從Python開始學(xué)編程

從Python開始學(xué)編程目錄\h第1章用編程改造世界\h1.1從計算機到編程\h1.2所謂的編程，是做什么的\h1.3為什么學(xué)Python\h1.4最簡單的HelloWorld\h附錄APython的安裝與運行\(zhòng)h附錄Bvirtualenv\h第2章先做鍵盤俠\h2.1計算機會算術(shù)\h2.2計算機記性好\h2.3計算機懂選擇\h2.4計算機能循環(huán)\h附錄A小練習(xí)\h附錄B代碼規(guī)范\h第3章過程大于結(jié)果\h3.1懶人炒菜機\h3.2參數(shù)傳遞\h3.3遞歸\h3.4引入那把寶劍\h3.5異常處理\h附錄A搜索路徑的設(shè)置\h附錄B安裝第三方模塊\h附錄C代碼規(guī)范\h第4章朝思暮想是對象\h4.1輕松看對象\h4.2繼承者們\h4.3那些年，錯過的對象\h4.4意想不到的對象\h附錄A代碼規(guī)范\h第5章對象帶你飛\h5.1存儲\h5.2一寸光陰\h5.3看起來像那樣的東西\h5.4Python有網(wǎng)癮\h5.5寫一個爬蟲\h第6章與對象的深入交往\h6.1一切皆對象\h6.2屬性管理\h6.3我是風(fēng)兒，我是沙\h6.4內(nèi)存管理\h第7章函數(shù)式編程\h7.1又見函數(shù)\h7.2被解放的函數(shù)\h7.3小女子的梳妝匣\h7.4高階函數(shù)\h7.5自上而下第1章用編程改造世界1.1從計算機到編程1.2所謂的編程，是做什么的1.3為什么學(xué)Python1.4最簡單的HelloWorld附錄APython的安裝與運行附錄Bvirtualenv本章將簡要介紹計算機和編程的歷史。從計算機出現(xiàn)以來，硬件性能得到飛躍式的發(fā)展。與此同時，編程語言也幾經(jīng)變遷，產(chǎn)生了多種編程范式。Python語言以簡潔靈活的特點，在諸多編程語言中打下一片天地。通過歷史，我們不但能體驗Python的特色，還能了解這門語言想要解決的痛點。本章將以一個簡單的“HelloWorld!”程序結(jié)束，從此開啟Python之旅。1.1從計算機到編程人能運算和記憶，但更了不起的是善于借用工具。人類很早就開始利用方法和工具，輔助計算和記憶這樣高度復(fù)雜的認(rèn)知活動。古人用給繩子打結(jié)的方式來記錄圈養(yǎng)的牛羊，我們的祖先很早就能以眼花繚亂的速度使用算盤。隨著近代工業(yè)化的發(fā)展，社會對計算的需求越來越強烈。收稅需要計算，造機器需要計算，開挖運河也需要計算。新的計算工具不斷出現(xiàn)。利用對數(shù)原理，人們制造出計算尺。計算尺可以平行移動尺子來計算乘除法。19世紀(jì)的英國人巴貝奇設(shè)計了一臺機器，用齒輪的組合來進(jìn)行高精度的計算，隱隱預(yù)示著機器計算的到來。20世紀(jì)初有了機電式的計算機器。電動馬達(dá)驅(qū)動變檔齒輪“咯吱”轉(zhuǎn)動，直到得到計算結(jié)果。二戰(zhàn)期間，戰(zhàn)爭刺激了社會的計算需求。武器設(shè)計需要計算，比如坦克的設(shè)計、潛艇的外形、彈道的軌跡。社會的軍事化管理需要計算，比如火車調(diào)度、資源調(diào)配、人口動員。至于導(dǎo)彈和核彈這樣的高科技項目，更需要海量的計算。美國研制原子彈的曼哈頓計劃，除了使用IBM的計算機器外，還雇傭了許多女孩子進(jìn)行手工運算。計算本身甚至可以成為武器。電影《模仿游戲》就講述了英國數(shù)學(xué)家阿蘭·圖靈（AlanMathisonTuring）破解德國傳奇密碼機的故事。圖靈的主要工具，就是機電式的計算機器。值得一提的是，正是這位圖靈，提出了通用計算機的理論概念，為未來的計算機發(fā)展做好了理論準(zhǔn)備?，F(xiàn)在，計算機學(xué)科的最高獎項就以圖靈命名，以紀(jì)念他的偉大貢獻(xiàn)。德國工程師康拉德·楚澤（KonradZuse）發(fā)明的Z3計算機能編寫程序。這看起來已經(jīng)是一臺現(xiàn)代計算機的雛形了。計算工具的發(fā)展是漸進(jìn)的。不過歷史把第一臺計算機的桂冠頒給了戰(zhàn)后賓夕法尼亞大學(xué)研制的埃尼阿克（ENIAC，ElectronicNumericalIntegratorAndComputer）。埃尼阿克借鑒了前任的經(jīng)驗，遠(yuǎn)非橫空出世的奇跡。但它最重要的意義，是向人們展示了高速運算的可能性。首先它是一臺符合圖靈標(biāo)準(zhǔn)的通用計算機，能通過編程來執(zhí)行多樣的計算任務(wù)。其次，與機電式計算機器不同，埃尼阿克大量使用真空管，從而能快速運算。埃尼阿克的計算速度比之前的機電型機器提高了一千倍，這是一次革命性的飛躍。因此，即便計算輔助工具同樣歷史悠久，但人們?nèi)哉J(rèn)為埃尼阿克引領(lǐng)了一個新的時代—計算機時代。從埃尼阿克開始，計算機經(jīng)歷了迅猛的發(fā)展。計算機所采用的主要元件，從真空管變成大規(guī)模集成電路。計算機的運算性能，每一兩年的時間就會翻倍。但計算機的大體結(jié)構(gòu)，都采用了馮·諾依曼體系。這一體系是長期演化的結(jié)果，但馮·諾依曼進(jìn)行了很好的總結(jié)。按照馮·諾依曼的設(shè)計，計算機采用二進(jìn)制運算，包括控制器、運算器、存儲器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備五個部分，如圖1-1所示。五個部分相互配合，執(zhí)行特定的操作，即指令。這五個部分各有分工。圖1-1馮·諾依曼結(jié)構(gòu)控制器：計算機的指揮部，管理計算機其他部分的工作，決定執(zhí)行指令的順序，控制不同部件之間的數(shù)據(jù)交流。運算器：顧名思義，這是計算機中進(jìn)行運算的部件。除加減乘除之類的算數(shù)運算外，還能進(jìn)行與、或、非之類的邏輯運算。運算器與控制器一起構(gòu)成了中央處理器（CPU，CentralProcessingUnit）。存儲器：存儲信息的部件。馮·諾依曼根據(jù)自己在曼哈頓工程中的經(jīng)驗，提出了存儲器不但要記錄數(shù)據(jù)，還要記錄所要執(zhí)行的程序。輸入設(shè)備：向計算機輸入信息的設(shè)備，如鍵盤、鼠標(biāo)、攝像頭等。輸出設(shè)備：計算機向外輸出信息的設(shè)備，如顯示屏、打印機、音響等。人們最常想到的計算機是臺式機和筆記本電腦。其實，計算機還存在于智能手機、汽車、家電等多種設(shè)備中。但無論外形如何多變，這些計算機都沿襲了馮·諾依曼結(jié)構(gòu)。不過在具體細(xì)節(jié)上，計算機之間又有很大的差別。有的計算機使用了多級緩存，有的計算機只有鍵盤沒有鼠標(biāo)，有的計算機用磁帶存儲。計算機的硬件是一門很龐雜的學(xué)問。幸運的是，計算機用戶大多不需要和硬件直接打交道。這一點是操作系統(tǒng)（OperatingSystem）的功勞。操作系統(tǒng)是運行在計算機上的一套軟件，負(fù)責(zé)管理計算機的軟硬件資源。有的時候我們請人修電腦，他可能會說“電腦需要重裝一下”。這個“重裝”，就是重新安裝操作系統(tǒng)的意思。無論是微軟的Windows，還是蘋果的iOS，都屬于操作系統(tǒng)。我們編程時，大多數(shù)時候都是通過操作系統(tǒng)這個“中間商”來和硬件打交道的。操作系統(tǒng)提供了一套系統(tǒng)調(diào)用（SystemCall），如圖1-2所示，規(guī)定了操作系統(tǒng)支持哪些操作。當(dāng)調(diào)用某個系統(tǒng)調(diào)用時，計算機會執(zhí)行對應(yīng)的操作。這就像是按下鋼琴上的一個鍵，鋼琴就會發(fā)出對應(yīng)的音律一樣。系統(tǒng)調(diào)用提供的功能非常基礎(chǔ)，有時調(diào)用起來很麻煩。操作系統(tǒng)因此定義一些庫函數(shù)（LibraryRoutine），將系統(tǒng)調(diào)用組合成特定的功能，如同幾個音律組成的和弦。所謂的編程，就是用這些音律和和弦，來組成一首美妙的音樂。圖1-2硬件、操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序的關(guān)系1.2所謂的編程，是做什么的編程中總是在調(diào)用計算機的基本指令。如果完全用基礎(chǔ)指令來說明所有的操作，代碼將超乎想象的冗長。IBM前總裁小沃森的自傳中就提到，他看到一位工程師想要做乘法運算，輸入程序用的打孔卡疊起來有1.2米高。幸好，程序員漸漸發(fā)現(xiàn)，許多特定的指令組合會重復(fù)出現(xiàn)。如果能在程序中復(fù)用這些代碼，則可以節(jié)省很多工作量。復(fù)用代碼的關(guān)鍵是封裝（Packaging），即把執(zhí)行特殊功能的指令打包成一個程序塊，然后給這個程序塊起個容易查詢的名字。如果需要重復(fù)使用這個程序塊，則可以簡單地通過名字調(diào)用。就好像食客在點菜時，只需告訴廚師做“魚香肉絲”，而不需要具體說明要多少肉、多少調(diào)料、烹制多久一樣。