【笔记】《python语言程序设计》——程序设计方法学

一、前言

学习就是一个不断的自下而上，自上而下的过程。

前段时间，学着用python实现网站的数据爬取，隐约get到python的一些语法和用法，感觉就是语法不难，关键在于解决问题的思维。

这是需求驱动后的学习。接下来，就需要对python进行系统地了解。

很早之前搜知乎的时候，就搜到MOOC上的一门《python语言程序设计》课程，讲得很好，而且，我还下载了课件，溜了一遍，感觉就挺有趣的。

趁着有了实战经验，就把这门入门课刷了一遍。果然是门好课！很适合小白入门，并系统学习，整个教学过程循序渐进，深入浅出，提纲挈领，很有意思！

课程是北京理工大学嵩天老师的《python语言程序设计》课程，现在已经开了11次课了。课程每个小视频短则几分钟，最长也不超过20分钟，不容易劝退。每章讲解有复习回顾及小结，在[平台python123]上有每章的练习和测试，直接反馈结果，激发继续学下去的兴趣。

个人感觉，老师说话速度慢了些，调成了2倍速播放，然后，花了大约3天的时间，把所有的视频，课件，练习和测试都刷了一遍，感觉对python的了解更系统了！

趁热打铁，把每章的知识点和练习、测试再进行整理回顾一下。

以下内容均来自课程：[《python语言程序设计》]及[平台python123]，感兴趣的看课程视频，亲自练习，效果更好~

二、知识点

1.实例13：体育竞技分析

比赛规则：
双人击球比赛：A&B，回合制，5局3胜
开始时一方先发球，直至判分，接下来胜者发球
球员只能在发球局得分，15分胜一局

自顶向下.png

import random

def printIntro():
    print('这个程序模拟两个选手A和B的某种竞技比赛')
    print('程序运行需要A和B的能力值（以0到1之间的小数表示）')

def getInputs():
    a=eval(input('请输入选手A的能力值（0-1）：'))
    b=eval(input('请输入选手B的能力值（0-1）：'))
    n=eval(input('模拟比赛的场次：'))
    return a,b,n

def printSummary(winsA,winsB):
    n=winsA+winsB
    print('竞技分析开始，共模拟{}场比赛'.format(n))
    print('选手A获胜{}比赛，占比{:0.1%}'.format(winsA,winsA/n))
    print('选手B获胜{}比赛，占比{:0.1%}'.format(winsB,winsB/n))

def simNGames(n,probA,probB):
    winsA,winsB=0,0
    for i in range(n):
        scoreA,scoreB=simOneGame(probA,probB)
        if scoreA>scoreB:
            winsA+=1
        else:
            winsB+=1
    return winsA,winsB

def simOneGame(probA,probB):
    scoreA,scoreB=0,0
    serving='A'
    while not gameOver(scoreA,scoreB):
        if serving=='A':
            if random.random()

结果：

这个程序模拟两个选手A和B的某种竞技比赛
程序运行需要A和B的能力值（以0到1之间的小数表示）
请输入选手A的能力值（0-1）：0.45
请输入选手B的能力值（0-1）：0.50
模拟比赛的场次：1000
竞技分析开始，共模拟1000场比赛
选手A获胜360比赛，占比36.0%
选手B获胜640比赛，占比64.0%

2.Python程序设计思维

1. 计算思维与程序设计

   ①第3种人类思维特征：逻辑思维（推理和演绎，数学为代表）->实证思维（实验和验证，物理为代表）->计算思维（设计和构造，计算机为代表）

   ②基于计算机的思维方式：抽象和自动化；

2. 计算生态与Python语言

   ①计算生态：以开源项目为组织形式，充分利用“共识原则”和“社会利他”组织人员，在竞争发展，相互依存和迅速更迭中完成信息技术的更新换代，形成了技术的自我演化路径。

   ②Python语言提供15万+个第三方库；同一个功能，Python语言提供2个以上第三方库；Python库之间广泛练习，逐级封装；AlphaGo深度学习算法采用Python语言开源；

   ③优质的计算生态：python123.io

3. 用户体验与软件产品

   ①实现功能 -> 关注体验：编程只是手段，不是目的，程序最终为人类服务；

   ②提高用户体验的方法：（1）进度展示；（2）异常处理；（3）其他类方法：打印输出、日志文件、帮助信息；

   ③软件程序 -> 软件产品：用户体验是程序到产品的关键环节；

4. 基本的程序设计模式

   ①从IPO开始；

   ②自顶向下设计；

   ③模块化设计；

   ④配置化设计：程序引擎+配置文件；

   ⑤从应用需求到软件产品：（1）产品定义；（2）系统架构；（3）设计与实现；（4）用户体验；

3. Python第三方库安装

1. 看见更大的python世界：13万+个第三方库(pypi.org)

