编程知识 | python基础语法

本笔记主要参考北理工嵩天老师的python基础课视频。我将其整理为三大部分，本文为第一部分内容：
（1）python基础语法
（2）python计算生态
（3）相关应用实例

1.python基础语法

1.1程序设计的基本方法

源代码：采用某种编程语言编写的计算机程序，人类可读。
目标代码：计算机可以直接执行，人类不可读。

编译compilation：将源代码一次性转换成目标代码的过程。
静态语言：使用编译执行的语言。C/C++，Java等。

解释interpretation：将源代码逐条转换成目标代码同时逐条运行的过程。
脚本语言：使用解释执行的编程语言。python，JavaScript，PHP等。

Python的两种编程方式：
交互式：对每个输入语句及时运行结果。
文件式：批量执行一组语句并运行结果，编程的主要方式。

1.1.1Python程序语法元素分析

缩进：程序内一致即可，一般用4个空格或1个Tab。
变量：程序中用于保存和表示数据的占位符号。命名规则：大小写字母、数字、下划线和汉字及组合。命名大小写敏感，首字符不能是数字，保留字不能用（33个保留字）。
保留字（关键字）：被编程语言内部定义并保留使用的标识符。大小写敏感。

1.1.2深入理解python语言

计算机技术的演进过程：
1946-1981：计算机系统结构时代，计算能力问题
1981-2008：网络和视窗时代，人与计算机交互能力
2008-2016：复杂系统时代，数据问题
2017- ：人工智能时代，人类的问题
不同编程语言对比:
HTML/CSS/JS：不可替代的前端技术，全栈能力。
其他语言：R/Go/Matlab等，特定领域。

编程语言种类的发展：

Python语言是唯一的超级语言。

1.1.3python程序设计思维

从IPO开始：
确定IPO：（input、process、output）明确计算部分及功能边界。
编写程序：将计算求解的设计变成现实。
调试程序：确保程序按照正常逻辑能够正确运行。

模块化设计：
通过函数或对象封装将程序划分为模块及模块间的表达。
具体包括：主程序、子程序和子程序间的关系。
分而治之：分而治之、分层抽象、体系化的设计思想。
模块内部紧耦合、模块间松耦合。

应用开发的四个步骤：
产品定义：对应用需求充分理解和明确定义。
系统架构：以系统方式思考产品技术的实现。
设计与实现：结合架构完成关键设计及系统实现。
用户体验：从用户角度思考应用的效果。

1.2基本数据类型

1.2.1整数类型

没有取值范围限制。
Pow(x,y)：计算xy，想算多大算多大。

四种进制表示形式：
十进制：99，-217
二进制：以0b或者0B开头：0b010，-0B10
八进制：以0o或0O开头：00123，-00456
十六进制：以0x或0X开头：0x9a2，-0X89

1.2.2浮点数

取值范围和小数精度存在的限制可以忽略不计。
浮点数的尾数存在不确定尾数（一般发生在10-16左右），不是bug。
round(x,d)：对x四舍五入，d是小数截取位数。浮点数间的运算及比较用round()函数辅助。

浮点数可以采用科学计数法表示：字母e(E)代表以10为基数的幂的符号。
< a > e < b > 代表a*10b。

1.2.3复数类型

z = 1.23e-4 + 5.6e+89 j
实部：z.real 虚部：z.imag

1.2.4数据类型操作

类型间的混合运算，生成结果为“最宽”类型。（整数 → 浮点数 → 复数）

数值运算操作符：
+，-，*，/，//：加，减，乘，除，整数除
+x：x本身 -y：y的负值
x%y：余数，模运算。
x**y：幂运算，x的y次幂。
增强操作符：x op= y，即x = x op y

数值运算函数：有印象即可，用到时候再熟练。

1.2.5字符串

由0个或多个字符组成的有序字符序列。由一对单引号或一对双引号表示。使用[]获取字符串中的一个或多个字符。

字符串的表示：字符串有2类共4种表示方法。
由一对单引号或双引号表示，仅表示单行字符串。
由一对三单引号或三双引号表示，可表示多行字符串。

字符串的序号：正向递增序号，反向递减序号。

字符串的索引：返回字符串中的单个字符。<字符串> [M]。
字符串的切片：返回字符串中一段字符子串。
<字符串>[M:N]。M缺失表示至开头，N缺失表示至结尾。（不包含<字符串> [N]。）
<字符串>[M：N：K]。根据步长K对字符串切片。

转义符 \ ：表达特定字符的本意；或者形成一些组合，表示一些不可打印的含义。（“\b"回退，”\n"换行（光标移动到下行首），"\r"回车（光标移动到本行首））

字符串操作符：

字符串处理函数：


字符串类型的格式化：.format()，对字符串进行格式表达。
<模板字符串>.format(<逗号分隔的参数>)

