《 Python树莓派编程》——3.4 利用Python进行编程

本节书摘来自华章出版社《Python树莓派编程》一书中的第3章，第3.4节，作者：[美]沃尔弗拉姆·多纳特（Wolfram Donat）著 韩德强　等译，更多章节内容可以访问云栖社区“华章计算机”公众号查看。

3.4　利用Python进行编程

现在，你已经了解了数据类型。接下来，让我们看看如何在实际程序中使用它们。当你创建一个Python程序时，首先必须从编译器的环境中退出来，并且打开一个文本编辑器，如emacs或者树莓派的Leafpad。在创建完程序后，将其”.py”的扩展名保存。之后，你便可以通过输入以下命令运行该程序：

在众多的编程语言中，Python的语法也十分与众不同。Python使用空格或者缩进来分开不同的代码块。C语言等其他语言用花括号区分不同的代码块，如if语句；Python使用冒号和缩进来定义一个代码块。
C语言中的代码格式如下所示：

在Python中，相同的代码如下所示：

你可能会注意关于Python编程的两个细节。第一，在if语句中括号的作用不是很明显。在Python中，括号不是必需的，但在大多数情况下，使用括号是一种好的编程习惯的表现，因为加了括号会提高代码的可读性。你也会发现，大多数其他的编程语言在每行代码的末尾都会以分号结束，而Python则不是这样。这可能会花些功夫去适应，但却可以避免因为在某处分号放错位置或者忘记添加分号而引起编译失败的问题。在Python中，每行代码的末尾就是该条语句的末尾—就这么简单。
你已经见过一条语句的形式了，如：

同之前提到的一样，在Python中不需要提前声明x是一个整型变量，y是一个字符型变量—Python可以自己区别。这些语句称作赋值语句（assignment），它们将等号右边的值赋给等号左边的变量。不同的编程语言中有各种各样的命名规则，但我能给你的最好建议是：选择其中一个规则并坚持下去。如果你喜欢Pascal语言的规则（ThisIsAVariable），那就用这个规则。如果你更偏向于驼峰规则（thisIsAVariable），就使用这个规则。但一定要一致，以后你会感谢你的坚持的。在任何情况下，无论变量是数值、字符、列表，或其他别的什么，赋值的工作仅仅是：将一个值赋给一个变量。这是编程函数中最简单的一个。
3.4.1　if测试
接下来要介绍的编程函数是if语句，及其相关的elif和else函数。如你所预期的一样，if执行了一个测试，然后选择一项基于测试的结果。最基本的if语句如下所示：

'1'和布尔变量中的“true”效果一样，因此上述语句总会输出“true”。
当你在Python终端或者IDLE中输入if语句并以冒号结束时，下一个提示符永远都是省略号（…），这意味着Python正等待一个缩进块。如果你已经进行了缩进操作，按下Enter键结束等待。如果你在一个文本编辑器内编写程序，确保在需要缩进时进行了缩进操作。
从此处开始，我将会按文本编辑器的格式书写代码，并将输出的结果按照运行脚本之后的格式书写。
这是一个使用elif和else的较复杂的程序，如下：

很明显，这段代码最终会输出“Spam is a wonderful thing!”。当程序执行时，计算机首先判断第一个if，如果被判断的语句是正确的，则会立即执行随后缩进块内的代码。如果不正确，则略过缩进块寻找elif，并判断其语句的正确性。同样，如果正确或者没有elif语句，计算机会执行后面缩进块内的程序，如果不正确，则会跳过缩进块寻找下一个elif或者else语句。
在此有三点需要注意：第一，如果一条if语句内的内容是错误的，则在之后的缩进块内的内容都不会执行，计算机会直接跳转到下一个未缩进的代码处。
第二，同其他语言一样，Python使用双等号来判断是否相等。单等号用来进行赋值操作，双等号用来判断。我之所以提起这个是因为每个程序员（我确定指的是每一个程序员）某些时候都会在if语句中使用单等号进行判断操作，因此他们的程序会得到很多奇怪的结果。你也会犯同样的错误，但我希望提前为你打个预防针。
第三，Python忽略空行、空格（当然，除了在交互式情景及缩进块内的状况）和注释。这点很重要，因为你可以随意标注你的代码，以便提高它们对于其他程序员的可读性，即便是以后你自己读你的代码也是一样。
在Python中，注释通常以“#“开始，程序会忽略#后的一切内容。
代码的可读性是一个很重要的因素，希望你能定期回忆我这句话。你是希望试着调试先前编写的代码还是按照以下方式编程：

虽然没什么乐趣，但你可以很清楚地看懂第二种书写方式的内容，在读完类似的上百行没有空格、空行或者注释的代码后，你的眼睛会感谢你相信我。让我们看看使用空格后倒数第二行发生的变化：

你可以随意使用空格。
关于if部分，我最后想说的的内容是关于布尔操作符。在一个判断正误的测试中，X and Y正确意味着X和Y都正确。X or Y正确则意味着X或者Y正确，not X正确意味着X是错的。Python中使用关键词进行布尔运算，而不像C或者C++中使用&&、||、!操作符。好好学习这些操作符，它们会变得十分顺手的。
3.4.2　循环
通常，程序从头至尾每一行执行一次。然而，一些特定的语句可能会使程序执行的顺序从一点跳到另一点，这些控制流语句（control-flow statement）包括if（then）语句和循环。
最简单的循环语句可能是执行很多次的一段代码，例如：

