Python程序設(shè)計 課件 第一章 Python概述

第一章Python概述Python程序設(shè)計01初識Python02搭建Python開發(fā)環(huán)境03Python集成開發(fā)環(huán)境04本章回顧01初識PythonPython是一種跨平臺、開源、免費、面向?qū)ο蟆⒔忉屝偷母呒壘幊陶Z言。可應(yīng)用于Web開發(fā)、網(wǎng)絡(luò)爬蟲、游戲開發(fā)、自動化運維、人工智能等領(lǐng)域。在2022年的TIOBE編程語言排行榜中，Python位居第一。Python的由來1989年圣誕節(jié)，荷蘭人吉多·范·羅蘇姆在阿姆斯特丹家中為打發(fā)無趣，決心開發(fā)新腳本解釋程序，因喜歡《MontyPython飛行馬戲團》，將其命名為Python。Python并非憑空創(chuàng)造，源自吉多曾參與設(shè)計的閉源編程語言ABC，他借鑒Modula-3、Unixshell和C等語言優(yōu)點，經(jīng)過一年多改進優(yōu)化，1991年第一個Python編譯器（解釋器）誕生。Python的版本Python有三個主要版本：1.1994年發(fā)布1.0版，具多種優(yōu)秀結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)類型及拓展系統(tǒng)。2.2000年發(fā)布2.0版，新增功能且轉(zhuǎn)社區(qū)開發(fā)，后因重復(fù)結(jié)構(gòu)模塊被3版取代，2020年停止維護。3.2008年推出3.0版，整合標準庫，解決2.x問題，回歸設(shè)計理念，2021年已至3.9.7版。Python的特點優(yōu)點：1.簡單靈活，貼近人類語言，格式要求不嚴格，專注解決問題。2.免費開源，用戶可參與改進性能、彌補漏洞，發(fā)展迅猛。3.可移植性強，無需編譯，不同平臺裝解釋器即可運行，支持多平臺。4.類庫豐富，涵蓋廣，可調(diào)用C/C++加速關(guān)鍵代碼，是“膠水語言”，社區(qū)好，巨頭參與，功能全。

Python的特點缺點：1.運行速度慢，一邊運行一邊“翻譯”源代碼且作為高級語言多做很多工作，雖遠慢于C/C++和Java，但可由硬件性能提升彌補。2.代碼加密困難，因是解釋型語言直接運行源代碼，難以對其加密。Python的應(yīng)用領(lǐng)域由于Python簡單靈活、免費開源、可移植性強等眾多優(yōu)點，Python的應(yīng)用領(lǐng)域眾多，可總結(jié)如下圖所示。Web開發(fā)Python

在Web開發(fā)方面優(yōu)勢明顯，國內(nèi)豆瓣網(wǎng)、OpenStack、Dropbox等項目均用Python實現(xiàn)。有多個成熟的Web框架：1.Django：2003年誕生于美國，遵循MVC設(shè)計模式，功能完整，2019年12月發(fā)布3.0版本，由管理工具、模型、視圖、模板、表單、管理站等組成。Web開發(fā)2.Flask：2010年出現(xiàn)，面向簡單需求和小型應(yīng)用，輕量級可定制，具有內(nèi)置開發(fā)服務(wù)器和調(diào)試器等特點。3.Tornado：2009年發(fā)布，作為FriendFeed網(wǎng)站基礎(chǔ)框架，強大可擴展非阻塞，具有高效網(wǎng)絡(luò)庫、完備WebSocket支持等。4.Twisted：有10多年歷史，開源事件驅(qū)動型網(wǎng)絡(luò)框架，支持多種協(xié)議，提供客戶端和服務(wù)器開發(fā)工具。網(wǎng)絡(luò)爬蟲Python

