Python语言系统学习2：认知Python

我是从事嵌入式系统软硬件设计工作已有将尽20年的时间，在进行硬件目标板调试时，常需要上位机软件支持。在进行上位机软件程序的设计时，采用过VB、VB.net和C++等多种语言，偶然的机会发现Python，接触后，立刻感觉到它的强大，现在我的上位机软件编程只用Python。本系列教程将从基于硬件的上位机软件设计的角度着手，系统介绍Python语言，希望读者通过本系列教程的学习，能够对Python语言立刻学以致用，真正将所学知识应用到项目实践中。

开发环境：Visual Studio Code

操作系统：Microsoft Window 7

Python版本：3.7

参考教材：Python快速编程入门，黑马程序员，人民邮电出版社，2017年9月第1版

备注：教程仅适合初学者，高手请绕过

 

一、Python简介及应用领域

Python是一种解释型脚本语言，可以应用于以下领域:

• Web 和 Internet开发
• 科学计算和统计
• 教育
• 桌面界面开发
• 软件开发
• 后端开发
• 嵌入式系统软件开发
• 游戏开发

二、发展历程

自从20世纪90年代初Python语言诞生至今，它已被逐渐广泛应用于系统管理任务的处理和Web编程。

Python的创始人为Guido van Rossum。1989年圣诞节期间，在阿姆斯特丹，Guido为了打发圣诞节的无趣，决心开发一个新的脚本解释程序，作为ABC 语言的一种继承。之所以选中Python(大蟒蛇的意思)作为该编程语言的名字，是取自英国20世纪70年代首播的电视喜剧《蒙提.派森干的飞行马戏团》(Monty Python's Flying Circus)。

ABC是由Guido参加设计的一种教学语言。就Guido本人看来，ABC 这种语言非常优美和强大，是专门为非专业程序员设计的。但是ABC语言并没有成功，究其原因，Guido 认为是其非开放造成的。Guido 决心在Python 中避免这一错误。同时，他还想实现在ABC 中闪现过但未曾实现的东西。就这样，Python在Guido手中诞生了。可以说，Python是从ABC发展起来，主要受到了Modula-3(另一种相当优美且强大的语言，为小型团体所设计的)的影响。并且结合了Unix shell和C的习惯。Python 已经成为最受欢迎的程序设计语言之一。自从2004年以后，python的使用率呈线性增长。2011年1月，它被TIOBE编程语言排行榜评为2010年度语言。

由于Python语言的简洁性、易读性以及可扩展性，在国外用Python做科学计算的研究机构日益增多，一些知名大学已经采用Python来教授程序设计课程。例如卡耐基梅隆大学的编程基础、麻省理工学院的计算机科学及编程导论就使用Python语言讲授。众多开源的科学计算软件包都提供了Python的调用接口，例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。而Python专用的科学计算扩展库就更多了，例如如下3个十分经典的科学计算扩展库:NumPy、SciPy和matplotlib，它们分别为Python提供了快速数组处理、数值运算以及绘图功能。因此Python语言及其众多的扩展库所构成的开发环境十分适合工程技术、科研人员处理实验数据、制作图表，甚至开发科学计算应用程序。

三、风格

Python在设计上坚持了清晰划一的风格，这使得Python成为一门易读、易维护，并且被大量用户所欢迎的、用途广泛的语言。设计者开发时总的指导思想是，对于一个特定的问题，只要有一种最好的方法来解决就好了。Python的作者有意的设计限制性很强的语法，使得不好的编程习惯(例如if语句的下一行不向右缩进)都不能通过编译。其中很重要的一项就是Python的缩进规则。一个和其他大多数语言(如C)的区别就是，一个模块的界限，完全是由每行的首字符在这一行的位置来决定的(而C语言是用一对花括号{}来明确的定出模块的边界的，与字符的位置毫无关系)。这一点曾经引起过争议。因为自从C这类的语言诞生后，语言的语法含义与字符的排列方式分离开来，曾经被认为是一种程序语言的进步。不过不可否认的是，通过强制程序员们缩进(包括if，for和函数定义等所有需要使用模块的地方)，Python确实使得程序更加清晰和美观。

