Python学习之路第一篇-Python简介和基础入门

1、Python简介

1.1 Python是什么

Python是近年来编程界最火的热点，没有之一。从性质讲它与我们熟悉的C/C++、Java、PHP等没有什么本质的区别，也是一种开发语言，而且已经进入主流的二十种开发语言中的Top5。

1.2 Python的由来和发展趋势

1989年，吉多·范罗苏姆（Guido van
Rossum）在阿姆斯特丹为了打发无聊的圣诞节，决心开发一个新的脚本解释程序，他希望这个新的叫做Python的余元能够符合他的理想：创造一种C和shell之间功能全面、易学易用、可以扩展的语言。

1991年，第一个Python编译器诞生，基于C语言实现，并能够调用C语言的库文件。后面经历版本的不断革新换代，2004年的2.4版本诞生了目前最流行的WEB框架Django，六年后Python发展到2.7版本，这是目前为止2.x版本中最新且较为广泛使用的版本。

2.7版本的诞生不同于以往2.x版本的垂直换代逻辑，它是2.x版本和3.x版本之间过渡的一个桥梁，以便最大程度上继承3.x版本的新特性，同时尽量保持对2.x版本的兼容性。
此3.x在2.7版本之前就已问世，从2008年的3.0版本开始，Pythone3.x系呈迅猛发展之势，版本更新活跃，一直发展到现在最新的3.7版本。

Python2 VS Python3
许多初学者会纠结于从2.x版本还是从3.x版本开始Python的学习。这里简要对比下两者的差异：
1、3.x库中print是函数，使用起来更加方便（PRINT IS FUNCTION）
2、3.x版本默认使用UNICODE编码，解决了从前常见的中文乱码问题
3、3.x版本中某些库被改了名，具体的在后续学习中深入展开
4、目前3.x版本还不能完全支持Twisted module（网络框架），这恐怕是3.x版本中最大的遗憾。
官方宣布2020年之后不再支持2.x系列中使用最多的2.7版本，所以初学者建议从3.x开始学习。

1.4 Python的优缺点

优点
1、优雅、明确、简单：这是Python的定位，使得Python程序看上去简单易懂，初学者容易入门，学习成本更低。但随着学习的不断深入，Python一样可以胜任复杂场景的开发需求。引用一个说法：Python的哲学就是简单优雅，尽量写容易看明白的代码，尽量少些代码。
2、开发效率高：Python作为一门高级语言，具有丰富的第三方库，官方库中也有相应的功能模块支持，覆盖了网络、文件、GUI、数据库、文本等大量内容。因此开发者无需事必躬亲，遇到主流的功能需求时可以直接调用，在基础库的基础上施展拳脚，可以节省很多功夫和时间成本，大大降低开发周期。
3、无需关注细节：Python作为一种高级语言，在编程时无需关注底层细节（如内存管理等）
4、功能强大：Python是一种前端后端通吃的综合性语言，功能强大，PHP能胜任的角色它都能做。至于后端如何胜任，需要在后续的学习中逐步领悟。
5、可移植性：Python可以在多种主流的平台上运行，开发程序时只要绕开对系统瓶体的依赖性，就可以在无需修改的前提下运行在多种系统平台上。其他优点有待继续发掘。
缺点：
1、代码运行速度慢：因为Python是一种高级语言，不像C语言一样可以深入底层硬件最大程度上榨取硬件的性能，因此它的运行速度要远远慢于C语言。另外一个原因是，Python是解释型语言，我们的代码在执行时会一行一行地翻译成CPU能理解的机器码，这个翻译过程比较耗时，所以很慢。而C程序时运行前直接编译成CPU能够执行的机器码，所以非常快。
需要注意的是，这种慢对于不需要追求硬件高性能的应用场合来说，根本不是问题。因为他们比较的数量级并不是用户能够直观感受到的（比如开发一个网络下载器，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，但由于网络的延时更慢，需要等待1秒，用户的体验几乎没有差别，除非使用精确的计时器来计时）。
2、发布程序时必须公开源码：还是因为Python是一门解释型语言，没有编译打包的过程（据说最新的Python可以打包，但本质上还是把源代码和解释器打在一起，没有太大的实际意义）。这个缺点仅限于我们想单纯靠卖开发出来的软件产品挣钱的时候。但在当前这个互联网时代，不靠卖产品本身来赚钱的商业模式越来越主流了，所以这已经不是什么大问题了。

