【人生苦短，我学 Python】（2）Python 语言基础

1. 简述

在入门 Python 语言前，我们需要了解 Python 的语言基础，这些工作就像我们学英文的 26 个字母一样。

2. 信息的表示

2.1 溢出

如果某个数的数值超出了某一个数值范围就称为“溢出”。

如果用一个字节表示整数，则能表示的最大正整数为 01111111（最高位为符号位），即最大值为127，若数值 ＞ 127，则“溢出”。

例如：128就溢出了。

3. Python 程序的构成

3.1 模块

一个Python程序由1个或多个模块构成，每个模块是一个源文件（文件后缀名：.py）。模块由语句组成。

3.2 语句

语句是程序的过程构造块，用于创建对象，给变量赋值，调用函数，控制分支，建立循环等。语句包含表达式。

3.3 表达式

用于创建和处理对象。

3.4 对象

数据表示为对象，程序处理的一切皆为对象。

3.5 内置对象

Python中有许多内置对象可供编程者使用，内置对象可直接使用。

例如，数字、字符串、列表、del、eval等。

3.5.1 常见的内置对象

对象类型	类型名称	示例	简要说明
数字	int	123	数字大小没有限制，内置支持复数及其运算
数字	float	3.14, 1.3e5	数字大小没有限制，内置支持复数及其运算
数字	complex	3+4j	数字大小没有限制，内置支持复数及其运算
字符串	str	‘python’, “I’m student”, ‘’‘Python ‘’’,r’abc’, R’abc’	使用单引号、双引号、三引号作为定界符，以字母r或R引导的表示原始字符串
字节串	bytes	b’hello world’	以字母b引导，可以使用单引号、双引号、三引号作为定界符
列表	list	[1, 2, 3]、[‘a’, ‘b’, [‘c’, 2]]	所有元素放在一对方括号中，元素之间使用逗号分隔，其中的元素可以是任意类型
字典	dict	{‘张三’: 90, ‘李四’: 60, ‘王五’: 100, ‘赵六’: 50}	所有元素放在一对大括号中，元素之间使用逗号分隔，元素形式为“键:值”
元组	tuple	(1,)、(-5, 7, 0)	不可变，所有元素放在一对圆括号中，元素之间使用逗号分隔，如果元组中只有一个元素的话，后面的逗号不能省略
集合	set、frozenset	{‘a’, ‘b’, ‘c’}	所有元素放在一对大括号中，元素之间使用逗号分隔，元素不允许重复;另外，set是可变的，而 frozenset 是不可变的
布尔型	bool	True, False	逻辑值，关系运算符、成员测试运算符、同一性测试运算符组成的表达式的值一般为True或False
空类型	NoneType	None	空值
异常	Exception、ValueError、TypeError		Python内置大量异常类，分别对应不同类型的异常
文件		f = open(‘data.txt’, ‘rb’)	open是Python内置函数，使用指定的模式打开文件，返回文件对象
其他可迭代对象		生成器对象、range对象、zip对象、enumerate对象、map对象、filter对象等等	具有惰性求值的特点，除range对象之外，其他对象中的元素只能看一次
编程单元		函数（使用 def 定义）、类（使用 class 定义）、模块（类型为 module）	类和函数都属于可调用对象，模块用来集中存放函数、类、常量或其他对象

3.6 非内置对象

需要导入模块才能使用。

例如，import math
例如，绝对值函数 abs，随机数产生函数 random 等。

4. Python 对象

• 数据表示为对象：
  • 对象本质上是一个内存块，拥有特定的值，支持特定类型的运算操作
• Python 3 中，一切皆为对象：
  • 每个对象由标识（identity）、类型（type）和值（value）标识。

4.1 标识

• 标识（identity）用于唯一标识一个对象，通常对应于对象在计算机内存中的位置。使用内置函数id(obj1)可返回对象obj1的标识；

• 通过内置的id()函数，可以获取一个对象唯一的id标识（CPython的实现为内存存放位置）。

  1. 查看对象：

     >>> id(1)	# 数字 1 在计算机中的内存位置(结果不唯一)
     140703752119080
     

  2. 查看内置函数对象：

     >>> id(abs)
     2357439994176
     >>> id(range)
     140703750650880
     

4.2 类型

• 类型（type）用于表示对象所属的数据类型（类），数据类型（类）用于限定对象的取值范围，以及允许执行的处理操作。使用内置函数type(obj1)可以返回对象obj1所属的数据类型；