四、设计定位

Python的设计哲学是"优雅"、"明确"、"简单"。因此，Perl语言中"总是有多种方法来做同一件事"的理念在Python开发者中通常是难以忍受的。Python开发者的哲学是"用一种方法，最好是只有一种方法来做一件事"。在设计Python语言时，如果面临多种选择，Python开发者一般会拒绝花俏的语法，而选择明确的没有或者很少有歧义的语法。由于这种设计观念的差异，Python源代码通常被认为比Perl具备更好的可读性，并且能够支撑大规模的软件开发。这些准则被称为Python格言。在Python解释器内运行import this可以获得完整的列表。

Python开发人员尽量避开不成熟或者不重要的优化。一些针对非重要部位的加快运行速度的补丁通常不会被合并到Python内。所以很多人认为Python很慢。不过，根据二八定律，大多数程序对速度要求不高。在某些对运行速度要求很高的情况，Python设计师倾向于使用JIT技术，或者用使用C/C++语言改写这部分程序。可用的JIT技术是PyPy。

Python是完全面向对象的语言。函数、模块、数字、字符串都是对象。并且完全支持继承、重载、派生、多继承，有益于增强源代码的复用性。Python支持重载运算符和动态类型。相对于Lisp这种传统的函数式编程语言，Python对函数式设计只提供了有限的支持。有两个标准库(functools, itertools)提供了Haskell和Standard ML中久经考验的函数式程序设计工具。

虽然Python可能被粗略地分类为"脚本语言"(script language)，但实际上一些大规模软件开发计划例如Zope、Mnet及BitTorrent，Google也广泛地使用它。Python的支持者较喜欢称它为一种高级动态编程语言，原因是"脚本语言"泛指仅作简单程序设计任务的语言，如shellscript、VBScript等只能处理简单任务的编程语言，并不能与Python相提并论。

Python本身被设计为可扩充的。并非所有的特性和功能都集成到语言核心。Python提供了丰富的API和工具，以便程序员能够轻松地使用C语言、C++、Cython来编写扩充模块。Python编译器本身也可以被集成到其它需要脚本语言的程序内。因此，很多人还把Python作为一种"胶水语言"(glue language)使用。使用Python将其他语言编写的程序进行集成和封装。在Google内部的很多项目，例如Google Engine使用C++编写性能要求极高的部分，然后用Python或Java/Go调用相应的模块。《Python技术手册》的作者马特利(Alex Martelli)说:"这很难讲，不过，2004 年，Python 已在Google 内部使用，Google 召募许多 Python 高手，但在这之前就已决定使用Python，他们的目的是 Python where we can, C++ where we must，在操控硬件的场合使用 C++，在快速开发时候使用 Python。"

五、执行

Python在执行时，首先会将.py文件中的源代码编译成Python的byte code(字节码)，然后再由Python Virtual Machine(Python虚拟机)来执行这些编译好的byte code。这种机制的基本思想跟Java，.NET是一致的。然而，Python Virtual Machine与Java或.NET的Virtual Machine不同的是，Python的Virtual Machine是一种更高级的Virtual Machine。这里的高级并不是通常意义上的高级，不是说Python的Virtual Machine比Java或.NET的功能更强大，而是说和Java 或.NET相比，Python的Virtual Machine距离真实机器的距离更远。或者可以这么说，Python的Virtual Machine是一种抽象层次更高的Virtual Machine。基于C的Python编译出的字节码文件，通常是.pyc格式。除此之外，Python还可以以交互模式运行，比如主流操作系统Unix/Linux、Mac、Windows都可以直接在命令模式下直接运行Python交互环境。直接下达操作指令即可实现交互操作。

