第3章Python的基本概念

本章主要介绍Python程序设计的基本概念。
本章的学习目标： 
 掌握Python源程序的结构，编码、标识符、注释(含docString)的使用； 
 掌握Python关键字、常见的内置函数、Python名字空间的概念； 
 掌握PYTHONPATH环境变量的配置与使用、Python 模块与包的使用。

3.1Python相关的文件
3.1.1Python的几种文件类型

Python系统软件既是一个Python程序开发环境，也是一个Python程序运行环境。Python系统有以下几种类型的文件。
(1)  py： Python源代码文件。
(2) pyc： Python字节码文件。
(3) pyw： Python带用户界面的源代码文件。
(4) pyx： Python包源文件。
(5) pyo： Python优化后的字节码文件。
(6) pyd： Python的库文件(Python版DLL)，在Linux上是so文件。
最常见的是*.py和*.pyc格式的Python程序文件。
3.1.2Python源程序示例
首先看一个Python源程序示例。该程序的功能是： 打印当前日期时间，调用函数hi()显示字符串"hello"+参数信息。
【例3.1】Python程序代码示例。




# -*- coding: utf-8 -*- 源文件编码格式声明

"""

Created on Tue Feb 25 09:07:47 2020

@author: Administrator 注释信息

"""

import datetime 引入外部模块(库)


#获取当前时间 注释信息

t=datetime.datetime.now() 源代码

def hi(name): 定义 get_py()函数

"""

Parameters

----------

f : list

files and directories list 注释及帮助信息，可能用__doc__获取字符串内容

Returns

-------

flpy : list

list only contains python files.

"""

return 'hello:'+ str(name) 函数返回值


if __name__ == "__main__": 判断是否运行在主模块

print(t)

print(hi('James')) 程序源代码







将上面的程序代码保存到c:＼mycode＼demo.py 文件。在操作系统提示符下输入
c:＼python c:＼mycode＼demo.py，Python会自动在其所在的目录下创建_pycache_文件夹，并将demo.py编译，得到demo.cpython38.pyc字节码文件。程序运行结果： 



2020-04-03 11:58:19.445626

hello:James



从上面的演示代码可以看出，一个Python程序通常由源码格式声明、注释、引入外部模块(库)、源代码、函数、类等语句组成。每条语句根据Python的语法规则构成，包含源码格式声明、注释、标识符、运算符、关键字、函数、类等。
3.1.3Python源程序编码格式
Python源程序是文本文件，默认为UTF8 编码。可以使用任何文本编辑器编写Python源程序。不同操作系统下对文本编码可能不同，如在Windows操作系统下的记事本可以选择ANSI、Unicode、Unicode big endian、UTF8类型的编码(见图3.1)。这就导致Python的源程序可能存在多种编码。


图3.1源程序的编码格式


如果源码文件使用非UTF8类型的编码，必须在Python源程序的第一行声明文件的编码格式。如：  

# -*- coding: cp-936 -*-

3.1.4Python源程序的注释与文档字符串
Python有单行和多行注释两种方式。Python程序的注释语句的作用主要是备注程序代码功能和逻辑关系、算法的编写思路，以便于程序的后期维护等。另外，符合规范的Python程序注释，可以自动生成对应的帮助文档。
(1)  单行注释。Python中单行注释以#开头。实例如下： 
【例3.2】第一个注释。



#第一个注释

print ("Hello, Python!")



(2) 多行注释。多行注释可以用多个 # 号或用成对的三个单引号 ''' 或三个双引号 """来标注。
例3.1所示的程序已经演示了单行注释与多行注释。
另外，Python语言引入了文档字符串(docString)机制。文档字符串是一种多行注释，它作为模块、函数、类或方法定义中的第一条注释语句出现。这样的文档字符串自动成为该函数或对象的特殊属性__doc__。
__doc__属性可以被Python程序访问，而且还可以直接由相关工具生成HTML等格式的文档。Python的PEP257(https://www.python.org/dev/peps/pep0257/)规定了文档字符串的标准格式。
【例3.3】查看__doc__属性。
通过代码： 

print(hi.__doc__)

或者在Python 提示符>>>下输入help(hi)，均打印如下信息： 



Help on function hi in module __main__:

hi(name)

Parameters

----------

name : string

a string,such as name

Returns

-------

flpy : string

hello + string



3.1.5Python语言的代码块
Python语言的代码块是指具有一定逻辑功能的n行代码语句。Python使用相同的缩进空格来表示同一代码块。
(1)  缩进空格。缩进的空格数是可变的，但是同级别的一个代码块的语句必须包含相同的缩进空格数。通常采用
4个空格表示一个缩进。

