NumPy: 
pip uninstall numpy 
在某些情况下,必须安装指定的版本才能保证各模块间相互协调,如aircv.1.4.6须安装
OpenCV3.4.2.16才能使用,可用pipinstallopencv-python==3.4.2.16指定OpenCV 的
版本。由
于OpenCV3.x将SIFT 等算法整合到xfeatures2d集合,而xfeatures2d在opencvcontrib
中,故在OpenCV 中要使用SIFT等算法,必须用pipinstallopencv-contrib-Python 
安装OpenCV。
(2)在联网的情况下,先从网站https://www.lfd.uci.edu/~gohlke/Pythonlibs/上将
需要安装库的wdl下载到当地某个文件夹。图1-1 是下载OpenCV 的界面,根据自己
Windows系统,选择下载的文件。下载的链接中amd64表示64位,win表示Windows系
统,4.2.0表示版本号。
以下载opencv_Python4.2.0cp38cp38win_amd64.whl到c:\Python_wdl文件夹为例, 
安装时需要在Windows的“命令提示符”窗口中执行: 
pip install c:\Python_wdl\opencv_Python4.2.0cp38cp38win_amd64.whl 
有时从第三方网站库上下载的安装文件中有setup.py,安装过程如下。
① 解压下载的文件。

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基础知识003 
图1-1 下载OpenCV不同版本库
② 在Windows的“命令提示符”窗口中,通过cd命令进入有setup.py的文件夹。
③ 执行Pythonsetup.pybuild命令。
④ 执行Pythonsetup.pyinstall命令。
某些情况下如网络不稳定,在线通过pipinstall安装库文件时会出现requesttimeout 
提示,表示安装不成功,可以通过在线下载安装文件,然后以离线方式安装下载的库文件,一
般都能安装成功。
1.3　使用IDLE 
安装Python后IDLE会自动安装,非商业开发IDLE即可满足要求。该环境下的交互
方式,可直接测试一些程序片段,在图1-2中,“>>>”是IDLE 的命令提示符,由系统自动
提供。
图1-2 交互式输入代码
判断某个库(如NumPy)是否安装成功,可在图1-2中输入importnumpyasnp命令, 
如果安装不成功或者该库没有安装,IDLE会出现运行错误的提示。
图1-2中选择File→NewFile菜单命令,按图1-3所示编辑Python代码,将文件保存
为hello.py,执行Run→RunModule菜单命令,运行结果如图1-4所示。
每个Python的脚本在运行时都有一个__name__(name左右是两条下画线)属性。如

Python 基础及应用
004 
图1-3 在IDLE中编写Python程序代码
图1-4 运行脚本输出__name__属性
果脚本直接独立地运行,__name_ _的属性返回值为_ _main_ _;如果脚本是作为模块被导
入,则其属性被设置为模块名。交互环境中输入importhello命令,导入hello.py模块,输
入结果是hello。利用_ _name_ _属性的这一特性,可控制Python程序的运行方式,如果希
望hello.py程序只能以模块导入的方式运行,可以将其代码更改为: 
if _ _name_ _=="_ _main_ _": 
print("本程序只能以模块导入的方式运行") 
else: 
print(_ _name_ _) 
代码中if...else...是判断语句。注意其语句后面必须有冒号(:)。Python语句块是按
照空格识别的,IDLE默认的空格是4个,输入if__name__=="__main__":后回车,下一
条语句自动缩进4个空格后输入下一条语句。如果if下有多条语句,缩进的空格必须相同, 
除非里面又嵌套了别的判断、循环等语句块。Python编程时代码不能随意缩格,空格有特
殊的意义,这点与C、C#、Java等语言大不相同! 代码中==是比较运算符,比较其左右内
容是否相同,不同于赋值运算符=。
有时Python程序在命令行中运行,运行时有可能输入参数,此时需要用到sys.argv。
将以下代码输入后保存为argv.py。 
import sys 
if _ _name_ _=='_ _main_ _': 
print("输入的参数有{}个,它们是: {}".format(len(sys.argv),sys.argv)) 
else: 
print("不能以模块方式运行") 
代码中format()函数是字符串格式化输出的函数,{}是点位符,分别用format()中指
定的数据填入到对应的点位符中,len()用于测试字符串、列表、元组等的长度。
在Windows的command命令行中,将当前文件夹转到argv.py所在的文件夹,然后按

