Python基础与应用

Posted 2020-10-10

1.python简介

Python是著名的“龟叔”Guido van Rossum在1989年圣诞节期间，为了打发无聊的圣诞节而编写的一个编程语言。

现在，全世界差不多有600多种编程语言，但流行的编程语言也就那么20来种。如果你听说过TIOBE排行榜，你就能知道编程语言的大致流行程度。这是最近10年最常用的10种编程语言的变化图：

 

总的来说，这几种编程语言各有千秋。C语言是可以用来编写操作系统的贴近硬件的语言，所以，C语言适合开发那些追求运行速度、充分发挥硬件性能的程序。而Python是用来编写应用程序的高级编程语言。

当你用一种语言开始作真正的软件开发时，你除了编写代码外，还需要很多基本的已经写好的现成的东西，来帮助你加快开发进度。比如说，要编写一个电子邮件客户端，如果先从最底层开始编写网络协议相关的代码，那估计一年半载也开发不出来。高级编程语言通常都会提供一个比较完善的基础代码库，让你能直接调用，比如，针对电子邮件协议的SMTP库，针对桌面环境的GUI库，在这些已有的代码库的基础上开发，一个电子邮件客户端几天就能开发出来。

Python就为我们提供了非常完善的基础代码库，覆盖了网络、文件、GUI、数据库、文本等大量内容，被形象地称作“内置电池（batteries included）”。用Python开发，许多功能不必从零编写，直接使用现成的即可。

除了内置的库外，Python还有大量的第三方库，也就是别人开发的，供你直接使用的东西。当然，如果你开发的代码通过很好的封装，也可以作为第三方库给别人使用。

许多大型网站就是用Python开发的，例如YouTube、Instagram，还有国内的豆瓣。很多大公司，包括Google、Yahoo等，甚至NASA（美国航空航天局）都大量地使用Python。

龟叔给Python的定位是“优雅”、“明确”、“简单”，所以Python程序看上去总是简单易懂，初学者学Python，不但入门容易，而且将来深入下去，可以编写那些非常非常复杂的程序。

总的来说，Python的哲学就是简单优雅，尽量写容易看明白的代码，尽量写少的代码。如果一个资深程序员向你炫耀他写的晦涩难懂、动不动就几万行的代码，你可以尽情地嘲笑他。

那Python适合开发哪些类型的应用呢？

首选是网络应用，包括网站、后台服务等等；

其次是许多日常需要的小工具，包括系统管理员需要的脚本任务等等；

另外就是把其他语言开发的程序再包装起来，方便使用。

最后说说Python的缺点。

任何编程语言都有缺点，Python也不例外。优点说过了，那Python有哪些缺点呢？

第一个缺点就是运行速度慢，和C程序相比非常慢，因为Python是解释型语言，你的代码在执行时会一行一行地翻译成CPU能理解的机器码，这个翻译过程非常耗时，所以很慢。而C程序是运行前直接编译成CPU能执行的机器码，所以非常快。

但是大量的应用程序不需要这么快的运行速度，因为用户根本感觉不出来。例如开发一个下载MP3的网络应用程序，C程序的运行时间需要0.001秒，而Python程序的运行时间需要0.1秒，慢了100倍，但由于网络更慢，需要等待1秒，你想，用户能感觉到1.001秒和1.1秒的区别吗？这就好比F1赛车和普通的出租车在北京三环路上行驶的道理一样，虽然F1赛车理论时速高达400公里，但由于三环路堵车的时速只有20公里，因此，作为乘客，你感觉的时速永远是20公里。

 

第二个缺点就是代码不能加密。如果要发布你的Python程序，实际上就是发布源代码，这一点跟C语言不同，C语言不用发布源代码，只需要把编译后的机器码（也就是你在Windows上常见的xxx.exe文件）发布出去。要从机器码反推出C代码是不可能的，所以，凡是编译型的语言，都没有这个问题，而解释型的语言，则必须把源码发布出去。

这个缺点仅限于你要编写的软件需要卖给别人挣钱的时候。好消息是目前的互联网时代，靠卖软件授权的商业模式越来越少了，靠网站和移动应用卖服务的模式越来越多了，后一种模式不需要把源码给别人。

再说了，现在如火如荼的开源运动和互联网自由开放的精神是一致的，互联网上有无数非常优秀的像Linux一样的开源代码，我们千万不要高估自己写的代码真的有非常大的“商业价值”。那些大公司的代码不愿意开放的更重要的原因是代码写得太烂了，一旦开源，就没人敢用他们的产品了。

2.输入与输出

输出

用print()在括号中加上字符串，就可以向屏幕上输出指定的文字。比如输出‘hello, world‘，用代码实现如下：

 

print()函数也可以接受多个字符串，用逗号“,”隔开，就可以连成一串输出：

 

print()会依次打印每个字符串，遇到逗号“,”会输出一个空格，因此，输出的字符串是这样拼起来的：

 

 

print()也可以打印整数，或者计算结果：

>>> print(300)300>>> print(100 + 200)300

因此，我们可以把计算100 + 200的结果打印得更漂亮一点：

>>> 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，Python把它视为字符串，请自行解释上述打印结果。

输入

现在，你已经可以用print()输出你想要的结果了。但是，如果要让用户从电脑输入一些字符怎么办？Python提供了一个input()，可以让用户输入字符串，并存放到一个变量里。比如输入用户的名字：

>>> name = input()

Michael

当你输入name = input()并按下回车后，Python交互式命令行就在等待你的输入了。这时，你可以输入任意字符，然后按回车后完成输入。

输入完成后，不会有任何提示，Python交互式命令行又回到>>>状态了。那我们刚才输入的内容到哪去了？答案是存放到name变量里了。可以直接输入name查看变量内容：

