Python基础篇（一）-- 十分钟学会基础语法

1 Python简介

1.1 精通一门编程语言的必要性

        随着信息技术的发展，计算机技术应用越来越广泛，目前主流领域如下：

• 科学计算：是现代计算机应用的一个重要领域；
• 数据处理：用计算机来加工、管理与操作任何形式的数据资料，主要包括数据的采集、转换、分组、组织、计算、排序、存储、检索等；
• 人工智能：用计算机来模仿人的智能，使计算机具有识别语言、文字、图形和进行推理、学习以及适应环境的能力；
• 网络应用：在信息共享、文件传输、电子商务等领域迅速发展。
• 辅助技术：用计算机辅助进行工程设计、产品制造、性能测试，可以使设计工作半自动化或自动化；
• 过程控制：用计算机作为控制部件对单台设备或整个生产过程进行控制；

1.2 Python是什么

        Python 是一个高层次的结合了解释性、编译性、互动性和面向对象的脚本语言。 Python 的设计具有很强的可读性，相比其他语言经常使用英文关键字和一些标点符号，它具有比其他语言更有特色的语法结构。

• Python 是一种 解释型语言：开发过程中没有了编译这个环节，类似于PHP和Perl语言；

• Python 是 交互式语言：可以在一个 Python 提示符 >>> 后直接执行代码；

• Python 是 面向对象语言：Python支持面向对象的风格或代码封装在对象的编程技术；

• Python 是 初学者的语言：Python 对初级程序员而言，是一种伟大的语言，它支持广泛的应用程序开发，从简单的文字处理到浏览器再到游戏。

编译型语言：通过专门的编译器，将所有源代码一次性转换成特定平台（Windows、Linux 等）执行的机器码（以可执行文件的形式存在）。
解释型语言：由专门的解释器，根据需要将部分源代码临时转换成特定平台的机器码。
想要了解更多，请参考：编译型语言和解释型语言的区别

1.3 Python语言特点

1、面向对象

        Python语言具有很强的面向对象特性，简化了面向对象的实现，它消除了保护类型、抽象类、接口等面向对象的元素，使得面向对象的概念更容易理解。

2、内置的数据结构

        Python提供了一些内置的数据结构，这些数据结构实现了类似Java中集合类的功能。内置数据结构的出现简化了程序设计。Python的数据结构包括元组、列表、字典、集合等。 元组相当于“只读”的数组，列表可以作为可变长度的数组使用，字典相当于Java中的HashTable类型。

3、简洁

        Python语言的关键字比较少，它没有分号、begin、 end等标记，代码块使用空格或Tab键缩进的方式来分隔。此外，Python代码简洁、短小、易于阅读。 Python简化了循环语句，即使程序结构很复杂也能快速读懂。

4、健壮

        Python提供了异常处理机制，能捕获程序的异常情况。 此外Python的堆栈跟踪对象能够指出程序出错的位置和出错的原因。异常机制能够避免不安全退出的情况，同时能够帮助程序员调试程序。

5、跨平台

        Python会先被编译为与平台相关的二进制代码，然后再解释执行。这种方式类似于Java，但Python的执行速度提高了。Python编写的应用程序可以运行在Windows、Unix、Linux等不同的操作系统上。 在一种操作系统上编写的Python代码只需做少量修改，就可移植到其他的操作系统上。

6、可扩展

        Python是采用C开发的语言，因此可以使用C扩展Python，可以给Python添加新的模块、新的类。同时Python可以嵌入C、C++语言开发项目中，使程序具备脚本语言的特性。因此，Python 又常被称为“胶水”语言。

7、动态性

        Python 与JavaScript、PHP、Perl等语言类似，它不需要另外声明变量、直接赋值即可创建一个新的变量。

8、强类型语言

        Python的变量创建后会对应一种类型，它可根据赋值表达式的内容决定变量的类型。Python在内部建立了管理这些变量的机制，不同类型的变量需要类型转换。

9、应用广泛

        Python语言应用于数据库、网络、图形图像、数学计算、Web开发、操作系统扩展等领域。 有许多第三方库支持Python，例如：PIL（图像处理库）、Tkinter（创建图形用户界面）、Django（交互式网站）、Pygame（2D动画）、SCIPy（科学计算）、Twisted（网络编程）等。