• 通过内置的type()函数，可以判断一个对象的类型。

  1. 查看对象：

     >>> type(1)
     <class 'int'>
     

  2. 查看内置函数对象：

     >>> type(abs)
     <class 'builtin_function_or_method'>
     >>> type(range)
     <class 'type'>
     

4.3 值

• 值（value）用于表示对象的数据类型的值。使用内置函数print(obj1)可返回对象obj1的值。

  >>> print(1)
  1
  

4.4 创建实例对象

1. 使用字面量创建实例对象：

   >>> 123456
   123456
   >>> "abcd"
   'abcd'
   

2. 使用类对象创建实例对象：

   >>> float(12)
   12.0
   >>> int(12.56)
   12
   >>> complex(2, 3)
   (2+3j)
   

5. 标识符

标识符是指在程序书写中程序员为一些特定对象的命名，包括变量、函数、类、模块和其他对象的名称。

5.1 命名规则

1. 必须以字母字符（包括中文）或下划线开头。
2. 不能有空格以及标点符号（括号、引号、逗号、斜线、反斜线、冒号、句号、问号等等）。
3. 标识符长度任意，大小写敏感（区分大小写，即 a 和 A 不同）。
4. 不能使用关键字，如if、for等保留关键字，不能作为标识符。

例如：

1. a_123、a_float、str123、_strname、func123 为正确的变量名；
2. 99srqt、It’sOK、for（关键字）为错误的变量名。

5.1.1 针对各类型的建议命名规则

类型	命名规则	举例
模块/包名	全小写字母，简单有意义，如果需要可以使用下画线	math、os、sys
函数名	全小写字母，可以使用下画线增加可阅读性	my_func()、spider()
变量名	全小写字母，可以使用下画线增加可阅读性	age、celebrity
类名	采用 PascalCase 命名规则，即多个单词组成名称，每个单词除第一个字母大写外，其余的字母均小写	MyClass
常量名	全大写字母，可以使用下画线增加可阅读性	PI、TAX_RATE

5.2 标识符注意事项

1. Python 标识符区分大小写。例如，ABC 和 abc 视为不同的名称；
2. 以下划线开头的变量在 Python 中有特殊含义；
3. 以双下划线开始和结束的名称通常具有特殊的含义。例如，__init__ 为类的构造函数，一般应避免使用；
4. 不建议使用系统内置的模块名、类型名或函数名以及已导入的模块名及其成员名作变量名，这将会改变其类型和含义。例如：NotImplemented、Ellipsis、int、float、list、str、tuple等。

6. 关键字

关键字是预定义的保留的标识符，也称为保留字。

注：关键字不能在程序中用作标识符，否则会产生编译错误

Python 3.11 有 35 个关键字，我们使用Python帮助系统查看关键字：

1. 在终端输入：help()

   >>> help()
   
   Welcome to Python 3.11's help utility!
   
   If this is your first time using Python, you should definitely check out
   the tutorial on the internet at https://docs.python.org/3.11/tutorial/.
   
   Enter the name of any module, keyword, or topic to get help on writing
   Python programs and using Python modules.  To quit this help utility and
   return to the interpreter, just type "quit".
   
   To get a list of available modules, keywords, symbols, or topics, type
   "modules", "keywords", "symbols", or "topics".  Each module also comes
   with a one-line summary of what it does; to list the modules whose name
   or summary contain a given string such as "spam", type "modules spam".
   

2. 再继续输入：keywords

   help> keywords
   
   Here is a list of the Python keywords.  Enter any keyword to get more help.
   
   False               class               from                or
   None                continue            global              pass
   True                def                 if                  raise
   and                 del                 import              return
   as                  elif                in                  try
   assert              else                is                  while
   async               except              lambda              with
   await               finally             nonlocal            yield
   break               for                 not
   

6.1 help

关键字 help 除了上面那样输出 Python 的所有关键字外，还能查看每个关键字的简介，如下：

1. 查看 if：

   help> if
   The "if" statement
   ******************
   
   The "if" statement is used for conditional execution:
   
      if_stmt ::= "if" assignment_expression ":" suite
                  ("elif" assignment_expression ":" suite)*
                  ["else" ":" suite]
   
   It selects exactly one of the suites by evaluating the expressions one
   by one until one is found to be true (see section Boolean operations
   for the definition of true and false); then that suite is executed
   (and no other part of the "if" statement is executed or evaluated).
   If all expressions are false, the suite of the "else" clause, if
   present, is executed.
   