1.5 Python的适用领域

1、云计算开发：云计算领域最火的语言，典型代表OpenStack
2、WEB开发：众多优秀的WEB框架、众多优秀的WEB站点（YouTube、Instagram、豆瓣等）均基于Python开发
3、系统运维：各种自动化工具的开发，CMDB、监控告警系统、堡垒机、配置管理&批量分发工具等均可以搞定
4、科学计算、人工智能：围棋大战的谷歌阿尔法狗部分功能使用了Python
5、图形GUI：暂缺大型应用
6、网络爬虫：这年头网络爬虫无处不在，很多都是基于Python开发，包括谷歌的爬虫，估计这是爬虫工程师的必备工具吧。

1.6 哪些地方在使用Python

来自几个现货的知名公司应用案例：
谷歌：Google app engine、google earth、爬虫、广告等
YouTube：世界最大的在线视频网站基于Python开发 Instagram：美国最大的图片分享网站，全部基于Python开发
Facebook：大量的基础库基于Python开发 Redhat：yum包管理工具基于Python开发
国内知名互联网公司的应用：豆瓣、知乎网站、主流互联网公司如阿里、腾讯、百度、金山、搜狐、盛大、网易。。。等通过Python来完成各种任务
2、Python基础

2.1 编程开发规范

1、代码开头：Python中代码必须顶格书写，除非被作为语句嵌套在条件判断或循环结构中
2、代码层级：代码与代码之间的逻辑层级关系通过空格来界定，第一层顶格书写，第二层开头预留4个空格（如果不考虑跨平台可使用tab）
3、对齐方式：同一个层级的代码必须严格对齐，如第一层都是顶格，第二层都是4个空格开头，第三层则是8个空格，以此类推。
4、注释：单行注释用#开头，单独一行作为注释或在代码后面通过#跟上注释均可，多行注释在首尾处用成对的三引号引用即可，可以是成对的三引号或者三个双引号
5、代码块：目前来看if逻辑判断和for循环条件后面均以冒号结尾，然后通过4个空格开始下一层级的实际执行动作语句编写。这部分在冒号后面接上的语句称为代码块
6、程序命名：编写的Python程序文件必须以.py结尾
7、项目规范：启动一个项目开发时现在开发工具中创建工程（project），然后根据需要创建目录，最后在目录下创建当前活动的py程序

2.2 变量

Python中的变量也用于存储临时值以便后续灵活调用，在定义时只能使用字母、数字、下划线的任意组合，且不能以数字开头，不能以Python内置的关键字来命名变量（如and, import, global, finally等）。对变量进行字符串类型的赋值时，字符串需要用成对的引号引起来，单双、三引号都可以。
建议使用以下两种形式来定义较为复杂的变量，便于阅读：
1、驼峰：即每个单词的首字母大写，其他小写，如HeroName
2、下划线：不同单词之间通过下划线分开：hero_name

2.3 字符编码

字符编码经历了ASCII码 -> Unicode -> UTF-8的演变过程，Python2默认使用ASCII编码，而3.x默认使用UTF-8编码。由于编码问题事关重大，因此强烈建议统一使用万能的UTF-8编码：
在程序的开头明确显式定义：