【例3.4】Python语言代码块缩进代码示例。



if True:

print ("True")

else:

print ("False")



如果同级别代码块缩进数的空格数不一致，会导致运行错误： 



if True:

print ("Answer")

print ("True")

else:

print ("Answer")

print ("False")#缩进不一致，会导致运行错误

File "<tokenize>", line 6

print ("False")

^

IndentationError: unindent does not match any outer indentation level



(2) 分行语句。Python 通常是一行写完一条语句，但如果语句很长，可以使用反斜杠(＼)来实现将一行长的语句分成多行语句。
【例3.5】Python语言一行长代码换行写法代码示例。



total ="A33"＼

"B44"＼

"C55"

print(total)



在［］,{},或()中的多行语句，不需要使用反斜杠(＼)。例如： 



total = ［'item_one', 'item_two', 'item_three',

'item_four', 'item_five'］

A33B44C55



3.2Python语言的关键字
Python语言的关键字是构造Python逻辑程序代码的核心要素，关键字类似英语中的“单词”，它与用户定义的变量或函数组合构成程序语句代码。
关键字可以按类别分为常量、逻辑运算、程序流控制、异常与上下文处理、函数相关、模块与类管理6大类(见图3.2)。


图3.2Python语言关键字分类


另外，有趣的是Python提供了一个 keyword 模块，使用两行Python程序代码可以输出当前Python版本的所有关键字。
【例3.6】查看当前Python版本所有关键字。



>>> import keyword

>>> keyword.kwlist#关键字列表

>>>len(keyword.kwlist)#统计关键字的个数



上述代码运行结果： 



［'False', 'None', 'True', 'and', 'as', 'assert', 'async', 'await', 'break', 'class', 'continue', 'def', 'del', 'elif', 'else', 'except', 'finally', 'for', 'from', 'global', 'if', 'import', 'in', 'is', 'lambda', 'nonlocal', 'not', 'or', 'pass', 'raise', 'return', 'try', 'while', 'with', 'yield'］

35



可以看到，Python共有35个关键字。有许多关键字与其他编程语言是相同的。如'assert', 'break', 'class', 'continue', 'else', 'except', 'finally', 'for', 'if', 'import', 'return', 'try', 'while'等与Java语言的关键字是相同的，而且含义和用法也是一样的。
提示：  程序员自定义自变量、函数不能与关键字相同，否则程序会报错。
3.3Python的标识符
Python语言中用户定义的变量、函数、类名、模块等是用标识符来表达的。标识符有比较严格的命名规则，这些规则为： 
(1)  标识符不能与关键字相同。
(2) 标识符的第一个字符必须是字母(ASCII码字符或 Unicode码字符)或下画线(_)。标识符对英文的大小写敏感。标识符的其他部分可以由字符、下画线、数字组成，标识符的长度没有限制。
可以使用非 ASCII码字符做标识符，如中文作为变量名或函数名。如_ko、“中国”、disk等是合法的标识符； 3ks、in、+wps等是不合法的标识符。
Python中的特殊标识符为下画线标识符。
Python 有其专用的下画线标识符，“_”(1个下画线)或 “__”(2个下画线)可作为变量标识符的前缀和后缀来标识特殊变量
。表3.1所示为Python中的下画线标识符。


表3.1Python中的下画线标识符




类型描述含义示例

_xxx 1个下画线开始保护变量，只有类对象自己和子类对象能访问到这些变量_foo
__xxx 2个下画线开始私有成员，只有类对象自己能访问，连子类对象也不能访问__foo
__xxx__2个下画线开头、结尾通常是Python系统定义的名字__init__()、__main__

一般来讲，变量名_xxx 被看作是“私有的”，在模块或类外不可以使用。当变量是私有的时候，用_xxx 来表示变量是很好的习惯。
由于下画线对Python解释器有特殊的含义，建议初学者在不明确下画线的含义时，避免用下画线开头或结尾的标识符作为变量名。
3.4Python的内置常量
Python内置的名字空间中已经定义了6个常量(见图3.3)。