        Python的以上特性使得软件的代码大幅度减少，开发任务进一步简化，我们编程的关注点不再是语言特性，而是程序所要实现的任务。

1.4 Python的应用领域

        Python 通常应用于编写下述应用程序：

• 脚本——这些简短的程序自动执行常见的管理任务，如在系统中新增用户、将文件上传到网站、在不使用浏览器的情况下下载网页等。
• 网站开发——作为快速创建动态网站的工具，Django、Bottle和Tope等Python项目深受开发人员欢迎。
• 文本处理——Python在字符串和文本文件处理方面提供了强大的支持。
• 图像处理——如PIL库(目前已不再维护，取而代之的有Pillow)科学计算。网上有许多卓越的Python科学计算库，提供了用以统计、数学计算和绘图的函数。如：NumPy 。
• 教育——鉴于Python简洁实用，越来越多的学习将其作为第一门编程教学语言。

        Python的主要运用领域有：

• 云计算：云计算最热的语言，典型的应用OpenStack；
• WEB应用开发：许多优秀的WEB框架，许多大型网站是Python开发、YouTube、Dropbox、Douban……典型的Web框架包括：Django、flask、TurboGears、web2py 等等；
• 科学计算和人工智能：Python 在人工智能领域内的机器学习、神经网络、深度学习等方面，都是主流的编程语言， 此外，Python擅长进行科学计算和数据分析，支持各种数学运算，可以绘制出更高质量的 2D 和 3D 图像；
• 自动化运维：系统操作和维护，通常情况下，Python 编写的系统管理脚本，无论是可读性，还是性能、代码重用度以及扩展性方面，都优于普通的 shell 脚本；
• 金融：定量交易、金融分析，在金融工程领域，Python使用越来越广泛；
• 图形 GUI：PyQT，WXPython，TkInter；
• Python在网络爬虫、游戏开发、机器人控制编程等领域也有广泛应用。

1.5 Python编程环境搭建

1. Window 平台安装 Python：打开浏览器访问：https://www.python.org/downloads/windows/ ，点击下载 executable installer，x86 表示是 32 位的安装程序，x86-64 表示 64 位的。详细安装过程，请参考：http://c.biancheng.net/view/4161.html

2. Unix & Linux 平台安装 Python3：打开浏览器访问：https://www.python.org/downloads/source/，选择适用于 Unix/Linux 的源码压缩包，然后解压缩并安装。详细安装过程，请参考：http://c.biancheng.net/view/4162.html

3. MAC平台安装Python3：打开浏览器访问：https://www.python.org/downloads/mac-osx/，下载最新版安装即可。

        安装完成之后，需要配置环境变量，详细过程可以参考：Python3 环境搭建

        此外，还推荐下载其他IDE进行Python编程，IDE 是 Intergreated Development Environment 的缩写，中文称为集成开发环境，用来表示辅助程序员开发的应用软件。换言之，集成开发环境就是一系列开发工具的组合套装。 一般情况下，程序员可选择的 IDE 类别是很多的，比如说，用 Python 语言进行程序开发，既可以选用 Python 自带的 IDLE，也可以选择使用 PyCharm 和 Notepad++ 作为 IDE。

• PyCharm下载和安装教程（包含Python解释器）：http://c.biancheng.net/view/5804.html
• Python Eclipse+PyDec下载和安装教程：http://c.biancheng.net/view/5810.html
• Python VS Code下载和安装教程：http://c.biancheng.net/view/5813.html

1.6 Python学习

        下面推荐几篇内容不错的关于Python学习路线和不同方向的进阶教程，有时间可以对照一下，看看自己还有多长的路要走。

1. Python学习路线（2021修正版）
2. 致Python初学者
3. python系列文章(基础，应用，后端，运维，自动化测试，爬虫，数据分析，可视化，机器学习，深度学习系列内容)
4. 全网最全Python学习路线图+14张思维导图