 #!/usr/bin/env python
    #-*- coding: utf-8 -*-

Windows下编程可以省略第一行，但为了保留移植性建议始终声明变量
虽然Python3.x默认使用UTF-8编码，但还是建议在程序中声明编码格式

以上是结果，下面谈谈为什么强烈建议使用urf-8编码，以及为什么utf-8编码就可以通吃。
众所周知计算机是美国人发明的，因此最早就只有包括所有字母的大小写、数字、必要的特殊符号等合计才127个字符被编码到计算机里，这个编码就是ASCII编码。由于需要进行编码的字符才有127个，因此用7个二进制位就足以搞定了，但8个二进制位才能构成一个完整的字节，因此索性用8个二进制位来进行编码，剩余的一位只好浪费掉。所以ASCCI码只占用一个字符。
随着计算机技术的推广和普及，其他不以英语为官方语言的国家也开始使用计算机了。那么现在问题来了，一个字节的8个bit位只能表示非常有限的字符（设计时只包括所有字母的大小写、数字、必要的特殊符号，其中整数还不能超过255），既有的ASCII编码表里没有包含其他国家的语言字符，但显然也没法强迫全球都使用英语，于是各个国家开始进行本土化改良，设计能满足自己国家需要的编码，如国内的GB2312。这里的改良涉及两个要点，一是原有的一个字节的编码空间要扩充为两个字节甚至更多，二是新的编码还不能与既有的ASCII编码冲突，否则老美要跟你捉急了！你可以想象，中国搞定了一套，日本也搞定了一套，接着是韩国、越南等巴拉巴拉，大家都有自己的编码标准，各自为政，遇到多语言混合使用的场景这编码表还不炸开锅，连同计算机一起傻掉！这时Unicode应运而生。Unicode把所有语言都统一到一套编码里，用两个甚至更多的字节来进行编码（通常用两个字节，搞不定时再喊人加砝码呀），这样就不会再有乱码问题了。
Unicode搞定了多国语言乱码和编码统一的问题，但你会发现如果需要处理的内容全部是英文的话，用Unicode编码比ASCII编码需要多一倍的存储空间，在存储和传输上就不太经济划算。OK，Unicode的演进改良版utf-8就是来解决这个问题的。utf-8的优势在于它使用“可变长编码”，在继续沿用ASCII编码基础上来对1个字节不能搞定的那些语言字符进行编码设计，这样英文还是用1个字节，遇到中文就用3个或者更多的字节来处理。这样既可以保障空间和性能的最大化，还能兼顾老美的老巢和其他非英文的编码兼容问题，一举三得！所以你会发现ASCII其实是utf-8的子集，utf-8向下兼容。

2.4 Python解释器

Python是一门解释性语言，自然不能缺了解释器（类似于JVM）。官方支持Cpython、Jpython、Ironpython和pypy等，默认使用基于C语言实现的CPython。它也是使用最广泛的解释器。

CPython：是用C语言实现Pyhon，是目前应用最广泛的解释器。最新的语言特性都是在这个上面先实现，基本包含了所有第三方库支持，但是CPython有几个缺陷，一是全局锁使Python在多线程效能上表现不佳，二是CPython无法支持JIT（即时编译），导致其执行速度不及Java和Javascipt等语言。于是出现了Pypy。

Pypy：是用Python自身实现的解释器。针对CPython的缺点进行了各方面的改良，性能得到很大的提升。最重要的一点就是Pypy集成了JIT。但是，Pypy无法支持官方的C/Python
API，导致无法使用例如Numpy，Scipy等重要的第三方库。这也是现在Pypy没有被广泛使用的原因吧。

而PyPy与CPython的不同在于，别的一些python实现如CPython是使用解释执行的方式，这样的实现方式在性能上是很凄惨的。而PyPy使用了JIT(即时编译)技术，在性能上得到了提升。

Python的解释器：

1、由于Python是动态编译的语言，和C/C++、Java或者Kotlin等静态语言不同，它是在运行时一句一句代码地边编译边执行的，而Java是提前将高级语言编译成了JVM字节码，运行时直接通过JVM和机器打交道，所以进行密集计算时运行速度远高于动态编译语言。