在網(wǎng)絡(luò)爬蟲方面應(yīng)用廣泛，Google等公司大量使用。網(wǎng)絡(luò)爬蟲程序主要由四部分組成：1.爬蟲調(diào)度器：是爬蟲入口，負責程序的開始、運行和結(jié)束，主要由循環(huán)判斷待爬取URL集合是否為空。2.URL管理器：輔助調(diào)度器管理待爬URL集合和已爬取URL集合，可使用Python的set數(shù)據(jù)類型。3.網(wǎng)頁下載器：是爬蟲核心技術(shù)之一，會用到Urllib、Requests、Selenuim等庫。4.網(wǎng)頁解析器：是爬蟲另一核心技術(shù)和最后一步，從頁面提取感興趣信息，常用解析庫有BeautifulSoup、requests-html、XPath等。游戲開發(fā)市面上很多游戲用C++寫高性能模塊，Python或Lua寫邏輯。Lua功能簡單、體積小，Python支持更多特性和數(shù)據(jù)類型。國際知名游戲《文明》用Python實現(xiàn)。Python可直接調(diào)用OpenGL實現(xiàn)3D繪制，是高性能游戲引擎技術(shù)基礎(chǔ)，有很多Python語言的游戲引擎如Pygame、Pyglet、Cocos2d等。自動化運維Python自動化運營1.運維自動化目的是實現(xiàn)IT運維質(zhì)量、降低成本，是將靜態(tài)設(shè)備結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為動態(tài)彈性響應(yīng)策略。2.在很多操作系統(tǒng)中，Python是標準組件，可在終端直接運行。3.Python編寫的系統(tǒng)管理腳本在可讀性、性能、代碼重用度及擴展性方面優(yōu)于普通Shell腳本，適合做自動化運維。4.常用Python運維工具包括Pexpect、Paramiko、Fabric、Ansible、Saltstack等，涵蓋自動化操作、系統(tǒng)管理、配置管理、集群管理等主題。科學計算Python科學計算1.Python擅長科學計算和數(shù)據(jù)分析，能繪制高質(zhì)量2D和3D圖像，有很多成熟開發(fā)庫如Numpy、SciPy、Pandas、Matplotlib等。2.Numpy是專門用于數(shù)值計算的庫，可存儲處理大型矩陣，底層函數(shù)多為C編寫，運算速度快，是Scipy、Pandas、SKlearn、Tensorflow等框架基礎(chǔ)庫。3.Scipy基于Numpy，用于數(shù)學、工程等領(lǐng)域，可高效處理統(tǒng)計、積分等問題，與Numpy結(jié)合提高科學計算效率。4.Pandas基于Numpy構(gòu)建，有更高級數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和分析能力，提供Series和DataFrame兩種核心數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，能快速處理多種數(shù)據(jù)且可與其他庫完美集成。5.Matplotlib是最基礎(chǔ)核心的數(shù)據(jù)可視化庫，提供多種圖表繪制函數(shù)及豐富的畫布、顏色設(shè)置方法?？茖W計算Python科學計算1.人工智能是熱點領(lǐng)域，與傳統(tǒng)行業(yè)結(jié)合是未來方向，人工智能領(lǐng)域工程師熱門且工資高。2.

Python在人工智能的機器學習、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、深度學習等方面是主流編程語言。3.

世界優(yōu)秀人工智能學習框架如TensorFlow、PyTorch、Karas神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)庫等都是用Python實現(xiàn)。4.