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2 基础语法

2.1 标识符

        标识符主要作用就是作为变量、函数、类、模块以及其他对象的名称，Python 中标识符的命名不是随意的，而是要遵守一定的命令规则， 如下：

1. 标识符对大小写敏感，且第一个字符必须是字母表中字母或下划线 _ 。
2. 标识符的其他的部分由字母、数字和下划线组成。
3. 标识符不能和 Python 中的保留字相同。
4. 标识符中不能包含空格、@、% 以及 $ 等特殊字符。

在Python中，以下划线开头的标识符有特殊含义，如下

• 以单下划线开头的标识符（如 _width），表示不能直接访问的类属性，其无法通过 from…import* 的方式导入；
• 以双下划线开头的标识符（如__add）表示类的私有成员；
• 以双下划线作为开头和结尾的标识符（如 init），是专用标识符。
  综上，除非特定场景需要，应避免使用以下划线开头的标识符。

        在 Python 3 中，可以用中文作为变量名，非 ASCII 标识符也是允许的了，但我们应尽量避免使用汉字作为标识符，容易遇到奇葩的错误。

不同场景中的标识符，其名称也有一定的规范可循，具体如下：

• 当标识符用作模块名时，应尽量短小，并且全部使用小写字母，可以使用下划线分割多个字母，例如 game_mian、game_register 等。
• 当标识符用作包的名称时，应尽量短小，也全部使用小写字母，不推荐使用下划线，例如 com.mr、com.mr.book 等。
• 当标识符用作类名时，应采用单词首字母大写的形式。例如，定义一个图书类，可以命名为 Book。
• 模块内部的类名，可以采用 “下划线+首字母大写” 的形式，如 _Book；
• 函数名、类中的属性名和方法名，应全部使用小写字母，多个单词之间可以用下划线分割；
• 常量命名应全部使用大写字母，单词之间可以用下划线分割；

2.2 关键字

        关键字即保留字，我们不能把它们用作任何标识符名称。Python 的标准库提供了一个 keyword 模块，可以输出当前版本的所有关键字：

>>> import keyword
>>> keyword.kwlist
['False', 'None', 'True', 'and', 'as', 'assert', 'break', 'class', 'continue', 'def', 'del', 
'elif', 'else', 'except', 'finally', 'for', 'from', 'global', 'if', 'import', 'in', 'is', 
'lambda', 'nonlocal', 'not', 'or', 'pass', 'raise', 'return', 'try', 'while', 'with', 'yield']

2.3 字符编码

        默认情况下，Python3源码文件以“可变长编码”的UTF-8编码，所有字符串都是unicode字符串。 UTF-8编码把一个Unicode字符根据不同的数字大小编码成1-6个字节，常用的英文字母被编码成1个字节，汉字通常是3个字节，只有很生僻的字符才会被编码成4-6个字节。了解更多，可以参考：ASCII、GB2312、Unicode、UTF-8编码
        在Linux下为源码文件指定编码方式：

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

2.4 代码规范

1、注释

        注释（Comments）用来向用户提示或解释某些代码的作用和功能，它可以出现在代码中的任何位置。Python 解释器在执行代码时会忽略注释，不做任何处理，就好像它不存在一样。Python中单行注释以 # 开头，多行注释可以用多个#，也可以使用'''' 或 """，示例如下：

#!/usr/bin/python3

# 第一个注释
print("Hello World!")	 # 第二个注释

'''
第三个注释
第四个注释
'''

"""
第五注释
第六注释
"""

        注意： Python 多行注释不支持嵌套。

2、行与缩进

        Python最具特色的就是使用缩进来表示代码块，不需要使用大括号{ }。缩进的空格数是可变的，但是同一个代码块的语句必须包含相同的缩进空格数，通常情况下是采用 4 个空格长度作为一个缩进量（默认情况下，一个 Tab 键就表示 4 个空格）。 示例如下：

if True：
	print("True")
else:
	print("False")