2、PyPy，它使用了JIT（即时编译）技术，混合了动态编译和静态编译的特性，仍然是一句一句编译源代码，但是会将翻译过的代码缓存起来以降低性能损耗。相对于静态编译代码，即时编译的代码可以处理延迟绑定并增强安全性。绝大部分
Python代码都可以在PyPy下运行，但是PyPy和CPython有一些是不同的。

2.5 构建Python的开发环境

构建好包括解释器（虚拟机）和开发工具IDE在内的Python开发环境才便于展开程序开发之旅。
解释器（虚拟机）从Python官方下载安装即可，Windows下安装后需要把Python下bin目录和script目录追加到系统环境变量path中。
真实开发建议使用pycharm工具，需要注意的是选择本地的解释器和项目的默认字符编码。

2.6 模块初识

Python内置了很多模块，同时也可以自定义编写一些好玩的模块，使用模块时需要通过关键字import导入。导入后Python会从系统变量的路径中从前往后一次性查找，首次成功查找匹配后不再进行后续查找。
因此如果需要使用自定义模块，需要特别关注自定义模块的存放位置，底线是只存放在系统变量的一个路径下，否则可能得到以外的结果

2.7 用户输入和格式化输出

用户输入通过input来实现，示例：

hero_name = input("请输入英雄的名称：")
print("Hi，", hero_name)

注意：
1、3.x版本中input默认接收用户输入的类型为字符串，如果需要使用其他数据类型需要类型转换：
    age = int(input("请输入年龄："))
2、print输出中可以使用转义符号反斜线\来实现更多的显示效果，如\n表示换行，\t为制表符

字符串的格式化输出
Python中对字符串的格式化输出与C语言相同，借助%来实现：%s表示字符串；%d表示整数；%f表示浮点数；如果输出的字符串中本身需要%，那么需要使用两个连续的%%来输出一个%。

#!/usr/bin/env python
#! -*- coding: utf-8 -*-
print("英雄的名称为%s" %"八神庵")
print("您的年龄是：%d" %18)
print("英雄的名称为%s, 年龄是%d" %("草薙京"， 24))

从上面的示例可以看出，利用print进行格式化输出的基本格式是在需要替换输出的位置用%s,%d等占位符，然后在后面通过%来接上实际替换后需要输出的内容。如果需要替换输出的元素不止一个，则需要在%后面通过一对圆括号把实际替换后需要输出的内容包含进来，同时在每个元素之间用逗号隔开。

2.8 Python的运行逻辑

内存加载代码 -> 语法分析 -> 解释器加载 -> 生成字节码 -> 执行字节码 -> 生成机器码 -> CPU执行

3、开始我们的Python开发之旅

3.1 第一个Python程序

#!/usr/bin/env python
#! -*- coding: utf-8 -*-
print("Hello World!")

执行结果：

“C:\Program Files\Python35\python.exe” D:/python/Day1/test/HelloWorld.py
Hello world!
Process finished with exit code 0

3.2 if-else判断
3.2.1 if-else语法规范

if condition1:
    command_layer1_1
    if condition2:
        command_layer2_2
    else:
        command_layer2_2
else:
    command_layer1_2

3.2.2 示例程序

#!/usr/bin/env python
#! -*- coding:utf-8 -*-
user_input = input("请输入用户名：")
if user_input == "admin":
    pass_input = input("请输入密码：")
    if pass_input == "password":
        print("登录成功，欢迎回来：%s" %(user_input))
    else:
        print("错误的用户名或密码，登录失败！")
else:
    print("错误的用户名或密码，登录失败！")

改良版：

#!/usr/bin/env python
#! -*- coding:utf-8 -*-
username = input("请输入用户名：\n")
password = input("请输入密码：\n")
if username == "admin" and password == "password":
    print("登录成功，欢迎回来：%s" %username)
else:
    print("登录失败！")