剛才提到的操作系統(tǒng)，就是將一些底層的硬件操作組合封裝起來，供上層的應(yīng)用程序調(diào)用。當(dāng)然，封裝是有代價的，它會消耗計算機資源。如果使用的是早期的計算機的話，封裝和調(diào)用的過程會非常耗時，最終得不償失。封裝代碼的方式也有很多種。根據(jù)不同的方式，程序員寫程序時要遵循特定的編程風(fēng)格，如面向過程編程、面向?qū)ο缶幊毯秃瘮?shù)式編程。用更嚴(yán)格的術(shù)語來說，每種編程風(fēng)格都是一種編程范式（ProgrammingParadigm）。編程語言開始根據(jù)編程范式區(qū)分出陣營，面向過程的C語言、面向?qū)ο蟮腏ava語言、面向函數(shù)的Lisp語言等。任何一種編程范式編寫出來的程序，最終都會翻譯成上面所述的簡單功能組合。所以編程的需求總是可以通過多種編程范式來分別實現(xiàn)，區(qū)別只在于這個范式的方便程度而已。由于不同的范式各有利弊，所以現(xiàn)代不少編程語言都支持多種編程范式，以便程序員在使用時取舍。Python就是一門多范式語言。某一范式的代表性語言，也開始在新版本中支持其他范式。原本屬于面向?qū)ο蠓妒降腏ava語言，就在新版本中也開始加入函數(shù)式編程的特征。編程范式是學(xué)習(xí)編程的一大攔路虎。對于一個程序員來說，如果他熟悉了某一種編程范式，那么他就能很容易地上手同一范式的其他編程語言。對于一個新手來說，一頭扎進(jìn)Python這樣的多范式語言，會發(fā)現(xiàn)同一功能有不同的實現(xiàn)風(fēng)格，不免會感到困惑。一些大學(xué)的計算機專業(yè)課程，選擇了分別講授代表性的范式語言，比如C、Java、Lisp，以便學(xué)生在未來學(xué)習(xí)其他語言時有一個好的基礎(chǔ)。但這樣的做法，會將學(xué)習(xí)過程拉得很漫長。在我看來，Python這樣的多范式語言提供了一個對比學(xué)習(xí)多種編程范式的機會。在同一語言框架下，如果程序員能清晰地區(qū)分出不同的編程范式，并了解各自的利弊，將起到事半功倍的效果。這也是本書中想要做到的，從面向過程、面向?qū)ο?、函?shù)式三種主流范式出發(fā)，在一本書的篇幅內(nèi)學(xué)三遍Python。這樣的話，讀者將不止是學(xué)會了一門Python語言，還能為未來學(xué)習(xí)其他語言打好基礎(chǔ)。學(xué)習(xí)了包括Python在內(nèi)的任何一門編程語言后，就打開了計算機世界的大門。通過編程，你幾乎可以發(fā)揮出計算機所有的功能，給創(chuàng)造力提供了廣闊的施展空間。想到某個需求，比如統(tǒng)計金庸小說中的詞頻，自己就能寫程序解決。有了不錯的想法，例如想建立一個互助學(xué)習(xí)的網(wǎng)站，也可以立即打開電腦動手編寫。一旦學(xué)會了編程，你會發(fā)現(xiàn)，軟件主要比拼的就是大腦和時間，其他方面的成本都極為低廉。編寫出的程序還會有許多回報?？梢允墙?jīng)濟性的回報，比如獲得高工資，比如創(chuàng)立一家上市的互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)。也可以是聲譽性的回報，比如做出了很多人喜愛的編程軟件，比如攻克了困擾編程社區(qū)的難題等。正如《黑客與畫家》一書中所說，程序員是和畫家一樣的創(chuàng)作者。無窮的創(chuàng)造機會，正是編程的一大魅力所在。編程是人與機器互動的基本方式。人們通過編程來操縱機器。從18世紀(jì)的工業(yè)革命開始，人們逐漸擺脫了手工業(yè)的生產(chǎn)方式，開始轉(zhuǎn)向機器生產(chǎn)。機器最開始用于棉紡工業(yè)，一開始紡出的紗線質(zhì)量比不上手工紡制的。但機器可以晝夜工作，不知疲倦，產(chǎn)量也是驚人。因此，到了18世紀(jì)末，全球大部分的棉布都變成了機器生產(chǎn)。如今，機器在生活中已經(jīng)屢見不鮮。人工智能這樣的“軟性機器”，也越來越多地進(jìn)入生產(chǎn)和生活。工人用機器來制造手機、醫(yī)生操縱機器來進(jìn)行微創(chuàng)手術(shù)、交易員用機器進(jìn)行高頻的股票交易。殘酷一點講，對機器的調(diào)配和占有能力，將會取代血統(tǒng)和教育，成為未來階級區(qū)分的衡量標(biāo)準(zhǔn)。這也是編程教育變得越來越重要的原因。機器世界的變化，正在改變世界的工作格局。重復(fù)性工作消亡，程序員的需求量卻在不斷加大。很多人都在自學(xué)編程，以便跟上潮流。幸好，編程也變得越來越簡單。從匯編語言，到C語言，再到Python語言，編程語言越來越親民。以Python為例，在豐富的模塊支持下，一個功能的實現(xiàn)只需要寥寥幾個接口的調(diào)用，不需要費太多工夫。我們之前所說的封裝，也是把功能給打包成規(guī)范的接口，讓別人用起來覺得簡單。編程用精準(zhǔn)的機器為大眾提供了一個規(guī)范化的使用接口，無論這個接口是快速安全的支付平臺，還是一個簡單快捷的訂票網(wǎng)站。這種封裝和接口的思維反映在社會生活的很多方面。因此，學(xué)習(xí)編程也是理解當(dāng)代生活的一個必要步驟。1.3為什么學(xué)Python正如1.2節(jié)所說，高級語言的關(guān)鍵是封裝，讓程序編寫變得簡單。Python正是因為在這一點上做得優(yōu)秀，才成為主流編程語言之一。Python的使用相當(dāng)廣泛，是Google的第三大開發(fā)語言，也是Dropbox、Quora、Pinterest、豆瓣等網(wǎng)站主要使用的語言。在很多科研領(lǐng)域，如數(shù)學(xué)、人工智能、生物信息、天體物理等，Python都應(yīng)用廣泛，漸有一統(tǒng)天下的勢頭。當(dāng)然，Python的成功并非一蹴而就。它從誕生開始，已經(jīng)經(jīng)歷了二三十年的發(fā)展?；仡橮ython的歷史，我們不但可以了解Python的發(fā)展歷程，還能理解Python的哲學(xué)和理念。Python的作者是吉多·范·羅蘇姆（GuidovonRossum）。羅蘇姆是荷蘭人。1982年，他從阿姆斯特丹大學(xué)（UniversityofAmsterdam）獲得了數(shù)學(xué)和計算機碩士學(xué)位。然而，盡管他算得上是一位數(shù)學(xué)家，但他更加享受計算機帶來的樂趣。用他的話說，盡管擁有數(shù)學(xué)和計算機雙料資質(zhì)，但他總是趨向于做計算機相關(guān)的工作，并熱衷于做任何和編程相關(guān)的活兒。在編寫Python之前，羅蘇姆接觸并使用過諸如Pascal、C、Fortran等語言。這些語言的關(guān)注點是讓程序更快運行。在20世紀(jì)80年代，雖然IBM和蘋果已經(jīng)掀起了個人電腦浪潮，但這些個人電腦的配置在今天看來十分低下。早期的蘋果電腦只有8MHz的CPU主頻和128KB的內(nèi)存，稍微復(fù)雜一點的運算就能讓電腦死機。因此，當(dāng)時編程的核心是優(yōu)化，讓程序能夠在有限的硬件性能下順利運行。為了增進(jìn)效率，程序員不得不像計算機一樣思考，以便能寫出更符合機器口味的程序。他們恨不得用手榨取計算機的每一寸能力。有人甚至認(rèn)為C語言的指針是在浪費內(nèi)存。至于我們現(xiàn)在編程經(jīng)常使用的高級特征，如動態(tài)類型、內(nèi)存自動管理、面向?qū)ο蟮?，在那個時代只會讓電腦陷入癱瘓。然而，以性能為唯一關(guān)注點的編程方式讓羅蘇姆感到苦惱。即使他在腦子中清楚知道如何用C語言來實現(xiàn)一個功能，但整個編寫過程仍然需要耗費大量的時間。相對于C語言，羅蘇姆更喜歡Shell實現(xiàn)功能的方式。UNIX系統(tǒng)的管理員們常常用Shell去寫一些簡單的腳本，以進(jìn)行一些系統(tǒng)維護的工作，比如定期備份、文件系統(tǒng)管理，等等。Shell可以像膠水一樣，將UNIX下的許多功能連接在一起。許多C語言下數(shù)百行的程序，在Shell下只用幾行就可以完成。然而，Shell的本質(zhì)是調(diào)用命令，它并不是一個真正的語言。比如說，Shell數(shù)據(jù)類型單一、運算復(fù)雜等。總之，Shell不是一個合格的通用程序語言。羅蘇姆希望有一種通用程序語言，既能像C語言那樣調(diào)用計算機所有的功能接口，又能像Shell那樣輕松地編程。最早讓羅蘇姆看到希望的是ABC語言。ABC語言是由荷蘭的數(shù)學(xué)和計算機研究所（CentrumWiskunde＆Informatica）開發(fā)的。這家研究所是羅蘇姆上班的地方，因此羅蘇姆正好能參與ABC語言的開發(fā)。ABC語言以教學(xué)為目的。與當(dāng)時的大部分語言不同，ABC語言的目標(biāo)是“讓用戶感覺更好”。ABC語言希望讓語言變得容易閱讀、容易使用、容易記憶和容易學(xué)習(xí)，以此來激發(fā)人們學(xué)習(xí)編程的興趣。比如，下面是一段來自維基百科的ABC程序，這個程序用于統(tǒng)計文本中出現(xiàn)的詞的總數(shù)：