像if、while、def和class这样的复合语句，首行以关键字开始，以冒号( : )结束，该行之后的一行或多行代码构成代码组。将首行及后面的代码组称为一个子句(clause)。

3、多行语句

        Python通常是一行写完一条语句，但如果语句很长，我们可以使用右反斜杠（\） 来实现多行语句，如下：

total = item_one + \
		item_two + \
		item_three

        在[]，{}，或（）中的多行语句，不需要使用反斜杠（\），例如：

total = ['item_one', 'item_two', 'item_three',
					'item_four', 'item_five']

        Python可以在同一行中使用多条语句，语句之间使用分号(;)分割，如下：

import math; print(math.pow(2, 4))

4、空行

        函数之间或类的方法之间用空行分隔，表示一段新的代码的开始。类和函数入口之间也用一行空行分隔，以突出函数入口的开始。

        空行与代码缩进不同，空行并不是Python语法的一部分。书写时不插入空行，Python解释器运行也不会出错。但是空行的作用在于分隔两段不同功能或含义的代码，便于日后代码的维护或重构。

Python 采用 PEP 8 作为编码规范，其中 PEP 是 Python Enhancement Proposal（Python 增强建议书）的缩写，8 代表的是 Python 代码的样式指南。下面列出PEP 8 中初学者应严格遵守的一些编码规则：

1. 每个 import 语句只导入一个模块，尽量避免一次导入多个模块。
2. 不要在行尾添加分号，也不要用分号将两条命令放在同一行。
3. 建议每行不超过 80 个字符，如果超过，建议使用小括号将多行内容隐式的连接起来，而不推荐使用反斜杠 \ 进行连接。
4. 使用必要的空行可以增加代码的可读性，通常在顶级定义（如函数或类的定义）之间空两行，而方法定义之间空一行，另外在用于分隔某些功能的位置也可以空一行。
5. 通常情况下，在运算符两侧、函数参数之间以及逗号两侧，都建议使用空格进行分隔。

2.5 导入模块

        模块就是Python程序，在Python中导入模块后，我们就可以使用该模块里定义的类、方法或者变量，这样既可以提高代码的可重用性，又可以避免变量冲突，我们通常用 import 或者 from...import 来导入相应的模块。 像def一样，import 和 from 是可执行的语句，他们可以出现在 if 中，可以出现在函数中，执行到这些语句的时候才会进行解析，换句话说，被导入的模块和变量名只有在对应的 import 或 from 语句执行后才可以使用。

模块，可以理解为是对代码更高级的封装，即把能够实现某一特定功能的代码编写在同一个 .py 文件中，并将其作为一个独立的模块，这样既可以方便其它程序或脚本导入并使用，同时还能有效避免函数名和变量名发生冲突。

1、import语句

        既可以一行导入单个模块，也可以一行内导入多个模块，这里以常用的 math 和 random 模块为例，具体如下：

import math				# 导入math整个模块
print(math.pi)			# 使用math模块名作为前缀来访问模块中的成员

        一次导入多个模块，多个模块之间用逗号隔开。

import math,random			# 导入math、random两个模块
print(math.pi)				# 输出π的近似值，十五位小数
print(random.random())		# 生成一个[0, 1.0)的随机小数

Python 不建议一行 import 所有模块，而是推荐用多行 import 来导入模块。更多的是出于操作便利性的原因，与代码本身无关，这样更易于阅读；更易于编辑；更易于维护。

import工作方式：Python会在两个地方寻找这个模块，第一个地方是在sys.path（可以运行代码import sys print(sys.path)查看），一般安装的Python库的目录都可以在sys.path中找到（要将Python的安装目录添加到电脑的环境变量），对于安装好的库，我们直接import即可。第二个地方就是运行文件所在的目录。如果在一个模块的顶层导入，那么它的作用域就是全局的；如果在函数中导入，那么它的作用域是局部的。 如果模块是被第一次导入，它将被加载并执行。