图3.3Python语言中的6个常量


(1) False： bool 类型的假值。
(2) True： bool 类型的真值。
(3) None： NoneType 类型的唯一值。None 经常用于表示缺少值。
(4) Ellipsis： 省略号文字，Python使用 “…”，主要与用户定义的容器数据类型的扩展切片语法结合使用。
(5) __debug__： 如果 Python 没有以 O 选项启动，则此常量为真值。
(6) NotImplemented： 二进制特殊方法应返回的特殊值(某些方法没有被实现，返回该错误)。
3.5Python的内置函数
Python语言核心部分内置了大约69个内置函数(也称内部函数)。在Python程序中，可以直接调用这些函数(https://docs.python.org/3.9/library/functions.html)。进入Python系统，在>>>提示符下，输入dir(__builtins__)，就会显示Python内置空间中的函数名、常量和关键字。

Python语言内置函数可参看https://docs.python.org/3.9/library/functions.html。可以将Python内置函数分为数字相关、数学运算、编码相关、序列相关、对象相关、系统函数、输入输出和变量相关8个大类(见图3.4)。


图3.4Python语言内置函数及分类


提示：  避免使用与内置函数名相同的标识符(变量名、函数、类名等)。否则，内置函数会被用户定义的同名标识符覆盖。
在此，先介绍Python使用频率最高的几个内置的函数(见图3.5)。


图3.5常见内置函数

(1)  对象相关的常用内置函数。
 id(object)
功能： 返回对象在内存中的地址。
 dir(object)
功能： 查看对象的相关名字空间，返回该空间的对象列表。
 type(object)
功能： 可以获取object对象的类型。
 del object
功能： 删除object对象。
(2) 常用输入输出函数。
 input(［prompt］)
功能： 输入函数。显示提示信息，等待用户输入，返回输入字符串str。
 print(*objects, sep=' ', end='＼n', file=sys.stdout, flush=False)
功能： 输出函数。将对象objects打印到输出流。
3.6Python的名字空间
在Python程序中，变量、函数、类等都是通过标识符来定义的。每一个标识符都会在相关的名字空间(namespace)占据一定位置。Python会把命名后的变量、函数、类、对象分配到的相关的名字空间，并通过名称在相应名字空间中查找、使用它们。
Python名字空间有两个作用： 
(1)  区分不同作用域； 
(2) 防止同名变量、函数、类等名字冲突。
若Python同一个名字空间中出现同名变量、函数、类等，则出现的同名变量、函数、类将覆盖先前的。
查看名字空间的命令函数是dir()。
如，查看定义x=100前后Python名字空间内的变化情况。
【例3.7】查看名字空间。
定义变量前名字空间内的对象名称： 



>>> dir()

［'__annotations__', '__builtins__', '__doc__', '__loader__', '__name__', '__package__',
'__spec__'］



定义变量后名字空间内的对象名称： 



>>> x=100

>>> dir()

［'__annotations__', '__builtins__', '__doc__', '__loader__', '__name__', '__package__',
'__spec__', 'x'］ 



可以看到变量x已经占据了当前的名字空间的一个位置。
如果释放变量、函数、类等的名字空间，直接使用del加变量、函数、类模块名称。
【例3.8】del()函数案例。
清理、删除对象x： 



del x

>>> dir()

［'__annotations__', '__builtins__', '__doc__', '__loader__', '__name__', '__package__', '__spec__'］



可以看到运行了del x命令后，x所占据的名字空间已经释放。
【例3.9】定义一个函数后的名字空间。



>>> def s(length):

x=300

y=400

>>> dir()

［'__annotations__', '__builtins__', '__doc__', '__loader__', '__name__', '__package__', '__spec__', 's'］





图3.6Python的名字空
间及作用范围

如图3.6所示，Python有三个级别的名字空间，即局部、全局和内置名字空间。

(1) 局部名字空间。Python会把在函数内部声明的变量放置到局部名字空间，记录函数内部的变量、传入函数的参数、嵌套函数等被命名的对象。
(2) 全局名字空间。Python全局名字空间的变量其作用域为整个模块，记录模块x的变量、函数、类及其他导入的模块等被命名的对象。
(3) 内置名字空间。记录Python自身提供的内置函数、模块等被命名的对象。
可以使用globals()、locals()、vars()来查看全局、局部变量的使用情况。
【例3.10】查看变量的使用情况。



>>> globals()

{'__name__': '__main__', '__doc__': None, '__package__': None, '__loader__': <class '_frozen_importlib.BuiltinImporter'>, '__spec__': None, '__annotations__': {}, '__builtins__': <module 'builtins' (built-in)>, 'x': 100, 's': <function s at 0x0000000000445160>}

>>> locals()