由于人工智能的發(fā)展，Python近幾年發(fā)展迅猛，在AI時代作為頭牌語言的位置無人可撼動。02搭建Python開發(fā)環(huán)境工欲善其事，必先利其器。如果需要使用Python，則需要先搭建Python開發(fā)環(huán)境。Python是跨平臺的開發(fā)工具，可以在Windows、Linux、macOS等操作系統(tǒng)中進行編程。Windows開發(fā)環(huán)境搭建在Python官網(wǎng)下載安裝包，路徑“Downloads—>Windows”Windows開發(fā)環(huán)境搭建雙擊下載后的程序（python-3.8.5-amd64.exe）進行安裝，選擇自定義安裝，并勾選“AddPython3.7toPATH”復(fù)選框，把Python的執(zhí)行目錄放到系統(tǒng)的PATH環(huán)境變量中，這樣我們就可以從Windows系統(tǒng)的任何位置調(diào)用Python解釋器。Windows開發(fā)環(huán)境搭建在彈出的安裝選型中采用默認設(shè)置（全選），安裝Python文檔、安裝下載pip工具、安裝Tkinter和IDLE開發(fā)環(huán)境、安裝標準庫測試套件、安裝pylauncher(用于關(guān)聯(lián).py后綴文件和Python解釋器)。Windows開發(fā)環(huán)境搭建單擊“Next”，打開高級選項對話框，重點關(guān)注兩項，第一，“Installforallusers”，為所有用戶安裝Python，這樣除了當前登陸用戶外，Python安裝完后本機其他用戶也可以使用。第二，根據(jù)需要，選擇一個安裝位置，也可以使用默認位置。選擇完成后，就可以單擊“Install”按鈕開始安裝。Windows開發(fā)環(huán)境搭建安裝時間由前面選擇的安裝內(nèi)容決定，選擇的內(nèi)容越多所需要的時間就越長。安裝完成后，即可看到如右圖所示的對話框，單擊“Close”按鈕關(guān)閉此對話框。Windows開發(fā)環(huán)境搭建安裝完成后，需要檢查是否安裝成功，使用“win+R”快捷鍵，在運行框中輸入“cmd”打開命令行。在命令行中輸入“python”,如果出現(xiàn)圖1-16框中的信息，即代表安裝成功。Windows開發(fā)環(huán)境搭建Python安裝成功之后，我們可以先使用Python輸出一首詩，體驗一下。在“>>>”之后，我們即可輸入Python代碼。除了使用命令行編寫代碼外，我們還可以使用安裝Python時自帶的工具IDLE，通過IDLE編寫代碼時，會有不同的顏色顯示代碼，更容易閱讀。Linux開發(fā)環(huán)境搭建Linux是一套免費使用和自由傳播的類Unix操作系統(tǒng)，是一個多用戶、多任務(wù)，且支持多線程和多CPU的性能穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)。Linux有上百種不同的發(fā)行版，目前主流的包括CentOS、Ubuntu、Fedora、OpenSuse、Debian等。對于Python環(huán)境，目前主流的Linux發(fā)行版都自帶，但是有時由于版本問題還是不能完全滿足我們的需求，需要自己搭建開發(fā)環(huán)境，請掃碼查閱：以64位CentOS7系統(tǒng)為例安裝Python3。MacOS開發(fā)環(huán)境搭建和Linux發(fā)行版類似，MacOS系統(tǒng)一般會自帶Python環(huán)境，可以在終端（Terminal）窗口中輸入命令“python”來檢測安裝的Python環(huán)境及其版本。從下圖可以看出，此MacOS系統(tǒng)中自帶的Python環(huán)境為2.7.18版本，而如果我們需要使用Python3版本，需要單獨進行安裝。具體安裝方法請掃碼查閱。03Python集成開發(fā)環(huán)境集成開發(fā)環(huán)境，即IntegratedDevelopmentEnvironment，簡寫為IDE。用來表示輔助程序員開發(fā)的應(yīng)用軟件。使用IDE可以提高開發(fā)效率，常用的PythonIDE包括IDLE、PyCharm、Anaconda等。IDLEIDLE是在Windows上安裝Python環(huán)境時，選擇安裝的，IDLE比較輕量級，界面比較簡單，包含了代碼編輯、解釋執(zhí)行、代碼跟蹤調(diào)試等功能，在上一小節(jié)中我們已經(jīng)使用過這個工具。IDLE分為初始時的交互模式（交互窗口）、編輯模式和調(diào)試模式，我們之前使用的就是交互模式。IDLE編輯模式編輯模式需要從交互窗口進入，選擇“File”菜單下的“NewFile”子菜單。編輯模式是一個獨立的窗口，初始狀態(tài)是一個空的文檔，等待輸入代碼。在編輯模式下，代碼編輯完成后，首先要把它保存成一個Python源碼文件。選擇“File”菜單中的“Save”子菜單，或者按下“ctrl+s”快捷鍵，把代碼保存成一個.py后綴的文件。詳見右圖。IDLE編輯模式代碼保存后就可以使用解釋器對它解釋執(zhí)行了。選擇“Run”菜單下的“RunModule”子菜單，或按下“F5”快捷鍵，就會對當前打開的Python文件進行解釋執(zhí)行。執(zhí)行的結(jié)果會在交互窗口中顯示出來。IDLE調(diào)試模式如果對代碼執(zhí)行的結(jié)果有疑問，可以啟動調(diào)試模式。調(diào)試模式也要從交互窗口的菜單里打開（“Debug”菜單下的“Debugger”子菜單）。IDLE編輯模式如果需要在代碼中加斷點，可以在代碼編輯窗口中，右鍵單擊要添加斷點的代碼行，在彈出的菜單中，選擇“SetBreakpoint”即可。添加了斷點的代碼行會自動設(shè)置成黃色，這時按下“F5”啟動代碼執(zhí)行，就會進入調(diào)試模式，并且執(zhí)行到斷點處自動停止。PyCharmPyCharm是目前Windows下一個比較流行的、且功能比較強大的IDE。它是Jetbrains公司的一款商業(yè)軟件，需要付費購買使用。但同時它也提供了一個免費的社區(qū)版本，功能比付費版本少一些。PyCharmPyCharm的安裝步驟很簡單，由于本書不以PyCharm為主要使用工具，在這里就不詳細介紹其安裝步驟了，下面列出了安裝時需注意的幾點問題：

1.選擇安裝位置時，選擇的安裝盤剩余空間一定不能小于PyCharm所需空間。

2.在選擇安裝選項時，可以根據(jù)需要適當勾選。

3.安裝完成后，第一次打開PyCharm需要做一些設(shè)置。AnacondaAnaconda是目前比較流行的Python發(fā)行版本，它有強大的包管理與環(huán)境管理功能，Anaconda中除了包含Python的基本環(huán)境和內(nèi)置庫以外，還會安裝一些常用的第三方包，使用起來很方便。由于安裝Anaconda會自動安裝JupyterNotebook，而JupyterNotebook做為一個交互式的工具，非常適合初學者，也是我們這本書主要使用的工具，請讀者掃碼學習Anaconda的下載和安裝過程。JupyterNotebookJupyterNotebook是一個交互式的環(huán)境，其本質(zhì)是一個Web應(yīng)用程序，便于創(chuàng)建和共享程序文檔，可以一邊寫代碼一邊記筆記，如果電腦中已安裝了Anaconda，那么單擊開始菜單欄中的“JupyterNotebook”即可進入。JupyterNotebook在JupyterNotebook主頁的菜單欄上，有Files（文件）、Running（運行）、Clusters（集群）三個選項，我們用的最多的就是Files，可以對文件進行復(fù)制、重命名、移動、下載、刪除等操作。案例【案例描述】所謂體脂率就是人體內(nèi)脂肪重量在人體總體重中所占的比例，它反映人體內(nèi)脂肪含量的多少。男性和女性的體脂率正常范圍不同，男性為15%~18%，女性為25%~28%，體脂率過高和過低都影響健康。計算體脂率首先需要計算出BMI（BodyMassInde