第1 章
基础知识005 
图1-5所示分别运行以下3条命令,观察输出的结果。 
Python argv.py 
Python argv.py "x" 
Python argv.py "x" "y" 
图1-5 sys.argv应用示例
图1-5中,sys.argv指的是命令窗口中Python命令后的参数列表,如命令窗口中运行: 
pythonargv.py"x",其中sys.argv是指['argv.py','x'],要想得到'x',可以取sys.argv[1:] 
(:是切片)。
1.4　模　　块
每个.py文件本身就是一个模块,要使用该文件中的功能,只需要在文件中导入该.py 
文件就可以了。
1.4.1 将整个模块导入
格式: 
import 模块名[as 别名] 
导入后需要在要使用的对象前加上前缀,即以“模块名.对象名”的方式访问,如: 
>>>import math 
>>>math.sin(0.5) 
有时导入的模块名太长书写不方便,可以使用as简化,如: 
>>>import numpy as np 
>>>a=np.array((1,2,3,4,5))

Python 基础及应用
006 
1.4.2 从某个模块中导入某个函数
格式: 
from 模块名import 对象名[as 别名] 
此种方式下导入模块中的函数后,使用函数时不能再加模块名,如math.sin(30): 
>>>from math import sin 
>>>sin(0.5) 
从某个模块中导入多个函数的格式为from module_nameimportfunc1,func2, 
func3,如: 
>>>from math import sin,cos 
>>>sin(30)+cos(30) 
将某个模块中的全部函数导入的格式为from module_nameimport*,如开一个GUI 
窗口: 
>>>from tkinter import * 
>>>win=Tk() 
>>>win.mainloop() 
1.4.3 使用软件包管理模块
当软件较大时,一般由多人编写,如果甲和乙两人编写的文件都命名为hello.py,需要
将两个hello.py放在不同的文件夹中。即使设置了搜索路径,使用importhello也只能找
到一个hello.py,解决方法是建立两个文件夹(如a和b),将两个hello.py分别放在两个文
件夹中,并且a和b每个文件夹中再放置一个__init__.py文件(init前后各两条下画线),表
明该文件夹是一个软件包,暂时可先保持__init__.py中的内容为空。假设当前所在位置与
文件夹a和b平行,则: 
>>>from a import hello # 导入a 文件夹下的hello.py 
>>>from b import hello # 导入b 文件夹下的hello.py 
在Python中,用#表示注释。导入hello.py也可以写成: 
import a.hello 和import b.hello 
1.5　数据类型和变量
1.5.1 数据类型 
Python的数据类型有数值、字符串、元组、列表、字典、集合等。
1.数值类型
数值类型包括int、float、bool、complex(复数),如10、3.5、False、2+3j,分别表示整型、

