第1章Python语言概述

1.1Python语言简介

Python语言是一种解释型、面向对象的编程语言。由荷兰人吉多·范·罗苏姆(Guido van Rossum)于1989年发明,被广泛应用于处理系统管理任务和科学计算。

Python是一种开源语言,拥有大量的库,可以高效地开发各种应用程序,又被称为“胶水”语言。
1. Python的特点
Python秉承“优雅、明确、简单”的设计理念,具有以下特点。
（1） 简单、易学。
Python是一种代表简单主义思想的语言,它使读者能够专注于解决问题而不是理解语言本身。同时Python很容易上手,因为它的说明文档极其简单。

（2） 速度快。
Python的底层是用C语言编写的,很多标准库和第三方库也是用C语言缩写的,因此运行速度非常快。
（3） 免费、开源。Python是FLOSS(自由、开放源代码软件)之一。使用者可以自由地发布这个软件的副本，阅读它的源代码，对它做改动，把它的一部分用于新的自由软件中。

（4） 高层语言。
用Python语言编写程序时无须考虑诸如“如何管理程序使用的内存”这一类的底层细节。

(5) 可移植性。
由于它的开源本质,Python已经被移植在许多平台上(经过改动使它能够工作在不同平台上)，这些平台包括Linux、Windows、VMS、Solaris以及Google基于Linux开发的Android平台等。
（6） 解释性。
使用Python语言编写的程序不需要编译成二进制代码,可以直接运行。在计算机内部,Python解释器把源代码转换成称为字节码的中间形式,然后把它翻译成计算机使用的机器语言并运行。这使得Python使用更加简单,也使得Python程序更加易于移植。
（7） 面向对象。
Python既支持面向过程的编程,也支持面向对象的编程。在面向过程的语言中,程序是由过程或仅仅是可重用代码的函数构建起来的。在面向对象的语言中,程序是由数据和功能组合而成的对象构建起来的。
（8） 可扩展性与可嵌入性。
如果需要一段关键代码运行得更快或者希望某些算法不公开,可以将部分程序用C/C++编写,然后在Python程序中使用它们。同时也可以把Python代码嵌入C/C++程序,从而向程序用户提供脚本功能。
（9）  丰富的库。
Python有很庞大的标准库,包括正则表达式、文档生成、单元测试、线程、数据库、网页浏览器、CGI、FTP、电子邮件、XML、XMLRPC、HTML、WAV文件、密码系统、GUI(图形用户界面)、Tk和其他与系统有关的操作,这就是Python被誉为“功能齐全”的原因。除了标准库以外,还有许多其他高质量的库,如wxPython、Twisted和Python图像库等。
2. Python的应用领域
随着Python语言的流行,它应用的领域越来越广泛,如网站与游戏开发、机器人与航天飞机控制等。Python主要有以下一些应用领域。
(1) 系统编程。
Python提供应用程序编程接口(application programming interface,API),能够进行系统的维护和开发。
（2） 科学计算和统计。
Python程序员可以使用NumPy、SciPy、Matplotlib等模块编写科学计算程序。众多开源的科学计算软件包均提供了Python的调用接口,如著名的计算机视觉库OpenCV、三维可视化库VTK、医学图像处理库ITK等。
（3） 图形用户界面(GUI)开发。
Python支持GUI开发,使用Tkinter、wxPython或者PyQt库,可以开发跨平台的桌面软件。
（4） 数据库编程。
Python语言提供了对目前主流的数据库系统的支持,包括Microsoft SQL Server、Oracle、Sybase、DB2、MySQL、SQLite等。在编程的过程中,通过Python DBAPI(数据库应用程序编程接口)规范与数据库进行通信。另外,Python自带一个Gadfly模块,提供了一个完整的SQL环境。