   Related help topics: TRUTHVALUE
   

2. 查看 for：

   help> for
   The "for" statement
   *******************
   
   The "for" statement is used to iterate over the elements of a sequence
   (such as a string, tuple or list) or other iterable object:
   
      for_stmt ::= "for" target_list "in" starred_list ":" suite
                   ["else" ":" suite]
   
   The "starred_list" expression is evaluated once; it should yield an
   *iterable* object.  An *iterator* is created for that iterable. The
   first item provided by the iterator is then assigned to the target
   list using the standard rules for assignments (see Assignment
   statements), and the suite is executed.  This repeats for each item
   provided by the iterator.  When the iterator is exhausted, the suite
   in the "else" clause, if present, is executed, and the loop
   terminates.
   
   A "break" statement executed in the first suite terminates the loop
   without executing the "else" clause’s suite.  A "continue" statement
   executed in the first suite skips the rest of the suite and continues
   with the next item, or with the "else" clause if there is no next
   item.
   
   The for-loop makes assignments to the variables in the target list.
   This overwrites all previous assignments to those variables including
   those made in the suite of the for-loop:
   
      for i in range(10):
          print(i)
          i = 5             # this will not affect the for-loop
                            # because i will be overwritten with the next
                            # index in the range
   
   Names in the target list are not deleted when the loop is finished,
   but if the sequence is empty, they will not have been assigned to at
   all by the loop.  Hint: the built-in type "range()" represents
   immutable arithmetic sequences of integers. For instance, iterating
   "range(3)" successively yields 0, 1, and then 2.
   
   Changed in version 3.11: Starred elements are now allowed in the
   expression list.
   
   Related help topics: break, continue, while
   

3. 使用 quit 退出 help：

   help> quit
   
   You are now leaving help and returning to the Python interpreter.
   If you want to ask for help on a particular object directly from the
   interpreter, you can type "help(object)".  Executing "help('string')"
   has the same effect as typing a particular string at the help> prompt.
   

7. 常量和变量

7.1 常量

这些数据是不会改变的，也称为字面常量。

例如，整数389，浮点数23.56，字符串'hello'，

但是 Python 语言不支持常量，即没有语法规则限制改变一个常量的值。

Python语言使用约定，声明在程序运行过程中不会改变的变量为常量，通常使用全大写字母（可以使用下划线增加可阅读性）表示常量名。

>>> PI = 3.1415			# 浮点类型常量PI
>>> WHU = '武汉大学'		# 字符型常量WHU

7.2 变量

将数据存储在内存中，然后用一个名称来引用内存空间，这个名称称为变量，其值是可以变化的。

7.2.1 变量的声明和赋值

变量名 = 值 / 表达式

变量的声明和赋值示例：

>>> x=0; y=0; z=0		# 变量x、y和z均指向int对象0
>>> s1 = "123"			#变量s1指向值为"123"的str型实例对象
>>> s2					#变量s2未声明和定义(NameError: name 's2' is not defined)
Traceback (most recent call last):
  File "", line 1, in <module>
NameError: name 's2' is not defined. Did you mean: 's1'?

1. 链式赋值:
   链式赋值用于为多个变量赋值同一个值。

   >>> x = y = z = 1	# 变量x、y和z均指向int对象1
   >>> x
   1
   >>> y
   1
   >>> z
   1
   

2. 复合赋值:

运算符	含义	例子	等价于
+=	加法	sum += i	sum = sum + i
+=	字符串拼接	str += “abc”	str = str + “abc”
-=	减法	cnt -= 1	cnt = cnt - 1
*=	乘法	x *= y+1	x = x * (y+1)
/=	除法	x /= y+1	x = x / (y+1)
//=	整除	x /= y+1	x = x // (y+1)
%=	取模	x %= 2023	x = x % 2023
**=	幂运算	x **= 2023	x = x ** 2023
<<=	左移	x <<= y	x = x << y
>>=	右移	x >>= y	x = x >> y
&=	按位与	x &= y	x = x & y
=	按位或	x	= y
^=	按位异与	x ^= y	x = x ^ y

>>> i = 1		# 变量i指向int对象1
>>> i += 1		# 先计算表达式i+1的值，然后创建一个值为2的int对象，并绑定到变量i
>>> i			
2
>>> i *= 3		# 先计算表达式i*3的值，然后创建一个值为6的int对象，并绑定到变量i
>>> i			
6

7.2.2 删除变量

del 语句删除不再使用的变量。

>>> x = 2023	# 变量x指向int对象2023
>>> del x		# 删除变量x
>>> x			# 变量x未声明和定义
Traceback (most recent call last):
  File "", line 1, in <module>
NameError: name 'x' is not defined