>>> name‘Michael‘

什么是变量？请回忆初中数学所学的代数基础知识：

设正方形的边长为a，则正方形的面积为a x a。把边长a看做一个变量，我们就可以根据a的值计算正方形的面积，比如：

若a=2，则面积为a x a = 2 x 2 = 4；

若a=3.5，则面积为a x a = 3.5 x 3.5 = 12.25。

在计算机程序中，变量不仅可以为整数或浮点数，还可以是字符串，因此，name作为一个变量就是一个字符串。

要打印出name变量的内容，除了直接写name然后按回车外，还可以用print()函数：

>>> print(name)

Michael

有了输入和输出，我们就可以把上次打印‘hello, world‘的程序改成有点意义的程序了：

name = input()print(‘hello,‘, name)

运行上面的程序，第一行代码会让用户输入任意字符作为自己的名字，然后存入name变量中；第二行代码会根据用户的名字向用户说hello，比如输入Michael：

C:\\Workspace> python hello.py

Michael

hello, Michael

但是程序运行的时候，没有任何提示信息告诉用户：“嘿，赶紧输入你的名字”，这样显得很不友好。幸好，input()可以让你显示一个字符串来提示用户，于是我们把代码改成：

name = input(‘please enter your name: ‘)print(‘hello,‘, name)

再次运行这个程序，你会发现，程序一运行，会首先打印出please enter your name:，这样，用户就可以根据提示，输入名字后，得到hello, xxx的输出：

C:\\Workspace> python hello.py

please enter your name: Michael

hello, Michael

每次运行该程序，根据用户输入的不同，输出结果也会不同。

在命令行下，输入和输出就是这么简单。

1. 数据类型

计算机顾名思义就是可以做数学计算的机器，因此，计算机程序理所当然地可以处理各种数值。但是，计算机能处理的远不止数值，还可以处理文本、图形、音频、视频、网页等各种各样的数据，不同的数据，需要定义不同的数据类型。在Python中，能够直接处理的数据类型有以下几种：

使用dict和set

dict

Python内置了字典：dict的支持，dict全称dictionary，在其他语言中也称为map，使用键-值（key-value）存储，具有极快的查找速度。

举个例子，假设要根据同学的名字查找对应的成绩，如果用list实现，需要两个list：

 

 

给定一个名字，要查找对应的成绩，就先要在names中找到对应的位置，再从scores取出对应的成绩，list越长，耗时越长。

如果用dict实现，只需要一个“名字”-“成绩”的对照表，直接根据名字查找成绩，无论这个表有多大，查找速度都不会变慢。用Python写一个dict如下：

 

 

为什么dict查找速度这么快？因为dict的实现原理和查字典是一样的。假设字典包含了1万个汉字，我们要查某一个字，一个办法是把字典从第一页往后翻，直到找到我们想要的字为止，这种方法就是在list中查找元素的方法，list越大，查找越慢。

第二种方法是先在字典的索引表里（比如部首表）查这个字对应的页码，然后直接翻到该页，找到这个字。无论找哪个字，这种查找速度都非常快，不会随着字典大小的增加而变慢。

dict就是第二种实现方式，给定一个名字，比如‘Michael‘，dict在内部就可以直接计算出Michael对应的存放成绩的“页码”，也就是95这个数字存放的内存地址，直接取出来，所以速度非常快。

你可以猜到，这种key-value存储方式，在放进去的时候，必须根据key算出value的存放位置，这样，取的时候才能根据key直接拿到value。

把数据放入dict的方法，除了初始化时指定外，还可以通过key放入：

 

 

由于一个key只能对应一个value，所以，多次对一个key放入value，后面的值会把前面的值冲掉：

 

如果key不存在，dict就会报错：

 

要避免key不存在的错误，有两种办法，一是通过in判断key是否存在：

 

二是通过dict提供的get方法，如果key不存在，可以返回None，或者自己指定的value：

 

set

set和dict类似，也是一组key的集合，但不存储value。由于key不能重复，所以，在set中，没有重复的key。

要创建一个set，需要提供一个list作为输入集合：

 

 

注意，传入的参数[1, 2, 3]是一个list，而显示的{1, 2, 3}只是告诉你这个set内部有1，2，3这3个元素，显示的顺序也不表示set是有序的。。

重复元素在set中自动被过滤：

 

 

通过add(key)方法可以添加元素到set中，可以重复添加，但不会有效果：

 

通过remove(key)方法可以删除元素：

 

set可以看成数学意义上的无序和无重复元素的集合，因此，两个set可以做数学意义上的交集、并集等操作：

 

set和dict的唯一区别仅在于没有存储对应的value，但是，set的原理和dict一样，所以，同样不可以放入可变对象，因为无法判断两个可变对象是否相等，也就无法保证set内部“不会有重复元素”。试试把list放入set，看看是否会报错。对于可变对象，比如list，对list进行操作，list内部的内容是会变化的，比如：

 

虽然字符串有个replace()方法，也确实变出了‘Abc‘，但变量a最后仍是‘abc‘，应该怎么理解呢？

我们先把代码改成下面这样：

 

 

4.切片

取一个list或tuple的部分元素是非常常见的操作。比如，一个list如下：

 

取前3个元素，应该怎么做？

笨办法：

 

 

切片操作十分有用。我们先创建一个0-99的数列：

 

可以通过切片轻松取出某一段数列。比如前10个数：

 

字符串‘xxx‘也可以看成是一种list，每个元素就是一个字符。因此，字符串也可以用切片操作，只是操作结果仍是字符串：

 

有了切片操作，很多地方循环就不再需要了。Python的切片非常灵活，一行代码就可以实现很多行循环才能完成的操作。