2、import-as

        导入整个模块时，也可以为模块指定别名。

import math as m		# 导入math整个模块，并制定别名为m
print(m.pi)				# 使用m模块别名作为前缀来访问模块中的成员

        在导入多个模块时，也可以为模块指定别名

import math as m, random as ran		# 导入math、random两个模块，并为math指定别名m，为random指定别名ran
print(m.pi)
print(ran.random())

3、from-import

        下面使用 from...import 导入指定成员，即把指定成员导入到当前作用域，

from math import pi		# 导入math模块的pi成员
print(pi)				# 使用导入成员的语法，直接使用成员名访问

        导入模块成员时，也可以为成员指定别名。

from math import pi as P	# 导入math模块的pi成员，并指定别名P
print(P)					# 使用导入成员（并指定别名）的语法，直接使用成员的别名访问

        form...import 导入模块成员时，支持一次导入多个成员，如下：

from math import pi, sqrt		# 导入math模块的pi，sqrt成员
print(pi)						# 使用导入成员的语法，直接使用成员名访问
print(sqrt(4))

        一次导入多个模块成员时，也可指定别名，同样使用 as 关键字为成员指定别名，

from math import pi as P, sqrt as sq		# 导入math模块的pi，sqrt成员，并为其指定别名P，sq
print(P)							# 使用导入成员（并指定别名）的语法，直接使用成员的别名访问
paint(sq(4)

        在使用 from...import 语法时，可以一次导入指定模块内的所有成员（存在不同模块，相同成员名的情况，从而发生冲突，此方式不推荐），如下：

from sys import *		# 导入math棋块内的所有成员
print(pi)				# 使用导入成员的语法，直接使用成员名访问
print(sqrt(4))

只在两种场合下建议使用这样的方法，一个场合是：目标模块中的属性非常多，反复键入模块名很不方便，例如 Tkinter (Python/Tk) 和 NumPy (Numeric Python) 模块，可能还有 socket 模块。另一个场合是在交互解释器下，这样可以减少输入次数。

2.6 输入输出

        input()是 Python 的内置函数，用于从控制台读取用户输入的内容。input()函数总是以字符串的形式来处理用户输入的内容，所以用户输入的内容可以包含任何字符。

s = input("请输入：")							# 数据以字符串的形式返回
number1 = eval(input("请输入数字：")	# eval()去掉" "，将字符串转化为有效的表达式，来求值，并返回计算结果，和str()功能刚好相反
number2 = val(input("请输入："))		
'''val() 函数当识别到非数字，停止读入字符串,字符串中的空格和换行符会被去掉。即如果字符串内有字母或其他非数字字符，
val()函数只转换第一个非数字字符之前的数字。当字符串的首字符为非数字时，返回值为0。该函数也可以识别进制符号'''

        print() 默认输出是换行的，如果要实现不换行，需要在变量末尾加上 end=" "，输出多个变量时，print() 函数默认以空格隔开多个变量，想要使用不同的分隔符，可以使用缺省参数seq=':'，可以通过help("print")了解更多。

print("****************")
print('{}网站："{}"'.format('百度', 'www.baidu.com')	
# str.format()实现字符串格式化，大括号及其里面的字符 (称作格式化字段) 将会被 format() 中的参数替换
print('{0} 和 {1}'.format('GitHub', 'CSDN'))	# 括号中的数字用于指向传入对象在format()中的位置
print("你是:%s, %d岁" % ("CSDN", 22)				# % 操作符也可以实现字符串格式化
# 推荐使用str.format()，{}里可以添加可选项：和格式标识符，这样可以对值进行更好的格式化

%或者{}都可以看做转换说明符，转换说明符（Conversion Specifier）只是一个占位符，它会被后面表达式（变量、常量、数字、字符串、加减乘除等各种形式）的值代替。

1、%使用

表1 Python转换说明符

转换说明符	解释
%d、%i	转换为带符号的十进制整数
%o	转换为带符号的八进制整数
%x、%X	转换为带符号的十六进制整数
%e、%E	转化为科学计数法表示的浮点数（输出e的大小写不一样）
%f、%F	转化为十进制浮点数
%g、%G	智能选择使用 %f 或 %e 格式
%c	格式化字符及其 ASCII 码
%r	使用 repr() 函数将表达式转换为字符串
%s	使用 str() 函数将表达式转换为字符串