HOWTORETURNwordsdocument:

PUT{}INcollection

FORlineINdocument:

FORwordINsplitline:

IFwordnot.incollection:

INSERTwordINcollection

RETURNcollection

HOWTO用于定義一個函數(shù)，ABC語言使用冒號和縮進(jìn)來表示程序塊\h\h(1)，行尾沒有分號，for和if結(jié)構(gòu)中沒有括號。上面的程序讀起來就像一段自然的文字。盡管已經(jīng)具備了良好的可讀性和易用性，但ABC語言并未流行起來。在當(dāng)時，ABC語言編譯器需要比較高配置的電腦才能運行。在那個時代，高配置電腦是稀罕物，其使用者往往精通計算機。這些人更在意程序的效率，而非語言的學(xué)習(xí)難度。除了性能，ABC語言的設(shè)計還存在一些致命的問題：可拓展性差。ABC語言不是模塊化語言。如果想在ABC語言中增加功能，比如對圖形化的支持，就必須改動很多地方。不能直接進(jìn)行輸入輸出。ABC語言不能直接操縱文件系統(tǒng)。盡管你可以通過諸如文本流的方式導(dǎo)入數(shù)據(jù)，但ABC語言無法直接讀寫文件。輸入輸出的困難對于計算機語言來說是致命的。你能想像一個打不開車門的跑車么？過度革新。ABC語言用自然語言的方式來表達(dá)程序的含義，比如上面程序中的HOWTO（如何）。然而對于掌握了多種語言的程序員來說，他們更習(xí)慣用function或者define來定義一個函數(shù)。同樣，程序員也習(xí)慣了用等號（=）來分配變量。革新盡管讓ABC語言顯得特別，但實際上增加了程序員的學(xué)習(xí)難度。傳播困難。ABC編譯器很大，必須被保存在磁帶（tape）上。羅蘇姆在學(xué)術(shù)交流時，就必須用一個大磁帶來給別人安裝ABC編譯器。這使得ABC語言很難快速傳播。1989年，為了打發(fā)圣誕節(jié)假期，羅蘇姆開始寫Python語言的編譯/解釋器。Python這個詞在英文中的意思是蟒蛇。但羅蘇姆選擇這個名字的原因與蟒蛇無關(guān)，而是來源于他摯愛的一部電視劇\h\h(2)。他希望這個新的叫作Python的語言，能實現(xiàn)他的理念。也就是一種在C和Shell之間，功能全面、易學(xué)易用、可拓展的語言。羅蘇姆作為一名語言設(shè)計愛好者，已經(jīng)有過設(shè)計語言的的嘗試。雖然上次的語言設(shè)計并不成功，但羅蘇姆依然樂在其中。這一次設(shè)計Python語言，也不過是他又一次尋找樂趣的小創(chuàng)造。1991年，第一個Python編譯/解釋器誕生。它是用C語言實現(xiàn)的，能夠調(diào)用C語言生成的動態(tài)鏈接庫\h\h(3)。從一出生，Python就已經(jīng)具有了一直保持到現(xiàn)在的基本語法：類（class）、函數(shù)（function）、異常處理（exception）、包括表（list）和詞典（dictionary）在內(nèi)的核心數(shù)據(jù)類型，以及模塊（module）為基礎(chǔ)的拓展系統(tǒng)。圖1-3最初的Python圖標(biāo)Python語法很多來自C，但又受到ABC語言的強烈影響。Python像ABC語言一樣，比如用縮進(jìn)代替花括號，從而保證程序更易讀（readability）。羅蘇姆認(rèn)為，程序員讀代碼的時間要遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于寫代碼的時間。強制縮進(jìn)能讓代碼更清晰易讀，應(yīng)該予以保留。但與ABC語言不同的是，羅蘇姆同樣重視實用性（practicality）。在保證易讀性的前提下，Python會乖巧地服從其他語言中已有的一些語法慣例。Python用等號賦值，與多數(shù)語言保持一致。它使用def來定義函數(shù)，而不是像ABC語言那樣使用生僻的HOWTO。羅蘇姆認(rèn)為，如果是“常識”上已確立的東西，就沒有必要過度創(chuàng)新。Python還特別在意可拓展性（extensibility），這是羅蘇姆實用主義原則的又一體現(xiàn)。Python可以在多個層次上拓展。從高層上，你可以引入其他人編寫的Python文件，來為自己的代碼拓展功能。如果出于性能考慮，你還可以直接引入C和C++語言編譯出的庫。由于C和C++語言在代碼方面的多年儲備，Python相當(dāng)于站在了巨人的肩膀上。Python就像是使用鋼構(gòu)建房一樣，先規(guī)定好大的框架，再借著模塊系統(tǒng)給程序員以自由發(fā)揮的空間。最初的Python完全由羅蘇姆本人開發(fā)。由于Python隱藏了許多機器層面上的細(xì)節(jié)，并凸顯出了邏輯層面的編程思考，所以這個好用的語言得到了羅蘇姆同事的歡迎。同事們在工作中樂于使用Python，然后向羅蘇姆反饋使用意見，其中不少人都參與到語言的改進(jìn)。羅蘇姆和他的同事構(gòu)成了Python的核心團隊，他們將自己大部分的業(yè)余時間都奉獻(xiàn)給了Python。Python也逐漸從羅蘇姆的同事圈傳播到其他科研機構(gòu)，慢慢用于學(xué)術(shù)圈之外的程序開發(fā)。Python的流行與計算機性能的大幅提高密不可分。20世紀(jì)90年代初，個人計算機開始進(jìn)入普通家庭。英特爾發(fā)布了486處理器，成為第四代處理器的代表。1993年，英特爾又推出了性能更好的奔騰處理器。計算機的性能大大提高。程序員不必再費盡心力提高程序效率，開始越來越關(guān)注計算機的易用性。微軟發(fā)布Windows3.0開始的一系列視窗系統(tǒng)，用方便的圖形化界面吸引了大批普通用戶。那些能快速生產(chǎn)出軟件的語言成為新的明星，比如運行在虛擬機上的Java。Java完全基于面向?qū)ο蟮木幊谭妒?，能在犧牲性能的代價下，提高程序的產(chǎn)量。Python的步伐落后于Java，但它的易用性同樣符合時代潮流。前面說過，ABC語言失敗的一個重要原因是硬件的性能限制。從這方面來說，Python要比ABC語言幸運許多。另一個悄然發(fā)生的改變是互聯(lián)網(wǎng)。20世紀(jì)90年代還是個人電腦的時代，微軟和英特爾挾PC以令天下，幾乎壟斷了個人電腦市場。當(dāng)時，大眾化的信息革命尚未到來，但對于近水樓臺的程序員來說，互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)是平日里常用的工具。程序員率先使用互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行交流，如電子郵件和新聞組。互聯(lián)網(wǎng)讓信息交流成本大大降低，也讓有共同愛好的人能夠跨越地理限制聚合起來。以互聯(lián)網(wǎng)的通信能力為基礎(chǔ)，開源（OpenSource）的軟件開發(fā)模式變得流行。程序員利用業(yè)余時間進(jìn)行軟件開發(fā)，并開放源代碼。1991年，林納斯·托瓦茲在comp.os.minix新聞組上發(fā)布了Linux內(nèi)核源代碼，吸引了大批程序員加入開發(fā)工作，引領(lǐng)了開源運動的潮流。Linux和GNU相互合作，最終構(gòu)成了一個充滿活力的開源平臺。羅蘇姆本人也是一位開源先鋒，他維護了一個郵件列表，并把早期的Python用戶都放在里面。早期Python用戶就可以通過郵件進(jìn)行群組交流。這些用戶大多都是程序員，有相當(dāng)優(yōu)秀的開發(fā)能力。他們來自許多領(lǐng)域，有不同的背景，對Python也提出了各種各樣的功能需求。由于Python相當(dāng)開放，又容易拓展，所以當(dāng)一個人不滿足于現(xiàn)有功能時，他很容易對Python進(jìn)行拓展或改造。隨后，這些用戶將改動發(fā)給羅蘇姆，由他決定是否將新的特征加入到Python中\(zhòng)h\h(4)。如果代碼能被采納，將會是極大的榮譽。羅蘇姆本人的角色越來越偏重于框架的制定。如果問題太復(fù)雜，則羅蘇姆會選擇繞過去，也就是走捷徑（cutthecorner），把其留給社區(qū)的其他人解決。就連創(chuàng)建網(wǎng)站\h\h(5)、籌集基金\h\h(6)這樣的事情，也有人樂于處理。社區(qū)日漸成熟，開發(fā)工作被整個社區(qū)分擔(dān)。Python的一個理念是自帶電池（BatteryIncluded）。也就是說，Python已經(jīng)有了功能豐富的模塊。所謂模塊，就是別人已經(jīng)編寫好的Python程序，能實現(xiàn)一定的功能。一個程序員在編程時不需要重復(fù)造輪子，只需引用已有的模塊即可。這些模塊既包括Python自帶的標(biāo)準(zhǔn)庫，也包括了標(biāo)準(zhǔn)庫之外的第三方庫。這些“電池”同樣是整個社區(qū)的貢獻(xiàn)。Python的開發(fā)者來自于不同領(lǐng)域，他們將不同領(lǐng)域的優(yōu)點帶給Python。Python標(biāo)準(zhǔn)庫中的正則表達(dá)（regularexpression）參考了Perl，函數(shù)式編程的相關(guān)語法則參考了Lisp語言，兩者都來自于社區(qū)的貢獻(xiàn)。Python在簡明的語法框架下，提供了豐富的武器庫。無論是建立一個網(wǎng)站，制作一個人工智能程序，還是操縱一個可穿戴設(shè)備，都可以借助已有的庫再加上簡短的代碼實現(xiàn)。這恐怕是Python程序員最幸福的地方了。當(dāng)然，Python也有讓人痛苦的地方。Python當(dāng)前最新的版本是3，但Python3與Python2不兼容。由于很多現(xiàn)存的代碼是Python2編寫的，所以從版本2到版本3的過渡并不容易。許多人選擇了繼續(xù)使用Python2。有人開玩笑說，Python2的版本號會在未來增加到2.7.31415926。除了版本選擇上的問題，Python的性能也不時被人詬病。Python的運算性能低于C和C++，我們會在本書中提及其原因。盡管Python也在提高自身的性能，但性能的差距會一直存在。不過從Python的發(fā)展歷史來看，類似的批判其實是吹毛求疵。Python本身就是用性能來交換易用性，走的就是和C、C++相反的方向。說一個足球前鋒的守門技術(shù)不好，并沒有太大的意義。對于初學(xué)編程的人來說，從Python開始學(xué)習(xí)編程的好處很多，如上面已經(jīng)提到的語法簡單和模塊豐富。國外許多大學(xué)的計算機導(dǎo)論課程，都開始選擇Python作為課程語言，替代了過去常用的C或Java。但如果把Python當(dāng)作所謂的“最好的語言”，希望學(xué)一門Python就成為“萬人敵”，則是一種幻想。每個語言都有它優(yōu)秀的地方，但也有各種各樣的缺陷。一個語言“好與不好”的評判，還受制于平臺、硬件、時代等外部原因。更進(jìn)一步，很多開發(fā)工作需要特定的語言，比如用Java來編寫安卓應(yīng)用，用Objective-C或Swift來編寫蘋果應(yīng)用。無論從哪一門語言學(xué)起，最終都不會拘泥于初學(xué)的那門語言。只有博彩眾家，才能讓編程的創(chuàng)造力自由發(fā)揮。1.4最簡單的HelloWorldPython的安裝很方便，可以參考本章的附錄A。運行Python的方式有兩種。如果你想嘗試少量程序，并立即看到結(jié)果，則可以通過命令行（CommandLine）來運行Python。所謂的命令行，就是一個等著你用鍵盤來打字的小輸入欄，可以直接與Python對話。按照附錄A的方法啟動命令行，就進(jìn)入了Python。通常來說，命令行都會有>>>字樣的提示符，提醒你在提示符后面輸入。你輸入的Python語句會被Python的解釋器（interpreter）\h\h(7)轉(zhuǎn)化成計算機指令。我們現(xiàn)在執(zhí)行一個簡單的操作：讓計算機屏幕顯示出一行字。在命令行提示符后面輸入下列文字，并按鍵盤上的回車鍵（Enter）確認(rèn)：