输入函数input（）：<变量> = input（<提示信息字符串>）。
输出函数print（）：print(<拟输出的字符串>)。
print()函数的格式化：可以用{}表示槽，后续变量可以填充到槽中。
注：槽：一种用于字符串的占位信息符，只在字符串中有用。


槽内部对格式化的配置方法：{<参数序号> : <格式控制标记>}

1.3程序的控制结构

1.3.1程序的分支结构

分支语句：由判断条件决定程序运行方向的语句。使用保留字if elif else构成条件判断的分支结构。每个保留字所在行最后存在一个冒号。冒号及后续缩进用来表示后续语句与条件的所属关系。

1.3.1.1 单分支结构

if <条件>:
<语句块>

1.3.1.2 二分支结构

if <条件>:
<语句块1>
else:
<语句块2>

紧凑形式：<表达式1> if <条件> else <表达式2>

1.3.1.3 多分支结构

if <条件>:
<语句块1>
elif <条件>:
<语句块2>
…
else:
<语句块n>

注：应当注意多条件之间的包含关系，注意变量取值范围的覆盖关系。

1.3.1.4 程序的异常处理

try:
<语句块1>
except:
<语句块2>

进一步了解异常类型：
try:
<语句块1>
except<异常类型>:
<语句块2>

异常处理的高级使用：
try:
<语句块1>
except:
<语句块2>
else：
<语句块3> #不发生异常时执行
finally：
<语句块4> #一定执行

1.3.2程序的循环结构

range()函数：
range(N)产生0到N-1的整数序列。
range(M,N)产生M到N-1的整数序列,共N-M个数字

1.3.2.1 遍历循环

for <循环变量> in <遍历结构>:
<语句块>
每次循环，所获得元素放入循环变量，并执行一次语句块。

计数循环（N次）
for <循环变量> in range(N):
<语句块>
for <循环变量> in range(M,N,K):
<语句块>

字符串遍历循环
for c in s :
<语句块>
s是字符数串，遍历字符串每个字符，产生循环。

列表遍历循环
for item in ls :
<语句块>
ls是一个列表，遍历其每个元素，产生循环。

文件遍历循环
for line in fi :
<语句块>
fi是一个文件标识符，遍历其每行，产生循环。

1.3.2.2 无限循环

由条件控制的循环运动方式
while <条件>:
<语句块>
反复执行语句块，直到条件不满足为止。

1.3.2.3 循环控制保留字

break和continue
break跳出并结束当前整个循环，执行循环后的语句。
continue结束当次循环，继续执行后续次数循环。
breaki和 continue可以与for和 while循环搭配使用。

1.3.2.4 循环的高级用法

for <循环变量> in <遍历结构>:
<语句块1>
else :
<语句块2>

while <条件>:
<语句块1>
else:
<语句块2>

当循环被break语句退出时，不执行else语句块。
这里else的用法与异常处理中else用法相似。

1.4函数和代码

1.4.1函数的定义与使用函数是一段代码的表示，是具有一定功能的、可重复使用的语句组，是一种功能的抽象。

两个作用：降低编程难度，代码复用。
def <函数名>(<参数（0个或者多个）>) :
<函数体>
return <返回值>

函数的参数传递：
无论函数有没有参数，都要保留括号。
可选参数：函数定义时可以为某些参数指定默认值，构成可选参数。
可选参数一定要在必选参数（非可选参数）后面。

def <函数名> (<非可选参数>，<可选参数>):
<函数体>
return <返回值>

可变参数的传递：函数定义时可以设计可变数量参数，既不确定参数总数量。
def <函数名> (<参数>，*b):
<函数体>
return <返回值>

函数调用时，参数可以按照位置或名称方式传递：

函数可以有return也可以没有，return可以返回0个或多个返回值。

函数局部变量和程序全局变量：
规则1：局部变量和全局变量是不同变量。
局部变量是函数内部的占位符，与全局变量可能重名但不同。
函数运算结束后，局部变量被释放。
可以使用global保留字在函数内部使用全局变量。

规则2：局部变量为组合数据类型且未创建，等同于全局变量。

组合数据类型在python中是由指针来体现的。

lambda函数：使用lambda保留字定义，函数名是返回结果。用于定义简单的、能够在一行内表示的函数。
谨慎使用lambda函数：lambda函数主要用作一些特定函数或方法的参数。

<函数名> = lambda<参数> : <表达式>

1.4.2代码复用与函数递归

把代码当作资源进行抽象：
代码资源化：程序代码是一种用来表达计算的“资源”。
代码抽象化：使用函数等方法对代码赋予更高级别的定义。
代码复用：同一份代码在需要时可以被重复使用。