（1）整数的输出

>>> print('%o' % 24)		# 转换为八进制输出
30
>>> print('%d' % 24）
24

（2）浮点数的输出

• %f ——默认保留小数点后面六位，例：%.3f，保留3位小数位
• %e ——保留小数点后面六位有效数字，指数形式输出，例：%.3e，保留3位小数位，使用科学计数法
• %g ——在保证六位有效数字的前提下，使用小数方式，否则使用科学计数法，例：%.3g，保留3位有效数字，使用小数或科学计数法

>>> print('%.2f' % 6.6666)		# 取3位小数
6.666
>>> print('%.3e' % 1.11)		# 取3位小数，用科学计数法
1.110e+00

（3）字符串输出

• %10s——右对齐，占位符10位
• %-10s——左对齐，占位符10位
• %.2s——截取2位字符串
• %10.2s——10位占位符，截取两位字符串

print('%10s' % 'hello')		# 右对齐，取10位，不够则补位
print('%-10.2s' % 'hello')  # 左对齐，取10位，并截取两位字符串，并用空格补位

2、format使用

（1）位置匹配

• 不带编号，即“{}”
• 带数字编号，可调换顺序，即“{1}”、“{2}”
• 带关键字，即“{key1}”、“{key2}”

>>> print('{0} {1} {0}'.format('hello', 'world'))						# 带数字编号，并打乱顺序
hello world hello
>>> print('{key1} {key2} {key1}'.format(key1='world', key2='hello'))	# 带关键字
world hello world

（2）格式转换

>>> print('{:b}'.format(2))			# 转换为二进制输出
10
>>> print('{:%}'.format(0.2))		# 将数值乘以100，然后以小数点保留六位格式打印，值后面会有一个百分号
20.000000%

（3）进阶用法

• 指定小数精度和输出宽度

from math import pi
print('{0:8.4f}'.format(pi))		# 位置为0，最小宽度为8，小数点后4位；:m.nf表示宽度为m，小数位为n，m和n都可以不指定
print('{:10s}'.format('Hello'))		# 输出字符串的宽度至少为10

• 指定对齐方式
  <——左对齐，>——右对齐，^——居中

print('{:^10s} and {:>10s}'.format('Github', 'CSDN'))		# 取10位居中，取10位右对齐
print('{:*^10}'.format('CSDN'))								# 使用*填充

        Python格式化输出，了解更多，请参考：%用法和format用法

2.7 内建函数

        Python 解释器自带的函数叫做内置函数，这些函数可以直接使用，不需要导入某个模块。

内置函数与标准库函数的对比：内置函数是解释器的一部分，它随着解释器的启动而生效；标准库函数是解释器的外部扩展，导入模块以后才能生效。一般来说，内置函数的执行效率要高于标准库函数。

        上一小节的 print() 函数就是内置函数，Python 解释器还提供了更多内置函数，以下按字母表顺序列出：

表2 Python3 内置函数

abs()	delattr()	hash()	memoryview()	set()
all()	dict()	help()	min()	setattr()
any()	dir()	hex()	next()	slice()
ascii()	divmod()	id()	object()	sorted()
bin()	enumerate()	input()	oct()	staticmethod()
bool()	eval()	int()	open()	str()
breakpoint()	exec()	isinstance()	ord()	sum()
bytearray()	filter()	issubclass()	pow()	super()
bytes()	float()	iter()	print()	tuple()
callable()	format()	len()	property()	type()
chr()	frozenset()	list()	range()	vars()
classmethod()	getattr()	locals()	repr()	zip()
compile()	globals()	map()	reversed()	__import__()
complex()	hasattr()	max()	round()

        各个内置函数的具体功能和用法，可以查看：https://docs.python.org/zh-cn/3/library/functions.html