2. 第三方库的pip安装方法（主要方式）：适用win、mac和linus等操作系统；适合99%以上情况，需要联网安装；

   windows下，win键+R ——输入cmd，键入如下命令：

   常用的pip命令：

   安装指定的第三方库
   pip install <第三方库名>
   
   使用-U标签更新已安装的指定第三方库
   pip install -U <第三方库名>
   
   卸载指定的第三方库
   pip uninstall <第三方库名>
   
   下载但不安装指定的第三方库
   pip download <第三方库名>
   
   列出某个指定第三方库的详细信息
   pip show <第三方库名>
   
   根据关键词在名称和介绍中搜索第三方库
   pip search <关键词>
   
   列出当前系统已经安装的第三方库
   pip list
   
   

3. 第三方库的集成安装方法：结合特定Python开发工具的批量安装

   • Anaconda(continuum.io)：支持近800个第三方库；包含多个主流工具；适合数据计算领域开发；

4. 第三方库的文件安装方法：

   ①为什么有些第三方库用pip可以下载，但无法安装？

   • 某些第三方库pip下载后，需要编译再安装；
   • 如果操作系统没有编译环境，则能下载但不能安装；
   • 可以直接下载编译后的版本用于安装

   ②UCI页面(lfd.uci.edu/~gohlke/pythonlibs/)

   • 实例：安装wordcloud库
   • step1：在UCI页面搜索wordcloud
   • step2：下载对应版本的文件
   • step3：使用pip install <文件名>安装

4. 模块7：os库的基本使用

1. OS库基本介绍：

   • 提供通用的、基本的操作系统交互功能；
   • Python标准库，包含几百个函数；
   • 常用：路径操作、进程管理、环境参数等几类；

2. OS库之路径操作：os.path子库，处理文件路径及信息

   • os.path子库以path为入口，用于操作和处理文件路径

     import os.path或import os.path as op

     函数	描述
     os.path.abspath(path)	返回path在当前系统中的绝对路径
     os.path.normpath(path)	归一化path的表示形式，统一用\\分隔路径
     os.path.relpath(path)	返回当前程序与文件之间的相对路径
     os.path.dirname(path)	返回path中的目录名称
     os.path.basename(path)	返回path中最后的文件名称
     os.path.join(path,*paths)	组合path和paths，返回一个路径字符串
     os.path.exists(path)	判断path对应文件或目录是否存在，返回True或False
     os.path.isfile(path)	判断path所对应是否为已存在的文件，返回True或False
     os.path.isdir(path)	判断path所对应是否为已存在的目录，返回True或False
     os.path.getatime(path)	返回path对应文件或目录上次访问时间
     os.path.getmtime(path)	返回path对应文件或目录最近一次的修改时间
     os.path.getctime(path)	返回path对应文件或目录的创建时间
     os.path.getsize(path)	返回path对应文件的大小，以字节为单位

3. OS库之进程管理：启动系统中其他程序

   • os.system(command)

   • #打开计算器
     import os
     os.system('C:\\Windows\\System32\\calc.exe')
     

4. OS库之环境参数：获得系统软硬件信息等环境参数

   函数	描述
   os.chdir(path)	修改当前程序操作的路径
   os.getcwd()	返回程序的当前路径
   os.getlogin()	获得当前系统登录用户名称
   os.cpu_count()	获得当前系统的CPU数量
   os.urandom(n)	获得n个字节长度的随机字符串，通常用于加解密运算

5.实例14：第三方库自动安装脚本

import os
libs={'numpy','matplotlib','pillow','sklearn',
'requests','jieba','beautifulsoup4','wheel','networkx',
'sympy','pyinstaller','django','flask','werobot','pyqt5',
'pandas','pyopengl','pypdf2','docopt','pygame'}
try:
    for lib in libs:
        os.system('pip install '+lib)
    print('Successful')
except:
    print('Failed Somehow')

三、测试

1.选择题

1. 关于计算思维，以下选项描述正确的是：

   A 计算思维从古至今一直存在

   B 计算思维是基于计算机的思维模式

   C 计算思维关于设计和构造，可以脱离计算机而存在

   D 计算思维是逻辑思维的演进

计算思维是基于计算机的思维模式，计算机出现之前，由于没有快速计算装置，计算所反映的思维模式主要是数学思维，即通过公式来求解问题。当快速计算装置出现后，计算思维才真正形成。