第1 章
基础知识007 
浮点型、布尔型、复数型。布尔型取值为True或False。表示复数的格式是a+bj,其中a是
实部,b是虚部,虚部后面必须有后缀j或J。 
>>>x=2+3j 
>>>print("x 的实部是{},虚部是{},共轭复数是{}".format(x.real,x.imag,x.conjugate 
())) 
直接写一个整数值如10,默认是十进制整数。若要表示一个二进制数字,则在数字前
置0b或0B;若要表示一个八进制整数,则在数字前置0o或0O,之后接上数字1~7;若要表
示一个十六进制整数,则以0x或0X开头,后接1~9及A~F,如0b10、0XF、0o13。
2.字符类型
字符类型需要将字符用单引号或者双引号括起来,如: 
>>>"hello world"# 输出'hello world' ,"hello world"与'hello world'相同
编程时常常需要将字符串按照一定的格式显示或输出,如要求10/3只保留两位小数, 
输出字符串长度为6: 
>>>x=10/3 
>>>'%6.2f'%x #输出' 3.33' 
对字符串x格式化,语法格式为: 
'%[-][+][0][m][.n]格式字符'%x 
格式中第1个%表示格式开始;第2个%是格式运算符;-表示左对齐;+表示正数时
加上+号;0表示空白用0补齐;m 指定最小宽度;.n是保留的小数点位数。格式化的控制
符号见表1-1。
表1-1 常用的格式化的控制符号
控制符号说 明控制符号说 明
%% 输出字符% %b 二进制整数
%d 十进制整数%o 八进制整数
%f,%F 十进制浮点数%x,%X 十六进制整数
%e,%E 底为e或E的指数%g 指数e或浮点数
%s 字符串,以str()显示%G 指数E或浮点数
%r 字符串,以repr()显示%c 单个字符 
下面是格式化输出的示例: 
>>>a=10 
>>>b=3 
>>>'%-5d 除以%-5d 是:%8.3f'%(a,b,a/b) #输出'10 除以3 是: 3.333' 
如果输出的格式较复杂,上面的方式可读性较差,为此可以使用format()函数: 
>>>'{}除以{}是:{}'.format(a,b,a/b) #输出'10 除以3 是:3.3333333333333335'

Python 基础及应用
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{}是占位符,{n}中没有指定n时,用format()中给定参数先后顺序填入占位符;如果
指定了n,则按照format()中参数(顺序为0,1,2,…,n)填入占位符。在占位符中,可以使
用上面字符串格式化的格式,如: 
>>>'{0:d}除以{1:d}是:{2:.3f}'.format(a,b,a/b) #输出'10 除以3 是:3.333' 
>>>'{1:d}除以{0:d}是:{2:.3f}'.format(b,a,a/b) #输出'10 除以3 是:3.333' 
>>>"{0:}的二进制数为: {0:b} ".format(80) #输出'80 的二进制数为: 1010000' 
>>>"{0:}的二进制数为: {0:#b} ".format(80) #输出'80 的二进制数为: 0b1010000' 
字符串中0、1、2表示参数的顺序,输出时与format()中的参数相对应。参数的顺序可
以用指定名称的方式,如下面的a、b、c,这种情况下需要在format()中为这些参数赋值: 
>>>'{a:d}除以{b:d}是:{c:.3f}'.format(a=10,b=3,c=a/b) #输出'10 除以3 是:3.333' 
使用format()时如果要指定对齐方式,可以使用“<”(表示左对齐)和“>”(表示右对
齐),默认是右对齐,如果数据位数不足,指定宽度时要补上指定的字符,可以使用“^”指定: 
>>'{0:*^5d}除以{1:! ^6d}是:{2:6.3f}'.format(a,b,a/b) # 输出'*10**除以!! 3!!! 
#是: 3.333' 
3.转义字符
有些字符,如回车换行符等不方便放在字符串中,就需要以转义字符的形式输入这些字
符。转义字符由一个\开头,后面接着需要添加的字符,如双引号转义字符是\"。下面是\' 
转义字符的效果: 
>>>speak="同学问:\"如何才能学好Python? \"" 
>>>speak #输出'同学问:"如何才能学好Python?"' 
不使用转义字符,不能在双引号中再加上双引号。常用的转义字符见表1-2。
表1-2 转义字符
转义字符说 明转义字符说 明
\n 换行 \t 制表位
\' 单引号\\ 反斜杠
\" 双引号 
可以在字符串的开始处加上r,使其成为原始字符串,此时会忽略字符串中所有的转义
字符。比较下面两个输出的字符串: 
>>>print("say hello to Peter\'s mother") #输出say hello to Peter's mother 
>>>print(r"say hello to Peter\'s mother") #输出say hello to Peter\'s mother 
以r开始的字符串,将字符串中的转义字符直接以原样输出,这在正则表达式中经常会
用到。
1.5.2 变量
Python中变量不用预先声明,变量区分大小写,每个变量使用前必须被赋值。