六、Python语言的优点

• 简单:Python是一种代表简单主义思想的语言。阅读一个良好的Python程序就感觉像是在读英语一样。它使你能够专注于解决问题而不是去搞明白语言本身。
• 易学:Python极其容易上手，因为Python有极其简单的说明文档 。
• 速度快:Python 的底层是用 C 语言写的，很多标准库和第三方库也都是用 C 写的，运行速度非常快。
• 免费、开源:Python是FLOSS(自由/开放源码软件)之一。使用者可以自由地发布这个软件的拷贝、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。FLOSS是基于一个团体分享知识的概念。
• 高层语言:用Python语言编写程序的时候无需考虑诸如如何管理你的程序使用的内存一类的底层细节。
• 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、FreeBSD、Macintosh、Solaris、OS/2、Amiga、AROS、AS/400、BeOS、OS/390、z/OS、Palm OS、QNX、VMS、Psion、Acom RISC OS、VxWorks、PlayStation、Sharp Zaurus、Windows CE、PocketPC、Symbian以及Google基于linux开发的android平台。
• 解释性:一个用编译性语言比如C或C++写的程序可以从源文件(即C或C++语言)转换到一个你的计算机使用的语言(二进制代码，即0和1)。这个过程通过编译器和不同的标记、选项完成。
• 运行程序的时候，连接/转载器软件把你的程序从硬盘复制到内存中并且运行。而Python语言写的程序不需要编译成二进制代码。你可以直接从源代码运行程序。
• 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，然后再把它翻译成计算机使用的机器语言并运行。这使得使用Python更加简单。也使得Python程序更加易于移植。
• 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。
• 可扩展性: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，可以部分程序用C或C++编写，然后在Python程序中使用它们。
• 可嵌入性:可以把Python嵌入C/C++程序，从而向程序用户提供脚本功能。
• 丰富的库:Python标准库确实很庞大。它可以帮助处理各种工作，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。这被称作Python的"功能齐全"理念。除了标准库以外，还有许多其他高质量的库，如wxPython、Twisted和Python图像库等等。
• 规范的代码:Python采用强制缩进的方式使得代码具有较好可读性。而Python语言写的程序不需要编译成二进制代码。

七、Python语言的缺点

• 单行语句和命令行输出问题:很多时候不能将程序连写成一行，如import sys;for i in sys.path:print i。而perl和awk就无此限制，可以较为方便的在shell下完成简单程序，不需要如Python一样，必须将程序写入一个.py文件。
• 独特的语法
• 这也许不应该被称为局限，但是它用缩进来区分语句关系的方式还是给很多初学者带来了困惑。即便是很有经验的Python程序员，也可能陷入陷阱当中。
• 运行速度慢:这里是指与C和C++相比。

八、应用

• 系统编程:提供API(Application Programming Interface应用程序编程接口)，能方便进行系统维护和管理，Linux下标志性语言之一，是很多系统管理员理想的编程工具。
• 图形处理:有PIL、Tkinter等图形库支持，能方便进行图形处理。
• 数学处理:NumPy扩展提供大量与许多标准数学库的接口。
• 文本处理:python提供的re模块能支持正则表达式，还提供SGML，XML分析模块，许多程序员利用python进行XML程序的开发。
• 数据库编程:程序员可通过遵循Python DB-API(数据库应用程序编程接口)规范的模块与Microsoft SQL Server，Oracle，Sybase，DB2，MySQL、SQLite等数据库通信。python自带有一个Gadfly模块，提供了一个完整的SQL环境。
• 网络编程:提供丰富的模块支持sockets编程，能方便快速地开发分布式应用程序。很多大规模软件开发计划例如Zope，Mnet 及BitTorrent. Google都在广泛地使用它。
• Web编程:应用的开发语言，支持最新的XML技术。
• 多媒体应用:Python的PyOpenGL模块封装了"OpenGL应用程序编程接口"，能进行二维和三维图像处理。PyGame模块可用于编写游戏软件。
• pymo引擎:PYMO全称为python memories off，是一款运行于Symbian S60V3,Symbian3,S60V5, Symbian3, Android系统上的AVG游戏引擎。因其基于python2.0平台开发，并且适用于创建秋之回忆(memories off)风格的AVG游戏，故命名为PYMO。
• 黑客编程:python有一个hack的库,内置了你熟悉的或不熟悉的函数，但是缺少成就感。
• 用Python写简单爬虫