7.2.3 系列解包

将系列数据类型解包为对应相同个数的变量。

>>> x, y = 1, 2		# 变量x指向int对象1，变量y指向int对象2
>>> x
1
>>> y
2

• 如果只需要解包部分值，则可以采用特殊变量 “_”：

  >>> _, age, hobby, _ = ['小邓在森林', 18, "篮球", '2023-11-25']
  >>> age
  18
  >>> hobby
  '篮球'
  

• 使用系列解包实现变量交换：
  以前我们交换两个数据可能是这么写的：

  # 交换 a 和 b
  temp = a
  a = b
  b = temp
  

  现在用 Python 可以这么写：

  >>> a, b = (1, 2)	# 变量a指向int对象1，变量b指向int对象2
  >>> a, b = b, a		# 两个变量a和b的值进行交换
  >>> a				
  2
  >>> b
  1
  

7.2.4 表达式和运算符

1. 表达式：

   • 表达式的组成

     • 操作数、运算符和圆括号按一定规则组成表达式。
     • 运算符的优先级控制各个运算符的计算顺序。

   • 表达式的书写规则

     • 表达式从左到右在同一个基准上书写。
       例如，数学公式a2+b2应该写为：a2+b2
     • 乘号不能省略。
       例如，数学公式ab（表示a乘以b）应写为：a*b
     • 括号必须成对出现，而且只能使用圆括号；圆括号可以嵌套使用。

2. 运算符：

   • 运算符用于在表达式中对一个或多个操作数进行计算并返回结果值。
   • 表达式计算顺序取决于运算符的优先级和结合性。
   • 可以使用圆括号“()”强制改变运算顺序。
     例如：
     (a+b+c)/3 不能写成 a+b+c/3
     xy/z 相当于 (xy)/z

7.3 动态类型编程语言

Python是动态类型语言。

1. 变量不需要显式声明数据类型。
2. 根据变量的赋值，Python解释器自动确定其数据类型。
3. 通过标识符和赋值运算符（=），可以指定某个变量指向某个对象，即引用该对象。

• 对于数字 2023：

  >>> type(2023)
  <class 'int'>
  >>> id(2023)
  2357439544976
  >>> a = 2023
  >>> id(a)
  2357447026320
  >>> b = 2023
  >>> id(b)
  2357447026288
  >>> c = a
  >>> id(c)
  2357447026320
  

• 对于数字 10：

  >>> type(10)
  <class 'int'>
  >>> id(10)
  140703752119368
  >>> a = 10
  >>> id(a)
  140703752119368
  >>> b = 10
  >>> id(b)
  140703752119368
  >>> c = a
  >>> id(c)
  140703752119368
  

  可见对于小的数字（10），它是存放在一个固定的内存位置的；而较大的数字（2023）则是随机存放！

• 对于字符串 ‘abc’：

  >>> id('abc')
  140703750754080
  >>> a = 'abc'
  >>> id(a)
  140703750754080
  

  对于声明的字符串，它是存放在一个固定的内存位置的。

7.4 强类型编程语言

Python是强类型语言。

1. 每个变量指向的对象均属于某个数据类型，只支持该类型允许的运算操作。
2. Python解释器会根据赋值或运算来自动推断变量的类型。

>>> a = 1		# a指向值为1的int型实例对象
>>> b = '1'		# b指向值为"1"的str型实例对象
>>> a + b		# 错误：int型和str型对象不能直接相加，即str型对象不能自动转换为int型对象
Traceback (most recent call last):
  File "", line 1, in <module>
TypeError: unsupported operand type(s) for +: 'int' and 'str'
>>> b = 1		# 赋值语句：b指向值为1的int型实例对象
>>> a + b		# 表达式运算结果，返回值为2的int型实例对象
2

7.5 对象内存

• Python程序运行时，在内存中会创建各种对象（位于堆内存中），通过赋值语句，将对象绑定到变量（位于栈内存中），通过变量引用对象，进行各种操作。
• 多个变量可以引用同一个对象。
• 如果一个对象不再被任何有效作用域中的变量引用，则会通过自动垃圾回收机制，回收该对象占用的内存。

7.6 对象操作

1. 对象的值比较（==）
   == 运算符判断两个变量指向的对象的值是否相同。

2. 引用判别（is）
   is运算符判断两个变量是否指向同一对象。

对象操作示例：

>>> x = '123'
>>> y = x
>>> z = '1234'
>>> x == y
True
>>> x is y
True
>>> x == z
False
>>> x is z
False