3.2.3 if-elif-else扩展
语法结构：

if condition1:
    statement1
elif condition2:
    statement2
elif condition3:
    statement3
else condition4:
    statement4

示例程序：

#!/usr/bin/env python
#! -*- coding:utf-8 -*-
age = input("请输入年龄：")
if age >= 18:
    print("已成年！\n")
elif age >= 6:
    print("未成年！\n")
else:
    print("儿童！\n")

3.3 for循环
3.3.1 for循环语法规范

for variable in list:
    loop command

variable表示变量，一般程序中使用i, j等，list表示变化的范围，可以是list列表，一般会考虑使用range函数来表示一个整数序列，如range(5)就表示[0, 5)之间的整数序列。语法规范中同样需要for语句后面的结尾冒号，以及循环体中的4个空格左缩进。

3.3.2 猜数游戏

通过系统生成一个随机数作为预设年龄，对用户提供3次猜测的机会，前两次如果没有猜中给出数字范围大小的提示，如果第3次还没有猜中则给与鼓励提示，同时打印出这个预设的数字，三次当中没有任何一次猜中会给予用户提示。

#!/usr/bin/env python
#! -*- coding:utf-8 -*-
import random               #导入随机数模块
age = random.randrange(10)  #随机生成[0, 9]之间的整数并赋值给变量age
for i in range(3):
    if i < 2:
        guess_num = int(input("猜一猜大黄的年龄："))
        if guess_num > age:
            print("大了!\n")
        elif guess_num < age:
            print("小了！\n")
        else:
            print("恭喜，猜中了！\n")
            break;           #跳出循环
    else:
        guess_num = int(input("最后一次机会哦："))
        if guess_num == age:
            print("恭喜，猜对了！\n")
        else:
            print("真是不幸运，3次机会已用完。大黄的年龄是：%d\n" %age)

注意：
1、为了便于程序调试可以为age赋一个固定数字做初值
下面进行程序的改进，当用户连续三次猜错后继续给机会，让用户选择继续猜还是直接退出，如果继续则再获得三次猜的机会：

#!/usr/bin/env python
#! -*- coding:utf-8 -*-
age = 24            #年龄初值24
count = 0           #计数器，初值为0
for i in range(10):
    if count < 3:
        guess_num = int(input("请输入猜测的数字："))
        if guess_num == age:
            print("恭喜，猜对了！\n")
            break;
        elif guess_num > age:
            print("大了！\n")
        else:
            print("小了！\n")
        count += 1
    elif count == 3:
        continue_flag = input("是否继续玩耍(Y/N):")
        if continue_flag.lower() == "y":
            count = 0
        else:
            print("游戏结束！\n")
            break
    else:
        print("尝试次数过多，游戏强制退出！\n")

也可以使用while循环：

count = 0
while count < 10:
    # ..........
    count += 1

小结

1、Python是一门主流且发展迅猛的开发语言，目前存在2.x和3.x两个版本分支，前端后端都能胜任，功能强大，在互联网公司中应用广泛，值的托付；
2、Python开发需要安装解释器和IDE，建议使用Pycharm。2.x和3.x下的默认字符编码不同，推荐使用utf-8编码，包括程序编码和解释的编码两个层面；
3、系统自带模块和自定编写的模块均可以通过import导入使用；
4、在进行Python开发时，注意代码需要分层体现，第一层顶格编写，第二层左缩进4个空格；
5、input函数用于接收用户输入，默认输入的数据类型是字符串，可以通过int关键字转换为整数。print()函数可以进行简单输出，如果要格式化需要使用%s,%d,%f等来实现；
6、流程控制语句if-else判断和for、while循环都需要注意代码书写格式，流程控制语句关键字必须以冒号结尾，各层级之间需要使用4个空格缩进；
7、continue和break可以分别用于退出当前流程控制和整个循环。

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