2. 关于Python第三方库安装方法，以下选项描述错误的是：

   A 使用pip命令

   B 联系第三方库作者索要安装文件

   C 访问UCI网站下载安装文件

   D 使用集成安装工具

请不要联系作者索要第三方库，这不是获取第三方库的合理模式。

3. 自顶向下设计主要由下列哪个语法元素实现？

   A 循环结构

   B 对象

   C 过程

   D 函数

函数是自顶向下设计的关键元素，通过定义函数及其参数逐层开展程序设计。

4. 关于软件产品和程序的区别，以下描述正确的是：

   A 软件产品=程序功能+速度优化

   B 软件程序就是软件产品

   C 软件产品=程序功能+用户体验

   D 从程序功能到软件产品的产品化代价很小

产品不仅需要功能，更需要更好的用户体验。往往，产品都需要综合考虑技术功能和人文设计，这源于产品的商业特性。即，商业竞争要求产品不能只关心技术功能，更要关心用户易用和喜好需求。

5. 以下选项对计算思维本质描述正确的是：

   A 抽象和执行

   B 抽象和自动化

   C 计算和思维

   D 描述和执行

计算思维的本质是：抽象和自动化。

抽象一个运算过程，以能够按步骤描述为目标；并利用计算机运算的高速特性自动化执行。

6. 关于用户体验，以下选项描述正确的是：

   A 用户体验不重要，只要有程序功能即可

   B 好产品不一定有好的用户体验，关键在于功能创意

   C 用户体验是客观的，完全可以靠技术来实现

   D 编程只是手段，程序最终为人类服务，用户体验很重要

一个提醒进度的进度条、一个永不抛出异常的程序、一个快速的响应、一个漂亮的图标、一个合适尺寸的界面等都是用户体验的组成部分。总的来说，用户体验是一切能够提升程序用户感受的组成。

7. 关于os.path子库，以下选项中用来计算相对路径的函数是：

   A os.path.basename(path)

   B os.path.normpath(path)

   C os.path.abspath(path)

   D os.path.relpath(path)

顾名思义：os.path.relpath(path) 是 relative path处理函数。

8. 关于os库，以下选项中可以启动进程执行程序的函数是：

   A os.system()
   B os.run()
   C os.start()
   D os.process()

除了os.system()，选项其他函数都不存在。

9. 以下选项关于计算生态描述错误的是：

   A 计算生态主要以开源项目为组织形式

   B 计算生态存在竞争发展、相互依存和迅速更迭的特点

   C 高质量计算生态需要顶层设计的参与才能保障

   D 计算生态类似自然生态，不受单一组织或人物的控制，形成了技术演化路径

计算生态以竞争发展、相互依存和迅速更迭为特点，在开源项目间不存在顶层设计，以类自然界"适者生存"的方式形成技术演进路径。

10. 关于Python的os库，以下选项描述正确的是：

    A os库提供了路径操作、进程管理等若干类功能

    B os库是一个第三方库，需要安装后使用

    C os库提供了几十个函数，功能比较有限

    D os库仅适用于Windows平台

os库是Python重要的标准库之一，提供了几百个函数功能，覆盖与操作系统、文件操作等相关的众多功能。os库适合所有操作系统。

2.程序设计题

1. 英文字符的鲁棒输入

描述：获得用户的任何可能输入，将其中的英文字符进行打印输出，程序不出现错误。

alpha = []
for i in range(26):
    alpha.append(chr(ord('a') + i))
    alpha.append(chr(ord('A') + i))
s = input()
for c in s:
    if c in alpha:
        print(c, end="")

注意：这里采用遍历字符的方式实现，通过约束字母表达到鲁棒效果。

2. 数字的鲁棒输入

描述：获得用户输入的一个数字，可能是浮点数或复数，如果是整数仅接收十进制形式，且只能是数字。对输入数字进行平方运算，输出结果。

要求：

（1）无论用户输入何种内容，程序无错误；

（2）如果输入有误，请输出"输入有误"。

s = input()
try:
    if complex(s) == complex(eval(s)):
        print(eval(s)**2)
except:
    print("输入有误")

complex()和complex(eval())之间的比较将能够排除非数字类型的输入。

注意：不能直接使用eval()，否则，用户可以通过输入表达式（如100**2）输入数字，与要求不同（在实际应用中带来安全隐患）。

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