7.7 不可变对象和可变对象

7.7.1 不可变对象

不可变对象一旦创建，其值就不能被修改，例如：int、str、complex等。

>>> a = 20
>>> id(a)
140703752119688
>>> a = 23
>>> id(a)
140703752119784
>>> b = 23
>>> id(b)
140703752119784
>>> id(23)
140703752119784

7.7.2 可变对象

可变对象的值可以被修改。Python对象的可变性取决于其数据类型的设计，即是否允许改变其值。

>>> x = y = [1, 2, 3]	# 变量x和y指向list对象[1, 2, 3]
>>> id(x)				# 输出：2357441373696。表示变量x指向的list对象[1, 2, 3]的id
2357441373696
>>> id(y)				# 输出：2357441373696。表示变量y指向的list对象[1, 2, 3]的id
2357441373696
>>> x.append(4)			# 变量x指向的list对象[1, 2, 3]附加一个元素4
>>> x					# 输出：[1, 2, 3, 4]。表示变量x指向的list对象[1, 2, 3, 4]
[1, 2, 3, 4]
>>> id(x)				# 输出：2357441373696。变量x指向的list对象[1, 2, 3, 4]的id未改变
2357441373696
>>> x is y				# 输出：True。表示变量x和y指向同一个list对象[1, 2, 3, 4]
True
>>> x == y				# 输出：True。表示变量x和y指向的list对象值相等
True
>>> z = [1, 2, 3, 4]	# 变量z指向的list对象[1, 2, 3, 4]
>>> id(z)				# 输出：2357446628672。表示变量z指向的list对象[1, 2, 3, 4]的id
2357446628672
>>> x is z				# 输出：False。表示变量x和z指向不同的list对象[1, 2, 3, 4]
False
>>> x == z				# 输出：True。表示变量x和z指向的list对象值相等
True

8. 语句

• 语句是Python程序的过程构造块，用于定义函数、定义类、创建对象、变量赋值、调用函数、控制分支、创建循环等。

• Python语句分为简单语句和复合语句。

• 简单语句包括：

  • 表达式语句、赋值语句、assert语句、pass空语句、del语句、return语句、yield语句、raise语句、break语句、continue语句、import语句、global语句、nonlocal语句等。

• 复合语句包括：

  • if语句、while语句、for语句、try语句、with语句、函数定义、类定义等。

• Python语句的书写规则：

  • 使用换行符分隔，一般情况下，一行一条语句。
  • 从第一列开始，前面不能有任何空格，否则会产生语法错误。
  • 注释语句可以从任意位置开始。
  • 复合语句构造体必须缩进。
  • 反斜杠（\）用于一个代码跨越多行的情况。
    • 如果语句太长，可以使用续行符（\）
  • 分号（;）用于在一行书写多条语句。

---

• 复合语句的书写规则
  • 复合语句由头部语句和构造体语句块组成。
  • 构造体语句块由一条或多条语句组成。
    • 头部语句由相应的关键字开始，构造体语句块则为下一行开始的一行或多行缩进代码。
    • 通常缩进是相对头部语句缩进四个空格，也可以是任意空格，但同一构造体代码块的多条语句缩进的空格数必须一致对齐。如果语句不缩进，或缩进不一致，将导致编译错误。
    • 如果条件语句、循环语句、函数定义和类定义比较短，可以放在同一行。

9. 注释

1. 注释用来对代码进行说明。
2. 两种形式：
   • 以符号#开始，表示本行#之后的内容为注释。

     # 这里是注释
     

   • 包含在一对三引号’‘’…‘’'或"“”…“”"之间且不属于任何语句的内容将被解释器认为是注释。

     # 长注释方式 1：
     '''
     用 3 个单引号写的注释
     '''
     
     # 长注释方式 2：
     """
     用 3 个双引号写的注释
     """
     

10. 函数

1. 函数是可以重复调用的代码块。
   （1）定义函数时，可以声明函数的参数，即形式参数，简称形参。
   （2）调用函数时，需要提供函数需要的参数的值，即实际参数，简称实参。
   （3）函数可以有返回值，即计算结果。

2. Python语言提供了海量的内置函数、标准库函数、第三方模块函数。
   （1）内置函数，例如dir()、type()、id()、help()、len()等。
   （2）标准库函数，例如math库的sqrt()。
   （3）第三方模块函数，例如Pandas库中的DataFrame。

3. 模块函数
   （1）通过import语句，可以导入模块module，然后使用module.function(arguments)的形式调用模块中的函数。
   （2）每个import语句只导入一个模块，最好按标准库、扩展库、自定义库的顺序依次导入。

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