函数和对象是代码复用的两种主要形式：
函数：将代码命名，在代码层面建立了初步抽象。
对象：通过属性和方法< a >.< b >和< a >.< b >()，在函数之上再次组织进行抽象。

模块化设计：分而治之
通过函数或对象封装将程序划分为模块及模块间的表达。
具体包括：主程序、子程序和子程序间的关系
分而治之：是一种分而治之、分层抽象、体系化设计的思想
模块内部尽可能紧耦合、模块之间尽可能松耦合。

函数递归：函数定义中调用函数自身的方式，类似于数学归纳法。
链条：计算过程存在递归链条。
基例：存在一个人或者多个不需要再次递归的基例。

1.5组合数据类型

1.5.1集合类型及其操作

集合是多个元素的无序组合：
集合元素之间无序，每个元素唯一，不存在相同元素。
集合元素不可更改，不能是可变数据类型。
集合用{}表示，元素间用逗号分隔。
建立集合类型用{}或者set()。
建立空集合类型，必须用set()。

集合间操作：

增强操作符：
S|=T：更新集合S，包括在集合S和T中的所有元素。
S-=T：更新集合S，包括在集合S但不在T中的元素。
S&=T：更新集合S，包括同时在集合S和T中的元素。
S^=T：更新集合S，包括集合S和T中的非相同元素。

集合处理方法：
S.add(x)：如果x不在集合S中，将x增加到S。
S.discard(x)：移除S中元素x，如果x不在集合S中，不报错。
S.remove(x)：移除S中元素x，如果x不在集合S中，产生KeyError异常。
S.clear(x)：移除S中所有元素。
S.pop()：随机返回S的一个元素，并更新S，若S为空产生KeyError异常。
S.copy()：返回集合S一个副本。
len(S)：返回集合S元素个数。
x in S：判断x在集合S中，返回Tue，否则返回False。
x not in S：判断x不在集合S中，返回Tue，否则返回False。
set(x)：将其他类型变量x转换成为集合类型。

集合类型应用场景：

1.5.2序列类型及其操作

序列是一个基类类型：

1.5.2.1 序列类型

序列：具有先后关系的一组元素，是一组一维元素向量，元素类型可以不同。
序列序号的定义：

序列的通用操作符：

x in s：如果x是序列s的元素，返回True，否则返回False。
x not in s：如果x是序列s的元素，返回False，否则返回True。
s+t：连接两个序列s和t。
sn或ns：将序列s复制n次。
s[i]：索引，返回s中的第i个元素。
s[i:j]或s[i:j:k]：切片，返回序列s中第i到j以k为步长的元素子序列。

序列函数和方法：

len(s)：返回序列s的长度。
min(s)：返回序列s的最小元素，s中元素需要可比较。
max(s)：返回序列s的最大元素，s中元素需要可比较。
s.index(x)或s.index(x,i,j)：返回序列s从i开始到j位置中第一次出现元素x的位置。
s.count(x)：返回序列s中出现x的总次数。

1.5.2.2 列表类型

由0个或多个数据组成的有序序列。列表中各元素类型可以不同。
使用方括号[]或list()创建，元素间用逗号分隔，创建后可以随便修改。
定义的时候，如果使用了[]和list()则是真正创建了列表。如果只使用了赋值，则相当于赋予了一个新名字。

列表类型操作函数及方法：

ls[i]=x：替换列表ls第i元素为x。
ls[i:j:k]=lt：用列表lt替换切片后所对应元素子列表。
del ls[i]：删除列表ls中第i元素。
del ls[i:j:k]：删除列表ls中第i到第j以k为步长的元素。
ls+=lt：更新列表ls，将lt元素增加到列表ls中。
ls*=n：更新列表s，其元素重复n次。

ls.append(x)：在ls最后增加一个元素x。
ls.clear()：删除列表ls中所有元素。
ls.copy()：生成一个新列表，赋值ls中所有元素。
ls.insert(i,x)：在列表ls第i位置增加元素x。
ls.pop(i)：将列表ls中第i位置元素取出并删除该元素。
ls.remove(x)：将列表ls中出现的第一个元素x删除。
ls.reverse()：将列表ls中的元素反转。