>>>print("HelloWorld!")

可以看到，屏幕上會隨后顯示：

HelloWorld!

輸入的print是一個函數(shù)的名稱。函數(shù)有特定的功能，print()函數(shù)的功能就是在屏幕上打印出字符。函數(shù)后面有一個括號，里面說明了想要打印的字符是"HelloWorld!"。括號里的一對雙引號并沒有打印在屏幕上。這一對雙引號的作用是從print之類的程序文本中出標(biāo)記出普通字符，以免計算機混淆。也可以用一對單引號替換雙引號。使用Python的第二種方式是寫一個程序文件（ProgramFile）。Python的程序文件以.py為后綴，它可以用任何文本編輯器來創(chuàng)建和編寫。附錄A中說明了不同操作系統(tǒng)下常用的文本編輯器。創(chuàng)建文件hello.py，寫入如下內(nèi)容，并保存：

print("HelloWorld!")

可以看到，這里的程序內(nèi)容和用命令行時一模一樣。與命令行相比，程序文件適用于編寫和保存量比較大的程序。運行程序文件hello.py，可以看到Python同樣在屏幕上打印出了HelloWorld!。程序文件的內(nèi)容和命令行里敲入的內(nèi)容一模一樣，產(chǎn)生的效果也一樣。與命令行直接輸入程序相比，程序文件更容易保存和更改，所以常用于編寫大量程序。程序文件的另一個好處是可以加入注釋（comments）。注釋是一些文字，用來解釋某一段程序，也方便其他程序員了解這段程序。所以，注釋的內(nèi)容并不會被當(dāng)作程序執(zhí)行。在Python的程序文件中，每一行中從#開始的文字都是注釋，我們可以給hello.py加注釋：

print("HelloWorld!")#displaytextonthescreen

如果注釋的內(nèi)容較多，在一行里面放不下，那么可以用多行注釋（multilinecomments）的方法：

"""

Author:Vamei

Function:displaytextonthescreen

"""

print('HelloWorld!')

多行注釋的標(biāo)志符是三個連續(xù)的雙引號。多行注釋也可以使用三個連續(xù)的單引號。兩組引號之間的內(nèi)容，就是多行注釋的內(nèi)容。無論是想要打印的字符，還是用于注釋的文字，都可以是中文。如果在Python2中使用中文，則需要在程序開始之前加上一行編碼信息，以說明程序文件中使用了支持中文的utf-8編碼。在Python3中不需要這一行信息。

#-

*

-coding:utf-8-

*

-

print("你好，世界！")#在屏幕上顯示文字

就這樣，我們寫出了一個非常簡單的Python程序。不要小看了這個程序。在實現(xiàn)這個程序的過程中，你的計算機進(jìn)行了復(fù)雜的工作。它讀取了程序文件，在內(nèi)存中分配了空間，進(jìn)行了許多運算和控制，最終才控制屏幕的顯像原件，讓它顯示出一串字符。這個程序的順利運行，說明計算機硬件、操作系統(tǒng)和語言編譯器都已經(jīng)安裝并設(shè)置好。因此，程序員編程的第一個任務(wù)，通常都是在屏幕上打印出HelloWorld\h\h(8)。第一次遇見Python的世界，就用HelloWorld和它打聲招呼吧。附錄APython的安裝與運行1．官方版本安裝1）MacMac系統(tǒng)上已經(jīng)預(yù)裝了Python，可以直接使用。如果想要使用其他版本的Python，建議使用Homebrew安裝\h\h(9)。打開終端（Terminal），在命令行提示符后輸入下面命令后，將進(jìn)入Python的可以互動的命令行：

$python

上面輸入的python通常是一個軟鏈接，指向某個版本的Python命令，如3.5版本。如果相應(yīng)版本已經(jīng)安裝，那么可以用下面的方式來運行：

$python3.5

終端會出現(xiàn)Python的相關(guān)信息，如Python的版本號，然后就會出現(xiàn)Python的命令行提示符>>>。如果想要退出Python，則輸入：

>>>exit()