九、常用工具

• Tkinter

Python默认的图形界面接口。Tkinter是一个和Tk接口的Python模块，Tkinter库提供了对Tk API的接口，它属于Tcl/Tk的GUI工具组。

• PyGTK

用于python GUI程序开发的GTK+库。GTK就是用来实现GIMP和Gnome的库。

• PyQt

用于python的Qt开发库。QT就是实现了KDE环境的那个库，由一系列的模块组成，有qt, qtcanvas, qtgl, qtnetwork, qtsql, qttable, qtui and qtxml，包含有300个类和超过5750个的函数和方法。PyQt还支持一个叫qtext的模块，它包含一个QScintilla库。该库是Scintillar编辑器类的Qt接口。

• wxPython

GUI编程框架，熟悉MFC的人会非常喜欢，简直是同一架构(对于初学者或者对设计要求不高的用户来说，使用Boa Constructor可以方便迅速的进行wxPython的开发)

• PIL

python提供强大的图形处理的能力，并提供广泛的图形文件格式支持，该库能进行图形格式的转换、打印和显示。还能进行一些图形效果的处理，如图形的放大、缩小和旋转等。是Python用户进行图象处理的强有力工具。

• Psyco

一个Python代码加速度器，可使Python代码的执行速度提高到与编译语言一样的水平。

• xmpppy

Jabber服务器采用开发的XMPP协议，Google Talk也是采用XMPP协议的IM系统。在Python中有一个xmpppy模块支持该协议。也就是说，我们可以通过该模块与Jabber服务器通信，是不是很Cool。

• PyMedia

用于多媒体操作的python模块。它提供了丰富而简单的接口用于多媒体处理(wav, mp3, ogg, avi, divx, dvd, cdda etc)。可在Windows和Linux平台下使用。

• Pmw

Python megawidgets，Python超级GUI组件集，一个在python中利用Tkinter模块构建的高级GUI组件，每个Pmw都合并了一个或多个Tkinter组件，以实现更有用和更复杂的功能。

• PyXML

用Python解析和处理XML文档的工具包，包中的4DOM是完全相容于W3C DOM规范的。它包含以下内容:xmlproc: 一个符合规范的XML解析器。Expat: 一个快速的，非验证的XML解析器。还有其他和他同级别的还有 PyHtml PySGML。

• PyGame

用于多媒体开发和游戏软件开发的模块。

• PyOpenGL

模块封装了"OpenGL应用程序编程接口"，通过该模块python程序员可在程序中集成2D和3D的图形。

• NumPy、NumArray、SAGE

NumArray是Python的一个扩展库，主要用于处理任意维数的固定类型数组，简单说就是一个矩阵库。它的底层代码使用C来编写，所以速度的优势很明显。SAGE是基于NumPy和其他几个工具所整合成的数学软件包，目标是取代Magma, Maple, Mathematica和Matlab 这类工具。

• MySQLdb

用于连接MySQL数据库。还有用于zope的ZMySQLDA模块，通过它就可在zope中连接mysql数据库。

• Sqlite3

用于连接sqlite数据库。

• Python-ldap

提供一组面向对象的API，可方便地在python中访问ldap目录服务，它基于OpenLDAP2.x。

• smtplib

发送电子邮件。

• ftplib

定义了FTP类和一些方法，用以进行客户端的ftp编程。如果想了解ftp协议的详细内容，请参考RFC959。

• PyOpenCL

OpenCL的Python接口，通过该模块可以使用GPU实现并行计算。

十、标准库

Python拥有一个强大的标准库。Python语言的核心只包含数字、字符串、列表、字典、文件等常见类型和函数，而由Python标准库提供了系统管理、网络通信、文本处理、数据库接口、图形系统、XML处理等额外的功能。Python标准库命名接口清晰、文档良好，很容易学习和使用。

Python社区提供了大量的第三方模块，使用方式与标准库类似。它们的功能无所不包，覆盖科学计算、Web开发、数据库接口、图形系统多个领域，并且大多成熟而稳定。第三方模块可以使用Python或者C语言编写。SWIG,SIP常用于将C语言编写的程序库转化为Python模块。Boost C++ Libraries包含了一组库，Boost.Python，使得以 Python 或 C++ 编写的程序能互相调用。借助于拥有基于标准库的大量工具、能够使用低级语言如C和可以作为其他库接口的C++，Python已成为一种强大的应用于其他语言与工具之间的胶水语言。