举例：

1.5.2.3 元组类型

使用小括号()或tuple()创建（可以使用或者不使用小括号），元素间用逗号分隔。创建后不能修改，因此没有特殊操作。


注：使用creature[::-1]是生成新的元组，并不改变原有元组。

列表与元组：
列表更加灵活，最常用。元组元素不改变，可用于数据保护。

1.5.3字典类型及操作

映射：映射是一种键（索引）和值（数据）的对应。
键值对：键是数据索引的拓展。
字典是键值对的集合，键值对之间无序。采用大括号{}和dict()创建，键值对用冒号表示：{<键1>:<值1>,<键2>:<值2>,…,<键n>:<值n>}。
字典变量通过键获得值，[]用来向字典变量中索引或增加元素：
<字典变量> = {<键1>:<值1>,…,<键n>:<值n>}
<值> = <字典变量>[<键>]
<字典变量>[<键>] = <值>

生成空的字典：使用大括号{}。

注：集合类型也可以由大括号{}表示。但是生成空的集合类型不能使用大括号{}方式，因为大括号{}是默认生成字典类型的。因为字典类型比集合类型常用。

返回的键信息和值信息不能当做列表类型操作，但是可以用for in 进行遍历。

字典类型函数及方法：

del d[k]：删除字典d中k对应数据值。
k in d：判断键k是否在字典d中，如果在返回True，否则返回False。
d.keys()：返回字典d中所有的键信息。
d.values()：返回字典d中值的信息。
d.items()：返回字典中所有键值对的信息。
d.get(k,< default >)：键k存在，则返回相应值，不存在则返回< default >值。
d.pop(k,< default >)：键k存在，则取出相应值，不存在则返回< default >值。
d.popitem()：随机从字典d中取出一个键值对，以元组形式返回。
d.clear()：删除所有键值对。
len(d)：返回字典d中元素个数。

举例：

1.6 文件和数据格式化

1.6.1文件的使用

文件是数据的抽象和集合。是数据存储的一种形式，是存储在辅助存储器上的数据序列。

1.6.1.1 文件展现形态

文本文件和二进制文件。
本质上，所有文件都是二进制形式存储。由单一特定编码组成的文件，如UTF-8编码。适用于例如：.txt文件、.py文件等。

形式上，所有文件采用两种方式展示。直接由比特0和1组成，没有统一字符编码。适用于例如：.png文件、.avi文件等。

1.6.1.2 文件的打开及关闭

打开-操作-关闭：

打开：

打开模式：


文件名：

左边两个：绝对路径。 右边两个：相对路径
如果程序存储在D盘的根目录下，可以用右上方式。
如果程序与文件存储在相同目录里，可以直接使用文件名称f.txt。

关闭：

1.6.1.3 文件内容的读取

< f >.read(size=-1)：读入全部内容，如果给出参数，读入前size长度。
< f >.readline(size=-1)：读入一行内容，如果给出参数，读入该行前size长度。
< f >.readlines(hint=-1)：读入文件所有行，以每行为元素形成列表。如给出参数，读入前hint行。
文件的全文本操作：

文件的逐行操作：

1.6.1.4 文件内容的写入

< f >.write(s)：向文件写入一个字符串或字节流。
< f >.writelines(lines)：将一个元素全为字符串的列表写入交件。
< f >.seek(offset)：改变当前文件操作指针位置的操作。0-文件开头；1-当前位置；2-文件结尾。
举例：


问题：信息写入文件后，当前文件处理的指针在最后面。此时如果调用for in 遍历打印输出的时候，即从当前位置向文件结尾处打印出文件每一行。已经写过的信息在指针的上方，因此没有输出。

1.6.2一维数据的格式化和处理

数据组织的维度：

一个数据表达一个含义，一组数据表达一个或多个含义
一维数据：由对等关系的有序或无序数据构成，采用线性方式组织。对应列表、数组和集合等概念。
二维数据：由多个一维数据构成，是一维数据的组合形式。（表格是典型的二维数据。）
多维数据：由一维或二维数据在新维度上扩展而成。（如：不同时期的二维数据表。）
高维数据：仅利用最基本的二元关系展示数据间的复杂结构。

数据操作周期：存储-表示-操作

一维数据的表示:
有序：列表。 无序：集合。

一维数据的存储：
方式一：空格分隔。使用一个或多个空格分隔并进行存储，不换行。缺点：数据中不能有空格。
方式二：逗号分隔。不换行。缺点：数据中不能有逗号。
方式三：其他符号或符号组合分隔。缺点：通用性差。
一维数据的处理：

一维数据的读入处理：

一维数据的写入处理：

1.6.3二维数据的格式化和处理

二维数据的表示：

二维数据的处理：

另：CSV数据存储格式（Comma-Separated Values）
国际通用的一二位数据存储格式，一般.csv扩展名。每行一个一维数据，用逗号分隔，无空行。如果某个元素缺失，逗号仍要保留。一般索引习惯：ls[row][column]，先行后列。即外层列表每个元素是一行，按行存。


ls是包含二维数据的二维列表信息。

wordcloud应用实例