第1 章
基础知识009 
>>>a=1 #给一个变量赋值
>>>x=y=z=1 #同时给多个变量赋相同的值
>>>a,b=1,"hello" #同时为两个变量赋不同的值
>>>a, b, c, d=10, 2.5, True, 1+2j 
#a,b,c,d 的数据类型分别为int,float,bool,complex 
>>>c="hello"*3 
>>>d="hello"+" world" 
>>>a="I lovePython" 
>>>print(a[0]) #输出I 
>>>print(a[0:6]) #切片操作,从0 个字符截取到第6 个字符(不包括第6 个),输出: I love 
>>>len(a[0:6]) #测字符串长度,输出: 6 
Python属于动态类型的程序设计语言,变量本身没有数据类型的信息,变量始终是个
引用到该值的名称,赋值运算只是改变了变量引用的对象。 
>>>x=10 
>>>y=x 
>>>print(id(10),id(x),id(y)) #输出140732857234544 140732857234544 140732857234544 
上述语句中对象10赋给x,又将x引用的对象赋值给y,利用id()获取引用对象的地
址,可见x、y引用的都是对象10的地址。 
>>>x=10 
>>>y=20 
>>>print(id(x),id(y)) #输出140732857234544 140732857234864 
将y引用到另一个对象20后,可以看到x、y引用的地址就不一样了。 
>>>x=x+10 
>>>id(x) #输出140732857234864 
x原来引用到对象10的地址,通过执行x=x+10后,创建了新的对象,x引用到对象
20的地址。 
>>>x=[10,20,30] 
>>>y=x 
>>>x[0]=40 
>>>y #输出[40, 20, 30] 
y=x赋值语句使y引用的地址与x相同,x[0]=40修改了x引用地址上存放的数据, 
故输出的y值也会发生改变。当变量不再需要时,可以使用del删除。 
>>>z=10 
>>>del z 
程序中有时要判断变量赋值后的数据类型,可以使用Python内部函数isinstance()。 
>>>n=input("输入n:") 
输入n:5 
>>>isinstance(n,int) #输出False 
>>>isinstance(n,str) #输出True

Python 基础及应用
01 0 
isinstance(x,type)中x是要判断的变量,type是数据类型,如str、int、float、tuple、list、
dict、set分别是字符串、整型、浮点型、元组、列表、字典、集合。也可以使用type()函数判断
数据类型。 
>>>x=10 
>>>type(x)==int #输出True 
虽然isinstance和type都可以判断数据类型,但在判断继承关系时,二者存在差异:类
B继承于类A,但type却判定B()不是类型A。 
class A: 
pass 
class B(A): 
pass 
print(isinstance(A(), A)) #返回True 
print(type(A())==A) #返回True 
print(isinstance(B(), A)) #返回True 
print(type(B())==A) #返回False 
1.5.3 运算符
1.赋值运算符 
使用“=”为某个变量赋值,Python支持连续赋值,如: 
>>>a="北京" 
>>>b=c=d=100 
>>>a,b=1,5 
2.比较运算符
比较运算符用于比较两个值的大小,比较的结果是True或False。比较运算符包括>、
>=、<、<=、==、!=、is(判断两个变量所引用的对象是否相同)、isnot(判断两个变量
所引用的对象是否不相同)。 
>>>x=[10,20,30] 
>>>y=[10,20,30] 
>>>x==y #输出True 
>>>x is y #输出False 
>>>id(x) #输出2136931039112 
>>>id(y) #输出2136930785032 
通过id(x)和id(y)的值可以看出x和y指向的地址不同,故x和y是两个不同的变量, 
xisy返回False。下面代码中,10与z指向的地址相同,故zis10,返回True。 
>>>id(10) #输出140732857234544 
>>>z=10 
>>>z is 10 #输出True 
x==y时,逐一比对x、y两个列表中的元素是否相同,如果全部相同则返回True;否
则返回False。