{'__name__': '__main__', '__doc__': None, '__package__': None, '__loader__': <class '_frozen_importlib.BuiltinImporter'>, '__spec__': None, '__annotations__': {}, '__builtins__': <module 'builtins' (built-in)>, 'x': 100, 's': <function s at 0x0000000000445160>}

>>> vars()

{'__name__': '__main__', '__doc__': None, '__package__': None, '__loader__': <class '_frozen_importlib.BuiltinImporter'>, '__spec__': None, '__annotations__': {}, '__builtins__': <module 'builtins' (built-in)>, 'x': 100, 's': <function s at 0x0000000000445160>}



在Python程序运行过程中，会有局部名字空间、全局名字空间和内建名字空间同时存在。Python对变量、函数、类的使用是按照“局部名字空间”→“全局名字空间”→“内置名字空间”的顺序查找的。如果找到了就使用，如果找不到，将放弃查找并引发一个 NameError 异常。
【例3.11】NameError异常举例。



>>> aa

Traceback (most recent call last):

File "<pyshell#3>", line 1, in <module>

aa

NameError: name 'aa' is not defined



3.7Python的模块
一个Python源程序，如例3.1中的c:＼demo＼demo.py，就是一个Python 模块。如果要在其他程序中使用demo.py模块，首先要

图3.7PYTHONPATH的配置
在环境变量PYTHONPATH中配置该模块的检索路径(见图3.7)。

然后，使用import demo命令，就可以使用demo.py模块中定义的函数、变量了。
【例3.12】导入模块。



>>> import demo

>>> dir()

［'__annotations__', '__builtins__', '__doc__', '__loader__', '__name__', '__package__', '__spec__', 'demo'］



【例3.13】查看demo名字空间。



>>> dir(demo)

［'Info', '__builtins__', '__cached__', '__doc__', '__file__', '__loader__', '__name__', '__package__', '__spec__', 'datetime', 'hi', 't'］



调用demo名字空间下的函数，必须在前面加名字空间名称。
【例3.14】调用模块内函数示例。



>>> demo.hi('james')

'hello:james'

>>> demo.Info()

hello from Info

<demo.Info object at 0x0000000002CA3F10>

>>> 



提示：  import demo是将demo.py模块内的变量、函数导入
demo名字空间下，使用时要加上demo名字空间名。
另一种导入方式是将demo.py模块内的变量、函数导入全局名字空间内。可以使用 from demo import * 语句
直接调用函数名。
【例3.15】使用第二种导入方式调用函数示例。



>>> from demo import *

>>> dir()

［'Info', '__annotations__', '__builtins__', '__doc__', '__loader__', '__name__', '__package__', '__spec__', 'datetime', 'hi', 't'］

>>> hi('james')

'hello:james'



提示：  from demo import *是将demo模块内的变量、函数或类等导入全局名字空间内，可以直接使用相关函数。
3.8Python的包
Python中的包(Package)是组织、管理源代码的一种方式。包就是一个容器，用来存放其他模块和子包。如，一个大的Python项目可能由不同开发人员分工完成，使用包来组织代码、管理代码可以避免出现模块名、变量名、函数名、类名等重名的问题。

图3.8Python中树
状目录结构


Python的包使用树状目录结构组织模块(见图3.8)，将Python代码按照不同级别的目录存放，每个目录下面必须有个__init__.py文件(文件内容可以为空)，代表该目录下的Python文件使用包进行管理。

可以简单地把包理解为按照不同级别的子目录来组织模块代码，每个目录下必须有一个__init__.py文件。包的本质就是一个含有__init__.py文件的文件夹。
 使用Python包中的模块语法是通过目录的级别的方式来引用模块(如PackageA.PackageB)。
 PackageB、PackageC目录下均有同名m1.py,m2.py 模块。这可以通过包名和模块名来区别的。如： 



import Package.APackageB.m1

import Package.APackageC.m1



提示：   Python会在sys.path 指定的目录(环境变量 PYTHONPATH 所指定的目录)下搜索包的路径。

包中的模块和函数，可以通过两种导入方式使用。
(1)  import包的名字。
(2) from包的名字import函数名。
Python系统用import导入包，会创建一个包的名字空间，包的名字来自__init__.py。
3.9本章小结
图3.9所示为本章知识要点一览图。本章主要介绍了Python源程序的结构，编码、标识符、注释、Python关键字、几个常见的内置函数、Python模块和包。


图3.9本章知识要点一览图



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3.10习题
(1)  编写一个打印字符串变量s="hello"的程序h.py。
(2) 利用Python的包管理机制，将h.py放在 a.b包下，并利用import a.b.h, 输出s的内容。