Python标准库的主要功能有:

• 文本处理，包含文本格式化、正则表达式匹配、文本差异计算与合并、Unicode支持，二进制数据处理等功能
• 文件处理，包含文件操作、创建临时文件、文件压缩与归档、操作配置文件等功能
• 操作系统功能，包含线程与进程支持、IO复用、日期与时间处理、调用系统函数、写日记(logging)等功能
• 网络通信，包含网络套接字，SSL加密通信、异步网络通信等功能
• 网络协议，支持HTTP，FTP，SMTP，POP，IMAP，NNTP，XMLRPC等多种网络协议，并提供了编写网络服务器的框架
• W3C格式支持，包含HTML，SGML，XML的处理。
• 其它功能，包括国际化支持、数学运算、HASH、Tkinter等

十一、开发环境

• IDLE:Python内置IDE (随python安装包提供)
• PyCharm :详见百度百科PyCharm，由著名的JetBrains公司开发，带有一整套可以帮助用户在使用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。此外，该IDE提供了一些高级功能，以用于支持Django框架下的专业Web开发。
• Komodo和Komodo Edit:后者是前者的免费精简版
• Spyder:安装Anaconda自带的高级IDE
• PythonWin:ActivePython或pywin32均提供该IDE，仅适用于Windows
• SPE(Stani's Python Editor):功能较多的自由软件，基于wxPython
• Ulipad:功能较全的自由软件，基于wxPython;作者是中国Python高手limodou
• WingIDE:可能是功能最全的IDE，但不是自由软件(教育用户和开源用户可以申请免费key)
• Eric:基于PyQt的自由软件，功能强大。全名是:The Eric Python IDE
• DrPython
• PyScripter:使用Delphi开发的轻量级的开源Python IDE， 支持Python2.6和3.0。
• PyPE:一个开源的跨平台的PythonIDE。
• bpython: 类Unix操作系统下使用curses库开发的轻量级的Python解释器。语法提示功能。
• eclipse + pydev插件:方便调试程序
• emacs:自带python支持，自动补全、refactor等功能需要插件支持
• Vim: 最新7.3版编译时可以加入python支持，提供python代码自动提示支持
• SlickEdit
• Visual Studio 2010 + Python Tools for Visual Studio
• Visual Studio Code
• TextMate
• Netbeans IDE
• Sublime
• ipython

十二、解释器

Python是一门跨平台的脚本语言，Python规定了一个Python语法规则，实现了Python语法的解释程序就成为了Python的解释器。

CPython(ClassicPython，也就是原始的Python实现，需要区别于其他实现的时候才以CPython称呼;或解作C语言实现的Python)。这是最常用的Python版本。

Jython(原名JPython;Java语言实现的Python，现已正式发布)。Jython可以直接调用Java的各种函数库。

PyPy(使用Python语言写的Python)

IronPython(面向.NET和ECMA CLI的Python实现)。IronPython能够直接调用.net平台的各种函数库。可以将Python程序编译成.net程序。

ZhPy(周蟒)(支持使用繁/简中文语句编写程序的Python语言)

十三、著名应用

• Pylons-Web应用框架
• Zope- 应用服务器
• Plone- 内容管理系统
• Django- 鼓励快速开发的Web应用框架
• Uliweb- 国人开发的轻量级Web框架
• TurboGears- 另一个Web应用快速开发框架
• Twisted--Python的网络应用程序框架
• Python Wikipedia Robot Framework- MediaWiki的机器人程序
• MoinMoinWiki- Python写成的Wiki程序
• flask- Python 微Web框架
• tornado- 非阻塞式服务器
• Webpy- Python 微Web框架
• Bottle- Python 微Web框架
• EVE- 网络游戏EVE大量使用Python进行开发
• Reddit - 社交分享网站
• Dropbox - 文件分享服务
• TurboGears - 另一个Web应用快速开发框架
• Fabric - 用于管理成百上千台Linux主机的程序库
• Trac - 使用Python编写的BUG管理系统
• Mailman - 使用Python编写的邮件列表软件
• Mezzanine - 基于Django编写的内容管理系统
• Blender - 以C与Python开发的开源3D绘图软件

 

 

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