1.2Python开发环境及工具
Python是一种开源、免费的脚本语言,它并没有提供一个官方的开发环境,需要用户自主来选择编辑工具。目前,Python的开发环境有很多种,例如，IDLE、PyCharm、DrPython、Spyder、SPE等。
1.2.1IDLE开发工具

IDLE是Python内置的集成开发环境,它由Python安装包提供,也就是Python自带的文本编辑器。
IDLE为开发人员提供了许多有用的功能,如自动缩进、语法高亮显示、单词自动完成以及命令历史等,在这些功能的帮助下,用户能够有效地提高开发效率。
1.2.2Anaconda开发工具
Anaconda可以便捷获取包且对包能够进行管理,同时可以对环境统一管理。Anaconda包含了conda、python在内的超过180个科学包及其依赖项。
Anaconda具有开源、安装过程简单、高效率使用Python和R语言以及免费的社区支持等特点,其特点的实现主要依赖于Anaconda拥有的conda包、环境管理器以及1000多个开源库。

Anaconda可以在Windows、Mac OS、Linux(x86/Power8)等系统平台中安装使用。系统要求是32位或64位,下载文件大小约为500MB,所需空间大小约为3GB。
1.2.3PyCharm开发工具

PyCharm是由JetBrains打造的一款Python IDE,它带有一整套可以帮助用户使用Python语言开发时提高其效率的工具,比如调试、语法高亮、Project管理、代码跳转、智能提示、自动完成、单元测试、版本控制等。此外,PyCharm还提供了一些高级功能,用于支持Django框架下的专业Web开发。

PyCharm的特点有以下几个方面。
(1) PyCharm具有一般的IDE具备的功能,比如调试、Project管理、代码跳转、智能提示、自动完成、单元测试、版本控制等。
(2) PyCharm提供用于Django的开发工具,并且支持Google App Engine和IronPython。
(3) Python重构功能使用户能在项目范围内轻松进行重命名,提取方法、超类,导入域、变量、常量,移动和前推、后退重构。
(4) Python支持Google App引擎,用户可选择使用Python运行环境为Google App引擎进行应用程序的开发,并执行程序部署工作。

(5) Python集成版本控制功能,将登录、导出、视图拆分与合并等功能都在统一的VCS用户界面(可用于Mercurial、Subversion、Git、Perforce和其他的SCM)中得到。
(6) Python的可自定义功能与可扩展功能可以绑定Textmate、NetBeans、Eclipse & Emacs键盘主盘以及Vi/Vim仿真插件。
1.2.4库的安装与管理
Python库分为标准库和扩展库(第三方库),Python的标准库是Python安装时默认自带的库； Python的第三方库需要下载或在线安装到Python的安装目录中。
Python有两个基本的库管理工具，即easy_install和pip。目前大部分用户都采用pip进行对扩展库的查看、安装与卸载。下面介绍pip命令几个常用的方法。
1. 查看扩展库

cmd>pip list

例如,X:＼Program Files＼Python 310＼Scripts>pip list。

2. 查看当前安装的库


cmd>pip show Package

例如,X:＼Program Files＼Python 310＼Scripts>pip show jieba。
3. 安装指定版本的扩展库


cmd>pip install Package ==版本号

例如,X:＼Program Files＼Python 310＼Scripts>pip install django==1.9.7。
4. 离线安装扩展库文件whl


cmd>pip install Package.whl

例如,X:＼Program Files＼Python 310＼Scripts>pip install numpy1.15.4+vanillacp35cp35mwin_amd64.whl。
5. 卸载扩展库


cmd>pip  uninstall Package

例如,X:＼Program Files＼Python 310＼Scripts>pip  uninstall django。
6. 更新扩展库


cmd>pip  install -U  package

例如,X:＼Program Files＼Python 310＼Scripts>pip install U jieba。
说明： U为大写字母。
1.3任 务 实 现
任务1Python的下载、安装与使用。
（1） 打开Python的官方网站(https://www.python.org),如图11所示,在Downloads菜单下选择要安装的操作系统类型,以Windows为例,如图12所示,单击Windows选项,找到需要的版本,如Python3.10.0.exe 64位,单击Download windows install(64bit)选项即可下载。