如果想要運行當(dāng)前目錄下的某個Python程序文件，那么在python或python3后面加上文件的名字：

$pythonhello.py

如果文件不在當(dāng)前目錄下，那么需要說明文件的完整路徑，如

$python/home/vamei/hello.py

我們還可以把Python程序hello.py改成一個可執(zhí)行的腳本。只需在hello.py的第一行加上所要使用的Python解釋器：

#!/usr/bin/envpython

在終端中，把hello.py的權(quán)限改為可執(zhí)行：

$chmod755hello.py

然后在命令行中，輸入程序文件的名字，就可以直接使用規(guī)定的解釋器運行了：

$./hello.py

如果hello.py在默認(rèn)路徑下，那么系統(tǒng)就可以自動搜索到這個可執(zhí)行文件，就可以在任何路徑下運行這個文件了：

$hello.py

2）Linux操作系統(tǒng)Linux系統(tǒng)與Mac系統(tǒng)比較類似，大多也預(yù)裝了Python。很多Linux系統(tǒng)下都提供了類似于Homebrew的軟件管理器，例如在Ubuntu下使用下面命令安裝：

$sudoapt-getinstallpython

在Linux下，Python的使用和運行方式也和Mac系統(tǒng)下類似，這里不再贅述。3）Windows操作系統(tǒng)對于Windows操作系統(tǒng)來說，需要到Python的官方網(wǎng)站\h\h(10)下載安裝包。如果無法訪問Python的官網(wǎng)，那么可以通過搜索引擎查找“pythonWindows下載”這樣的關(guān)鍵字，來尋找其他的下載源。安裝過程與安裝其他Windows軟件類似。在安裝界面中，選擇Customize來個性化安裝，除了選擇Python的各個組件外，還要勾選：

Addpython.exetoPath

安裝好之后，就可以打開Windows的命令行，像在Mac中一樣使用Python了。2．其他Python版本官方版本的Python主要提供了編譯/解釋器功能。其他一些非官方版本則有更加豐富的功能和界面，比如更加友好的圖形化界面、一個針對Python的文本編輯器，或者是一個更容易使用的模塊管理系統(tǒng)，方便你找到各種拓展模塊等。在非官方的Python中，最常用的有下面兩個：1）Anaconda\h\h(11)2）EnthoughtPythonDistribution（EPD）\h\h(12)相對于官方版本的Python來說，這兩個版本都更容易安裝和使用。在模塊管理系統(tǒng)的幫助下，程序員還可以避免模塊安裝方面的惱人問題。所以非常推薦初學(xué)者使用。Anaconda是免費的，EPD則對于學(xué)生和科研人員免費。由于提供了圖形化界面，因此它們的使用方法也相當(dāng)直觀。我強烈建議初學(xué)者從這兩個版本中挑選一個使用。具體用法可以參考官方文檔，這里不再贅述。附錄Bvirtualenv一臺計算機中可以安裝多個版本的Python，而使用virtualenv則可給每個版本的Python創(chuàng)造一個虛擬環(huán)境。下面就使用Python附帶的pip\h\h(13)來安裝virtualenv：

$pipinstallvirtualenv

你可以為計算機中某個版本的Python創(chuàng)建一個虛擬空間，比如：

$virtualenv–p/usr/bin/python3.5myenv

上面的命令中，/usr/bin/python3.5是解釋器所在的位置，myenv是新建的虛擬環(huán)境的名稱。下面命令可開始使用myenv這個虛擬環(huán)境：

$sourcemyenv/bin/activate

使用下面命令可退出虛擬環(huán)境：

$deactivate

————————————————————\h(1)很多語言使用{}來表示程序塊，比如C、Java和JavaScript。\h(2)這部電視劇是《蒙提·派森的飛行馬戲團》（MontyPython'sFlyingCircus）。這部英國喜劇在當(dāng)時廣受歡迎。蒙提·派森是主創(chuàng)劇團的名字。Python即來自這里的“派森”。\h(3)即.so文件。\h(4)羅蘇姆充當(dāng)了社區(qū)的決策者。因此，他被稱為仁慈的獨裁者（BenevolentDictatorForLife）。在Python早期，不少Python追隨者擔(dān)心羅蘇姆的生命。他們甚至熱情討論：如果羅蘇姆出了車禍，Python會怎樣。\h(5)\h(6)PythonSoftwareFoundation\h(7)Python的解釋器是一個運行著的程序。它可以把Python語句一行一行地直接轉(zhuǎn)譯運行。\h(8)HelloWorld!之所以流行，是因為它被經(jīng)典編程教材《C程序設(shè)計語言》用作例子。\h(9)Homebrew是Mac下的軟件包管理工具，其官方網(wǎng)址為：http://brew.sh/。\h(10)Python官網(wǎng)：。\h(11)Anaconda官網(wǎng)：www.continuum.io。\h(12)EPD官網(wǎng)：/products/epd/。\h(13)將在第3章的附錄部分進(jìn)一步講解pip的使用。第2章先做鍵盤俠2.1計算機會算術(shù)2.2計算機記性好2.3計算機懂選擇2.4計算機能循環(huán)附錄A小練習(xí)附錄B代碼規(guī)范本章將講述運算、變量、選擇結(jié)構(gòu)和循環(huán)結(jié)構(gòu)。常見的高級語言都提供這些語法。利用這些語法，我們也能利用計算機實現(xiàn)一些小型的程序，從而讓編程立即應(yīng)用于生活。例如，平時做數(shù)學(xué)運算，可以習(xí)慣性地用Python的命令行做計算器。敲幾行程序，實現(xiàn)一個小功能，就已經(jīng)能讓人享受編程的樂趣了。2.1計算機會算術(shù)1．?dāng)?shù)值運算既然名為“計算機”，那么數(shù)學(xué)計算自然是計算機的基本功。Python中的運算功能簡單且符合直覺。打開Python命令行，輸入如下的數(shù)值運算，立刻就能進(jìn)行運算：

>>>1+9#加法。結(jié)果為10

>>>1.3–4#減法。結(jié)果為-2.7

>>>3

*

5#乘法。結(jié)果為15

>>>4.5/1.5#除法。結(jié)果為3.0

>>>3

**

2#乘方，即求3的二次方。結(jié)果為9

>>>10%3#求余數(shù)，就求10除以3的余數(shù)。結(jié)果為1

有了這些基礎(chǔ)運算后，我們就可以像用一個計算器一樣使用Python。以買房為例。一套房產(chǎn)的價格為86萬元，購買時需要付15%的稅，此外還要向銀行支付20%的首付。那么我們可以用下面代碼計算出需要準(zhǔn)備的現(xiàn)金：

>>>860000

*

(0.15+0.2)#結(jié)果為301000.0，即30萬1千元

除了常見的數(shù)值運算，字符串也能進(jìn)行加法運算。其效果是把兩個字符串連成一個字符串：

>>>"Vameisay:"+"HelloWorld"#連接成"Vameisay:HelloWorld!"

一個字符串還能和一個整數(shù)進(jìn)行乘法運算：

>>>"Vamei"

*

2#結(jié)果為"VameiVamei"

一個字符串與一個整數(shù)n相乘的話，會把該字符串重復(fù)n次。2．邏輯運算除了進(jìn)行數(shù)值運算外，計算機還能進(jìn)行邏輯運算。如果玩過殺人游戲，或者喜歡偵探小說，那么就很容易理解邏輯。就好像偵探福爾摩斯一樣，我們用邏輯去判斷一個說法的真假。一個假設(shè)性的說法被稱為命題，比如說“玩家甲是殺手”。邏輯的任務(wù)就是找出命題的真假。第1章中已經(jīng)提到，計算機采用了二進(jìn)制，即用0和1來記錄數(shù)據(jù)。計算機之所以采用二進(jìn)制，是有技術(shù)上的原因。許多組成計算機的原件，都只能表達(dá)兩個狀態(tài)，比如電路的開和關(guān)、或者電壓的高和低。這樣造出的系統(tǒng)也相對穩(wěn)定。如果使用十進(jìn)制，那么某些計算機原件就要有10個狀態(tài)，比如把電壓分成十個檔。那樣的話，系統(tǒng)就會變得復(fù)雜且容易出錯。在二進(jìn)制體系下，可以用1和0來代表“真”和“假”兩種狀態(tài)。在Python中，我們使用True和False兩個關(guān)鍵字來表示真假。True和False這樣的數(shù)據(jù)被稱為布爾值（Boolean）。有的時候，我們需要進(jìn)一步的邏輯運算，從而判斷復(fù)雜命題的真假。比如第一輪時我知道了“玩家甲不是殺手”為真，第二輪我知道了“玩家乙不是殺手”也是真。那么在第三輪時，如果有人說“玩家甲不是殺手，而且玩家乙也不是殺手”，那么這個人就是在說真話。用“而且”連接起來的兩個命題分別為真，那么整體命題就是真。無形中，我們進(jìn)行了一次“與”的邏輯運算。在“與”運算中，兩個子命題必須都為真時，用“與”連接起來的復(fù)合命題才是真?！芭c”運算就像是接連的兩座橋，必須兩座橋都通暢，才能過河，如圖2-1所示。以“中國在亞洲，而且英國也在亞洲”這個命題為例?！坝趤喼蕖边@個命題是假的，所以整個命題就是假的。在Python中，我們用and來表示“與”的邏輯運算。