之后会输出：

也可使用for循环遍历字符串，或者是一个列表：

或者遍历字符并输出遍历的内容：

尽管Python中for循环的语法和C或Java中的有些不同，不过一旦你适应了它们，使用这种语法就得心应手了。
第二种循环语句是while语句。这种语句判断一个状态，只要状态正确就会继续执行缩进框内的程序，例如：

可能与你想象中的有些不同，这段代码绝对不会输出“10”，因为x输出之后才会进行加1操作。在第10次循环过程中，编译器输出“9”之后x增加到10。而此时while条件不再为真，因此缩进框内的代码也不会被执行。
如果你正等待一个特定事件的发生，如按键按下或者用户按下“Q”退出的操作，while语句就十分有用。让我们看看接下来的例子：

这段代码中有两点值得注意：第一，在Python 2.x版本中，raw_input命令用来得到用户的一个输入，而在Python 3.x中，该命令则改为简单的input了；第二，记得使用break命令，这条命令会跳出当前循环。所以在这种情况下，while中循环的部分会永远循环，但当检测var == 'q'返回值为真时，程序会退出当前循环并结束程序。
3.4.3　函数
函数可以让程序员编写的代码重复使用。它能大大提高工作效率。通常，如果你发现代码中某些功能需要执行很多次，这个功能很有可能需要改写为函数。
假设你编写了一个简单的程序用来计算矩形的面积和周长。用户输入矩形的高和宽，之后程序进行相应的计算。实现这个功能最简单的方法是编写一个带参数的函数，其参数分别为矩形的高和宽。之后函数将矩形的面积和周长返回给主程序。为了实现这个函数，我们用def赋值语句进行编写。def赋值语句是我们定义一个函数的方法，其语法为def函数名（参数1，参数2）：

这个小程序需要你提供一些参数并返回计算的结果。可能这不是最好的例子（你可以用更少的代码计算出结果），但却很好地阐述了代码复用的思想。通过这个函数，你就明白：在程序的任何位置，只要你需要计算面积或者周长，调用AreaPerimeter函数并赋给参数“height”和“width”值即可。
在此需要注意一点：raw_input函数会返回一个字符串，即便你输入的是数字，返回的也是字符串类型的值。这也就解释了为什么在AreaPerimeter函数中height和width变量在计算前必须要进行int转换。
如果对其他语言比较熟悉的话，你会发现Python的函数与其他语言的函数在方法、功能和步骤方面都有一些不同。例如，在Python中，所有的函数都是按引用进行调用（call-by-reference)。不需要太过专业的术语，简单而言，这意味着当你给函数传递一个参数时，你只是将一个指针传递给一个变量，而不是传递数值。这种方式使得Python的内存管理更加方便。例如，当你在函数中一遍又一遍地传递列表参数时，不需要复制整个列表的内容。具体而言，当一个函数将一个列表作为参数时，你传递的只是列表首元素在内存中的位置，之后函数基于首元素的位置再查找剩余项。
函数另一个有意思的方面是：它们都是可执行的语句。这意味着一个函数实际上可以在if语句中声明和调用。虽然并不是很常见，但是这样定义和调用是合法的（有时也十分有用）。def语句可以嵌套在循环当中，嵌套在其他的def语句中，甚至嵌套在列表和字典里。
我们会在进行具体项目时回顾函数部分；现在，只需要知道它们的存在，并知道它们对你自己编写的每个程序都很实用即可。
3.4.4　对象和面向对象编程
在本章中，最后一件重要的事情是其与生俱来的执行面向对象代码的能力。面向对象编程（object-oriented programming，OOP）是一个较为高级的话题，可能不在本书讨论的范围之内。但我认为这是一个十分重要的话题，不可轻描淡写，一带而过。
OOP是一个程序数据被分为对象和函数（或方法）组合的范例。一个对象就是一个数据结构，通常是一组数据类型的结合，包括整型、字符型或者其他的数据类型。对象通常是类的一部分，与类中的方法相关联，并通过方法操作。
也许解释这部分最简单的方法就是使用shape示例。在这个例子中，一个shape（形状）是一个对象的类。类中有值，例如name（名称）和numberOfSides（面数）。这个类也有相关的函数，如findArea（计算面积）或者findPerimeter（计算周长）。
shape类有很多子类，子类描述的内容更为具体。一个square（正方形）是一个shape的对象，它的shapeType（形状属性）值等于square，numberOfSides值等于4。它的findArea函数接受numberOfSides值，并将该值的平方作为返回值。同时，一个triangle（三角形）对象也有不同的name、shapeType和numberOfSides值和不同的findArea方法。
这个例子不仅简单介绍了对象的概念，也阐述了继承的概念—OOP的一个组成部分。triangle对象从它的父类shape类继承了name、numberOfSides和findArea部分（虽然这几个部分都具有不同的值或者实现方法）。如果一个对象继承于shape类，它也会继承那些部分。即便它不需要用到那些部分，它还是会包含这些部分。它可能会增加一些其他的部分（例如circle（圆形）对象可能会有radius（半径）值），但它也会包含其父类的那些部分。
如果你在编程中用到这些类，相对于C++或者Java而言，Python更容易理解。无论属性是一个对象或是一个方法，你都可以按照接下来的语法结构进行命名：object.attribute（对象.属性）。如果你有一个叫作holyGrail的circle对象，其半径值用holyGrail.radius来表示。一个名为unexplodedScotman的正方形，其计算面积的函数用unexplodedScotsman.findArea来定义。
如之前所述，OOP的内容超出了本书涉及的范围。但像函数这些概念却十分有用，尤其是在很长很复杂的程序中。当你在学习Python的过程中，请自由地进行探索吧。你会发现Python也是一门功能丰富的语言，它甚至允许你执行其他高级程序任务。