图11Python官方网站主页




图12选择Windows选项


（2） 双击下载的程序文件,例如，Python3.10.0amd64.exe,显示如图13所示的
界面。其中Install Now为直接安装,Customize installation为自定义安装,Install launcher for all users(recommended)
表示为所有用户安装发射器(推荐),Add Python 3.10 to PATH表示添加Python 3.10到路径。


图13Python安装向导


在此可以选择自定义安装,并勾选两个复选框,
单击Customize installation进行自定义安装，
进入如图14所示的界面。


图14自定义安装Python


(3) 使用默认设置,单击Next按钮,打开如图15所示的界面。


图15Python高级选项及安装路径


(4) 根据需要进行相应的设置,如选中所有复选框,单击Install按钮开始安装,安装完成如图16所示。
单击Close按钮,完成安装。



图16Python安装完成



（5） 安装完成后,打开命令行,输入python后,按Enter键,出现如图17所示的信息,则表示安装成功。


图17测试Python安装成功



任务2Anaconda 3的安装与使用。
（1） 打开Anaconda的官方网站(https://www.anaconda.com),如图18所示,单击Download按钮,选择操作系统类型,然后选择需要的软件版本下载即可。


图18Anaconda官方网站



（2） 双击下载的程序文件,例如，Anaconda3 5.2.0Windowsx86_64.exe,如图19所示。



图19Anaconda 3安装界面



（3） 单击Next按钮,进入安装许可协议界面,如图110所示。


图110Anaconda 3安装许可协议界面



（4） 单击I Agree按钮,进入安装类型界面,如图111所示。



图111Anaconda 3选择安装类型界面



（5） 选择相应的选项,单击Next按钮,进入安装路径界面,如图112所示。


图112Anaconda 3安装路径界面



（6） 选择Anaconda 3的安装路径,单击Next按钮,进入高级安装选项界面,如图113所示。


图113Anaconda 3高级安装选项界面



（7）  勾选两个复选框,第一个是添加到环境变量,第二个是默认使用Python 3.6,单击Install按钮。安装完成后,单击Next按钮,进入安装VSCode编译器界面,如图114所示。


图114安装VSCode编译器


（8） Install Microsoft VSCode选项表示安装VSCode编译器,如果不想使用这个编译器,可以单击Skip按钮。完成Anaconda 3的安装,如图115所示。

（9） 在图115中有两个选项,提示打开Anaconda主页和Anaconda云平台页面。当这两个选项都
被勾选,并单击Finish按钮,就会打开这两个网页。
（10） 安装完成后,可在开始按钮中找到Anaconda 3文件夹,查看所包含的内容，如图116所示。


图115Anaconda 3安装完成




图116Anaconda 3文件夹


（11） 单击Jupyter Notebook即可启动Notebook ,如图117和图118所示。



图117Jupyter Notebook界面




图118Jupyter界面


（12） 单击New按钮，选择Python 3即可新建Jupyter页面。
任务3PyCharm的安装与使用。

（1） 打开PyCharm官网(https://www.jetbrains.com/pycharm/),根据需要下载相应的版本。PyCharm在Windows环境下有
专业版(professional)和社区版(community)两个不同的版本,下面以下载社区版为例。
（2） 双击下载的程序文件,例如，PyCharm community 2018.2.4.exe,显示页面如图119所示,单击Next按钮,进入PyCharm安装路径页面,如图120所示。

（3） 选择PyCharm安装路径,单击Next按钮,进入PyCharm选项页面,如图121所示。其中,Create Desktop Shortcut表示选择在桌面创建的快捷方式,Create Associations表示创建关联.py格式文件,Download and install JRE x86 by JetBrains表示下载安装Java运行环境jre。