>>>TrueandTrue#結(jié)果為True

>>>FalseandTrue#結(jié)果為False

>>>FalseandFalse#結(jié)果為False

圖2-1“與”和“或”運算我們還可以用“或者”把兩個命題復(fù)合在一起。與咄咄逼人的“而且”關(guān)系相比，“或者”顯得更加謙遜。比如在“中國在亞洲，或者英國在亞洲”這個說法中，說話的人就給自己留了余地。由于這句話的前一半是對的，所以整個命題就是真的?！盎蛘摺本蛯?yīng)了“或”邏輯運算。在“或”運算中，只要有一個命題為真，那么用“或”連接起來的復(fù)合命題就是真?！盎颉边\算就像并行跨過河的兩座橋，任意一座通暢，就能讓行人過河。Python用or來進(jìn)行“或”的邏輯運算。

>>>TrueorTrue#結(jié)果為True

>>>TrueorFalse#結(jié)果為True

>>>FalseorFalse#結(jié)果為False

最后，還有一種稱為非的邏輯運算，其實就是對一個命題求反。比如“甲不是殺手”為真，那么“甲是殺手”這個反命題就是假。Python使用not這個關(guān)鍵字來表示非運算，比如：

>>>notTrue#結(jié)果為False

3．判斷表達(dá)式上面的邏輯運算看起來似乎只是些生活經(jīng)驗，完全不需要計算機這樣的復(fù)雜工具。加入判斷表達(dá)式之后，邏輯運算方能真正顯示出它的威力。判斷表達(dá)式其實就是用數(shù)學(xué)形式寫出來的命題。比如“1等于1”，寫在Python里就是：

>>>1==1#結(jié)果為True

符號==表示了相等的關(guān)系。此外，還有其他的判斷運算符：

>>>8.0!=8.0#!=,不等于

>>>4<5#<,小于

>>>3<=3#<=,小于或等于

>>>4>5#>,大于

>>>4>=0#>=,大于等于

這些判斷表達(dá)式都很簡單。即使不借助Python，也能很快在頭腦中得出它們的真假。但如果把數(shù)值運算、邏輯運算和判斷表達(dá)式放在一起，就能體現(xiàn)出計算機的優(yōu)勢了。還是用房貸的例子，房產(chǎn)價格86萬元，稅率15%，首付20%。假如我手里有40萬元的現(xiàn)金。出于稅務(wù)原因，我還希望自己付的稅款低于13萬元，那么是否還可以買這套房子？這個問題可以借用Python進(jìn)行計算。

>>>860000

*

(0.15+0.2)<=400000and860000

*

0.15<130000

答案是True，可以買房！4．運算優(yōu)先級如果一個表達(dá)式中出現(xiàn)多個運算符，就要考慮運算優(yōu)先級的問題。不同的運算符號優(yōu)先級不同。運算符可以按照優(yōu)先級先后歸為：

乘方：

**

乘除：

*

/

加減：+-

判斷：==>>=<<=

邏輯：!andor

如果是相同優(yōu)先級的運算符，那么Python會按照從左向右的順序進(jìn)行運算，比如：

>>>4+2-1#先執(zhí)行加法，再執(zhí)行減法。結(jié)果為5

如果有優(yōu)先級高的運算符，Python會打破從左向右的默認(rèn)次序，先執(zhí)行優(yōu)先級高的運算，比如：

>>>4+2

*

2#先執(zhí)行乘法，再執(zhí)行加法。結(jié)果為8

括號會打破運算優(yōu)先級。如果有括號存在，會先進(jìn)行括號中的運算：

>>>(4+2)

*

2#先執(zhí)行加法，再執(zhí)行乘法。結(jié)果為12

2.2計算機記性好1．變量革命上面的運算中出現(xiàn)的數(shù)據(jù)，無論是1和5.2這樣的數(shù)值，還是True和False這樣的布爾值，都會在運算結(jié)束后消失。有時，我們想把數(shù)據(jù)存儲到存儲器中，以便在后面的程序中重復(fù)使用。計算機存儲器中的每個存儲單元都有一個地址，就像是門牌號。我們可以把數(shù)據(jù)存入特定門牌號的隔間，然后通過門牌號來提取之前存儲的數(shù)據(jù)。但用內(nèi)存地址來為存儲的地址建索引，其實并不方便：內(nèi)存地址相當(dāng)冗長，難以記憶。每個地址對應(yīng)的存儲空間大小固定，難以適應(yīng)類型多變的數(shù)據(jù)。對某個地址進(jìn)行操作前，并不知道該地址的存儲空間是否已經(jīng)被占用。隨著編程語言的發(fā)展，開始有了用變量的方式來存儲數(shù)據(jù)。變量和內(nèi)存地址類似，也起到了索引數(shù)據(jù)的功能。新建變量時，計算機在空閑的內(nèi)存中開辟存儲空間，用來存儲數(shù)據(jù)。和內(nèi)存地址不同的是，根據(jù)變量的類型，分配的存儲空間會有大小變化。程序員給變量起一個變量名，在程序中作為該變量空間的索引。數(shù)據(jù)交給變量，然后在需要的時候通過變量的名字來提取數(shù)據(jù)。比如下面的Python程序：

v="Vivian"

print(v)#打印出"Vivian"

在上面的程序中，我們把數(shù)值10交給變量v保存，這個過程稱為賦值（Assignment）。Python中用等號=來表示賦值。借助賦值，一個變量就建立了。從硬件的角度來看，給變量賦值的過程，就是把數(shù)據(jù)存入內(nèi)存的過程。變量就像能裝數(shù)據(jù)的小房間，變量名是門牌號。賦值操作是讓某個客人前往該房間?！白孷ivian入住到v字號房?！痹陔S后的加法運算中，我們通過變量名v取出了變量所包含的數(shù)據(jù)，然后通過print()打印出來。變量名是從內(nèi)存中找到對應(yīng)數(shù)據(jù)的線索。有了存儲功能，計算機就不會犯“失憶癥”了?！皏字號房住的是誰？”“是Vivian呀。”酒店的房間會有不同的客人入住或離開。變量也是如此。我們可以給一個變量賦其他的值。這樣，房間里的客人就變了。

v="Tom"

print(v)#打印出"Tom"

在計算機編程時，經(jīng)常設(shè)置許多變量，讓每個變量存儲不同功能的數(shù)據(jù)。例如，電腦游戲中可能記錄玩家擁有的不同資源的數(shù)目，就可以用不同的變量記錄不同的資源。

gold=100#100個金子

wood=20#20個木材

wheat=29#29個小麥

在游戲過程中，可以根據(jù)情況增加或者減少某種資源。例如，玩家選擇伐木，就增加5個木材。這個時候，就可以對相應(yīng)變量執(zhí)行加5的操作。

wood=wood+5

print(wood)#打印出25

計算機先執(zhí)行賦值符號右邊的運算。原有的變量值加5，再賦予給同一個變量。在游戲進(jìn)行的整個過程中，變量wood起到了追蹤木材數(shù)據(jù)的作用。玩家的資源數(shù)據(jù)被妥善地存儲起來。變量名直接參與運算，這是邁向抽象思維的第一步。在數(shù)學(xué)上，用符號來代替數(shù)值的做法稱為代數(shù)。今天的很多中學(xué)生都會列出代數(shù)方程，來解決“雞兔同籠”之類的數(shù)學(xué)問題。但在古代，代數(shù)是相當(dāng)先進(jìn)的數(shù)學(xué)。歐洲人從阿拉伯人那里學(xué)到了先進(jìn)的代數(shù)，利用代數(shù)的符號系統(tǒng)，擺脫了具體數(shù)值的桎梏，更加專注于邏輯和符號之間的關(guān)系。在代數(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展出近代數(shù)學(xué)，為近代的科技爆炸打下了基礎(chǔ)。變量也讓編程有了更高一層的抽象能力。變量提供的符號化表達(dá)方式，是實現(xiàn)代碼復(fù)用的第一步。比如之前計算購房所需現(xiàn)金的代碼：

860000

*

(0.15+0.2)

當(dāng)我們同時看多套房時，860000這個價格會不斷變動。為了方便，我們可以把程序?qū)懗桑?/p>

total=860000

requirement=total

*

(0.15+0.2)

print(requirement)#打印結(jié)果301000.0

這樣，每次在使用程序時，只需更改860000這個數(shù)值就可以了。當(dāng)然，我們還會在未來看到更多的復(fù)用代碼的方式。但變量這種用抽象符號代替具體數(shù)值的思維，具有代表性的意義。2．變量的類型數(shù)據(jù)可能有很多不同的類型，例如5這樣的整數(shù)、5.9這樣的浮點數(shù)、True和False這樣的布爾值，還有第1章中見過的字符串"HelloWorld!"。在Python中，我們可以把各種類型的數(shù)據(jù)賦予給同一個變量。比如：

var_integer=5

print(var_integer)#a存儲的內(nèi)容為整數(shù)5

var_string="HelloWorld!"

print(var_string)#a存儲的內(nèi)容變成字符串"HelloWorld!"

可以看到，后賦予給變量的值替換了變量原來的值。Python能自由改變變量類型的特征被稱為動態(tài)類型（DynamicTyping）。并不是所有的語言都支持動態(tài)類型。在靜態(tài)類型（StaticTyping）的語言中，變量有事先說明好的類型。特定類型的數(shù)據(jù)必須存入特定類型的變量。相比于靜態(tài)類型，動態(tài)類型顯得更加靈活便利。即使是可以自由改變，Python的變量本身還是有類型的。我們可以用type()這一函數(shù)來查看變量的類型。比如說：

var_integer=10

print(type(var_integer))

輸出結(jié)果是\h\h(1)：

<class'int'>

int是整數(shù)integer的簡寫。除此之外，還會有浮點數(shù)（Float）、字符串（String，簡寫為str）、布爾值（Boolean，簡寫為bool）。常見的類型包括：

>>>a=100#整型

>>>a=100.0#浮點型

>>>a='abc'#字符串。也可以使用雙引號"abc"標(biāo)記字符串。

>>>a=True#布爾值

計算機需要用不同的方式來存儲不同的類型。整數(shù)可以直接用二進(jìn)制的數(shù)字表示，浮點數(shù)卻用額外記錄小數(shù)點的位置。每種數(shù)據(jù)所需的存儲空間也不同。計算機的存儲空間以位（bit）為單位，每一位能存儲一個0或1的數(shù)字。為了記錄一個布爾值，我們只需讓1代表真值，0代表假值就可以。所以布爾值的存儲只需要1位。對于整數(shù)4來說，變換成二進(jìn)制位100。為了存儲它，存儲空間至少要有3位，分別記錄1、0、0。為了效率和實用性，計算機在內(nèi)存中必須要分類型存儲。靜態(tài)類型語言中，新建變量必須說明類型，就是這個道理。動態(tài)類型的語言看起來不需要說明類型，但其實是把區(qū)分類型的工作交給解釋器。當(dāng)我們更改變量的值時，Python解釋器也在努力工作，自動分辨出新數(shù)據(jù)的類型，再為數(shù)據(jù)開辟相應(yīng)類型的內(nèi)存空間。Python解釋器貼心的服務(wù)讓編程更加方便，但也把計算機的一部分能力用于支持動態(tài)類型上。這也是Python的速度不如C語言等靜態(tài)類型語言的一個原因。3．序列Python中一些類型的變量，能像一個容器一樣，收納多個數(shù)據(jù)。本小節(jié)講的序列（Sequence）和下一小節(jié)的詞典（Dictionary），都是容器型變量。我們先從序列說起。就好像一列排好隊的士兵，序列是有順序的數(shù)據(jù)集合。序列包含的一個數(shù)據(jù)被稱為序列的一個元素（element）。序列可以包含一個或多個元素，也可以是完全沒有任何元素的空序列。序列有兩種，元組（Tuple）和列表（List）。兩者的主要區(qū)別在于，一旦建立，元組的各個元素不可再變更，而列表元素可以變更。所以，元組看起來就像一種特殊的表，有固定的數(shù)據(jù)。因此，有的翻譯也把元組稱為“定值表”。創(chuàng)建元組和表的方式如下：

>>>example_tuple=(2,1.3,"love",5.6,9,12,False)#一個元組

>>>example_list=[True,5,"smile"]#一個列表

>>>type(example_tuple)#結(jié)果為'tuple'

>>>type(example_list)#結(jié)果為'list'

可以看到，同一個序列可以包含不同類型的元素，這也是Python動態(tài)類型的一個體現(xiàn)。還有，序列的元素不僅可以是基本類型的數(shù)據(jù)，還可以是另外一個序列。

>>>nest_list=[1,[3,4,5]]#列表中嵌套另一個列表

由于元組不能改變數(shù)據(jù)，所以很少會建立一個空的元組。而序列可以增加和修改元素，所以Python程序中經(jīng)常會建立空表：

>>>empty_list=[]#空列表

既然序列也用于儲存數(shù)據(jù)，那么我們不免要讀取序列中的數(shù)據(jù)。序列中的元素是有序排列，所以可以根據(jù)每個元素中的位置來找到對應(yīng)元素。序列元素的位置索引稱為下標(biāo)（Index）。Python中序列的下標(biāo)從0開始，即第一個元素的對應(yīng)下標(biāo)為0。這一規(guī)定有歷史原因在里面，是為了和經(jīng)典的C語言保持一致。我們嘗試引用序列中的元素：

>>>example_tuple[0]#結(jié)果為2

>>>example_list[2]#結(jié)果為'smile'

>>>nest_list[1][2]#結(jié)果為5

表的數(shù)據(jù)可變更，因此可以對單個元素進(jìn)行賦值。你可以通過下標(biāo)，來說明想對哪個元素賦予怎樣的值：

>>>example_list[1]=3.0

>>>example_list#列表第二個元素變成3.0

元組一旦建立就不能改變，所以你不能對元組的元素進(jìn)行上面的賦值操作。對于序列來說，除了可以用下標(biāo)來找到單個元素外，還可以通過范圍引用的方式，來找到多個元素。范圍引用的基本樣式是：序列名[下限:上限:步長]下限表示起始下標(biāo)，上限表示結(jié)尾下標(biāo)。在起始下標(biāo)和結(jié)尾下標(biāo)之間，按照步長的間隔來找到元素。默認(rèn)的步長為1，也就是下限和上限之間的每1個元素都會出現(xiàn)在結(jié)果中。引用的多個元素將成為一個新的序列。下面是一些范圍引用的例子。

>>>example_tuple[:5]#從小標(biāo)0到下標(biāo)4，不包括下標(biāo)5的元素

>>>example_tuple[2:]#從下標(biāo)2到最后一個元素

>>>example_tuple[0:5:2]#下標(biāo)為0，2，4的元素。

>>>sliced=example_tuple[2:0:-1]#從下標(biāo)2到下標(biāo)1

>>>type(sliced)#范圍引用的結(jié)果還是一個元組

上面都是用元組的例子，表的范圍引用效果完全相同。在范圍引用的時候，如果寫明上限，那么這個上限下標(biāo)指向的元素將不包括在結(jié)果中。此外，Python還提供了一種尾部引用的語法，用于引用序列尾部的元素：

>>>example_tuple[-1]#序列最后一個元素

>>>example_tuple[-3]#序列倒數(shù)第三個元素

>>>example_tuple[1:-1]#序列的第二個到倒數(shù)第二個元素

正如example_tuple[1:-1]這個例子，如果是范圍引用，那么上限元素將不包含在結(jié)果中。序列的好處是可以有序地儲存一組數(shù)據(jù)。一些數(shù)據(jù)本身就有有序性，比如銀行提供的房貸利率，每年都會上下浮動。這樣的一組數(shù)據(jù)就可以存儲在序列中：

interest_tuple=(0.01,0.02,0.03,0.035,0.05)

4．詞典詞典從很多方面都和表類似。它同樣是一個可以容納多個元素的容器。但詞典不是以位置來作為索引的。詞典允許用自定義的方式來建立數(shù)據(jù)的索引：

>>>example_dict={"tom":11,"sam":57,"lily":100}

>>>type(example_dict)#結(jié)果為'dict'

詞典包含有多個元素，每個元素以逗號分隔。詞典的元素包含兩部分，鍵（Key）和值（Value）。鍵是數(shù)據(jù)的索引，值是數(shù)據(jù)本身。鍵和值一一對應(yīng)。比如上面的例子中，"tom"對應(yīng)11，"sam"對應(yīng)57，"lily"對應(yīng)100。由于鍵值之間的一一對應(yīng)關(guān)系，所以詞典的元素可以通過鍵來引用。

>>>example_dict["tom"]#結(jié)果為11

在詞典中修改或增添一個元素的值：

>>>example_dict["tom"]=30

>>>example_dict["lilei"]=99

>>>example_dict#結(jié)果為{"tom":30,"lily":100,"lilei":99,"sam":57}

構(gòu)建一個新的空的詞典：

>>>example_dict={}

>>>example_dict#結(jié)果為{}

詞典不具備序列那樣的連續(xù)有序性，所以適于存儲結(jié)構(gòu)松散的一組數(shù)據(jù)。比如首付比例和稅率可以存在同一個詞典中：

rate={"premium":0.2,"tax":0.15}

在詞典的例子中，以及大部分的應(yīng)用場景中，我們都使用字符串來作為詞典的鍵。但其他類型的數(shù)據(jù)，如數(shù)字和布爾值，也可以作為詞典的鍵值。本書將在后面講解，究竟哪些數(shù)據(jù)可以作為詞典的鍵值。2.3計算機懂選擇1．if結(jié)構(gòu)到現(xiàn)在為止，我們看到的Python程序都是指令式的。在程序中，計算機指令都按順序執(zhí)行。指令不能跳過，也不能回頭重復(fù)。最早的程序都是這個樣子。例如要讓燈光亮十次，就要重復(fù)寫十行讓燈亮的指令。為了讓程序能靈活，早期的編程語言加入了“跳轉(zhuǎn)”的功能。利用跳轉(zhuǎn)指令，我們就能在執(zhí)行過程中跳到程序中的任意一行指令繼續(xù)向下執(zhí)行。例如，想重復(fù)執(zhí)行，就跳到前面已經(jīng)執(zhí)行過的某一行。程序員為了方便，頻繁地在程序中向前或向后跳轉(zhuǎn)。結(jié)果，程序的運行順序看起來就像交纏在一起的面條，既難讀懂，又容易出錯。程序員漸漸發(fā)現(xiàn)，其實跳轉(zhuǎn)最主要的功能，就是選擇性地執(zhí)行，或者重復(fù)執(zhí)行某段程序。計算機專家也論證出，只要有了“選擇”和“循環(huán)”兩種語法結(jié)果，“跳轉(zhuǎn)”就再無必要。兩種結(jié)構(gòu)都能改變程序執(zhí)行的流程，改變指令運行的次序。編程語言進(jìn)入到結(jié)構(gòu)化的時代。相對于“跳轉(zhuǎn)”帶來的“面條式程序”，結(jié)構(gòu)化的程序變得賞心悅目。在現(xiàn)代編程語言中，“跳轉(zhuǎn)”語法已經(jīng)被徹底廢除。我們先來看選擇結(jié)構(gòu)的一個簡單的例子。如果一個房子的售價超過50萬，那么交易費率為1%，否則為2%。我們用選擇結(jié)構(gòu)來寫一個程序。

total=980000

iftotal>500000:

transaction_rate=0.01

else:

transaction_rate=0.02

print(transaction_rate)#打印0.01

在這段程序中，出現(xiàn)了我們沒見過的if...else...語句。其實這個語句的功能一讀就懂。如果總價超過50萬，那么交易費率為1%；否則，交易費率為2%。關(guān)鍵字if和else分別有隸屬于它們的一行代碼，從屬代碼的開頭會有四個空格的縮進(jìn)。程序最終會根據(jù)if后的條件是否成立，選擇是執(zhí)行if的從屬代碼，還是執(zhí)行else的從屬代碼?？傊?，if結(jié)構(gòu)在程序中實現(xiàn)了分支。if和else后面可以跟不止一行的程序：

total=980000

iftotal>500000:#該條件成立

print("總價超過50萬")#執(zhí)行這一句的打印

transaction_rate=0.01#設(shè)置費率為0.01

else:#else部分不執(zhí)行

print("總價不超過50萬")

transaction_rate=0.02

print(transaction_rate)#結(jié)果為0.01

可以看到，同屬于if或else的代碼有四個空格的縮進(jìn)。關(guān)鍵詞if和else就像兩個老大，站在行首。老大身旁還有靠后站的小弟。老大只有借著條件贏了，站在其身后的小弟才有機會亮相。最后一行print語句也站在行首，說明它和if、else兩位老大平起平坐，不存在隸屬關(guān)系。程序不需要條件判斷，總會執(zhí)行這一句。else也并非必需的，我們可以寫只有if的程序。比如：

total=980000

iftotal>500000:

print("總價超過50萬")#條件成立，執(zhí)行打印。

沒有else，實際上與空的else等價。如果if后的條件不成立，那么計算機什么都不用執(zhí)行。2．小弟靠后站用縮進(jìn)來表明代碼的從屬關(guān)系，是Python的特色。正如我們在第1章中介紹的，用縮進(jìn)來標(biāo)記代碼關(guān)系的設(shè)計源自ABC語言。作為對比，我們可以看看C語言的寫法：

if(i>0){

x=1;

y=2;

}

這個程序的意思是，如果變量i大于0，我們將進(jìn)行括號中所包括的兩個賦值操作。在C語言中，用一個花括號來表示從屬于if的代碼塊。一般程序員也會在C語言中加入縮進(jìn)，以便區(qū)分出指令的從屬關(guān)系。但縮進(jìn)并非強制的。下面沒有縮進(jìn)的代碼，在C語言中也可以正常執(zhí)行，與上面程序的運行結(jié)果沒有任何差別：

if(i>0){

x=1;

y=2;

}

在Python中，同樣的程序必須要寫成如下形式：

ifi>0:

x=1

y=2

在Python中，去掉了i>0周圍的括號，去除了每個語句句尾的分號，表示塊的花括號也消失了。多出來了if...之后的:(冒號)，還有就是x=1和y=2前面有四個空格的縮進(jìn)。通過縮進(jìn)，Python識別出這兩個語句是隸屬于if的。為了區(qū)分出隸屬關(guān)系，Python中的縮進(jìn)是強制的。下面的程序，將產(chǎn)生完全不同的效果：

ifi>0:

x=1

y=2

這里，從屬于if的只有x=1這一句，第二句賦值不再歸屬于if。無論如何，y都會被賦值為2。應(yīng)該說，現(xiàn)在大部分的主流語言，如C、C++、Java、JavaScript，都是用花括號來標(biāo)記程序塊的，縮進(jìn)也不是強制的。這一語法設(shè)計源自于流行一時的C語言。另一方面，盡管縮進(jìn)不是強制的，但有經(jīng)驗的程序員在用這些語言寫程序時，也會加入縮進(jìn)，以便程序更易讀。很多編輯器也有給程序自動加縮進(jìn)的功能。Python的強制縮進(jìn)看起來非主流，實際上只是在語法層面上執(zhí)行了這一慣例，以便程序更好看，也更容易讀。這種以四個空格的縮進(jìn)來表示隸屬關(guān)系的書寫方式，還會在Python的其他語法結(jié)構(gòu)中看到。3．if的嵌套與elif再回到選擇結(jié)構(gòu)。選擇結(jié)構(gòu)讓程序擺脫了枯燥的指令式排列。程序的內(nèi)部可以出現(xiàn)分支一樣的結(jié)構(gòu)。根據(jù)條件不同，同一個程序可以工作于多變的環(huán)境。通過elif語法和嵌套使用if，程序可以有更加豐富多彩的分支方式。下面一個程序使用了elif結(jié)構(gòu)。根據(jù)條件的不同，程序有三個分支：

i=1

ifi>0:#條件1。由于i為1，這一部分將執(zhí)行。

print("positivei")

i=i+1

elifi==0:#條件2。該部分不執(zhí)行。

print("iis0")

i=i

*

10

else:#條件3。該部分不執(zhí)行。

print("negativei")

i=i-1

這里有三個塊，分別由if、elif和else引領(lǐng)。Python先檢測if的條件，如果發(fā)現(xiàn)if的條件為假，則跳過隸屬于if的程序塊，檢測elif的條件；如果elif的條件還是假，則執(zhí)行else塊。程序根據(jù)條件，只執(zhí)行三個分支中的一個。由于i的值是1，所以最終只有if部分被執(zhí)行。按照同樣的原理，你也可以在if和else之間增加多個elif，從而給程序開出更多的分支。我們還可以讓一個if結(jié)構(gòu)嵌套在另一個if結(jié)構(gòu)中：

i=5

ifi>1:#該條件成立，執(zhí)行內(nèi)部的代碼

print("ibiggerthan1")

print("good")

ifi>2:#嵌套的if結(jié)構(gòu)，條件同樣成立。

print("ibiggerthan2")

print("evenbetter")

在進(jìn)行完第一個if判斷后，如果條件成立，那么程序依次運行，會遇到第二個if結(jié)構(gòu)。程序?qū)⒗^續(xù)根據(jù)條件判斷并決定是否執(zhí)行。第二個后面的程序塊相對于該if又縮進(jìn)了四個空格，成為“小弟的小弟”。進(jìn)一步縮進(jìn)的程序隸屬于內(nèi)層的if?？偟膩碚f，借著if結(jié)構(gòu)，我們給程序帶來了分支。根據(jù)條件的不同，程序?qū)⒆呱喜煌牡缆罚鐖D2-2所示。圖2-2if選擇結(jié)構(gòu)2.4計算機能循環(huán)1．for循環(huán)循環(huán)用于重復(fù)執(zhí)行一些程序塊，在Python中，循環(huán)有for和while兩種，我們先來看for循環(huán)。從2.3節(jié)的選擇結(jié)構(gòu)，我們已經(jīng)看到了如何用縮進(jìn)來表示程序塊的隸屬關(guān)系。循環(huán)也會用到類似的寫法。隸屬于循環(huán)結(jié)構(gòu)的、需要重復(fù)的程序會被縮進(jìn)，比如：

forain[3,4.4,"life"]:

print(a)#依次打印列表里的各個元素

這個循環(huán)就是每次從列表[3,4.4,"life"]中取出一個元素，然后將這個元素賦值給a，之后執(zhí)行隸屬于for的程序，也就是調(diào)用print()函數(shù)，把這個元素打印出來?？梢钥吹剑琭or的一個基本用法是在in后面跟一個序列：

for元素in序列:

statement

序列中元素的個數(shù)決定了循環(huán)重復(fù)的次數(shù)。示例中有3個元素，所以print()會執(zhí)行3次。也就是說，for循環(huán)的重復(fù)次數(shù)是確定的。for循環(huán)會依次從序列中取出元素，賦予給緊跟在for后面的變量，也就是上面示例中的a。因此，盡管執(zhí)行的語句都相同，但由于數(shù)據(jù)發(fā)生了變化，所以相同的語句在三次執(zhí)行后的效果也會發(fā)生變化。從序列中取出元素，再賦予給一個變量并在隸屬程序中使用，是for循環(huán)的一個便利之處。但有的時候，我們只是想簡單地重復(fù)特定的次數(shù)，不想建立序列，那么我們可以使用Python提供的range()函數(shù)：

foriinrange(5):

print("HelloWorld!")#打印五次