python程序设计及上机实验教程第1章Python入门概述

程序设计及上机实验主讲：杨薇

PythonPython入门概述 第1章1.1Python语言简介1.2Python环境的准备1.3课后作业Python语言的特点、应用前景常用的Python语言集成开发环境Python软件下载、安装及使用Python语言第三方库的安装管理本章重点Python语言简介1.11.1.1什么是Python语言Python翻译成中文是巨蟒的意思，它是一种编程语言，于1991年正式发布。它的创造者是GuidovanRossum（吉多·范罗苏姆，是一名荷兰计算机程序员），选中Python作为编程语言的名字，是因为他喜爱的一个电视节目中有Python这个单词。Python的定位是简单、明确、优雅，所以对初学者而言，Python简单易懂、便于学习，而且将来深入学习后，还可以编写一些非常复杂的程序。Python语言是少有的一种可以称得上既简单又功能强大的编程语言。Python编程的重点是解决问题，而不是语法与结构，非常适合完全没有编程经验的人学习。无论你是想进入数据分析、人工智能、网站开发等专业领域，还是仅仅希望掌握一门编程语言，都可以从Python开始。Python语言简介1.11.1.2Python语言的特点当我们因为C语言指针晕头转向时，Python的出现无疑让我们在编程时可以保持清醒的头脑，因为我们重点关注的不再是语法特性，而是程序所要实现的功能任务，Python语言的特点如下：1.简单易读Python没有开始、结束、分号等标记，代码简洁，循环语句简化，程序结构清晰，易于阅读和理解，其保留字也很少，目前只有35个，常见的保留字可以查看第二章的内容。Python语言简介1.11.1.2Python语言的特点2.跨平台可移植性强Python的源代码是开放的，基于这一特性Python可以被移植到其他平台。Python程序稍作修改甚至不修改便可在Linux、Windows、FreeBSD、Macintosh、Solaris、OS/2、Amiga、AROS、AS/400、BeOS、OS/390、z/OS、PalmOS、QNX、VMS、Psion、AcornRISCOS、VxWorks、PlayStation、SharpZaurus、WindowsCE、PocketPC等平台上运行。Python语言简介1.13.动态性Python与PHP、Ruby、ECMAScript（JavaScript）一样都属于动态语言。所谓动态语言就是在执行时能够改变其结构的语言，是高级程序设计语言的一个类别。Python灵活性高，不需要声明变量，直接赋值即可创建新变量。例如定义一个student（学生）类，初始属性有name（姓名）和age（年龄），代码如下：Python语言简介1.1学生属性除了name（姓名）和age（年龄）外，应该还有sex（性别），如果是动态语言，直接给S对象的sex属性赋值“male”就可以得到想要的结果，可如果是其他语言，这一步可能就会报错。 S.sex="male"运行上面的代码，输出S.sex的值，结果为male，这就是动态给实例绑定属性。所以动态语言可以在运行时引进新的函数、对象，甚至代码，还可以删除已有的函数等其他结构上的变化。classstudent():def__init__(self,name=None,age=None):=nameself.age=ageS=student("Jack","12")Python语言简介1.14.健全的异常处理机制Python的异常处理机制能捕获程序异常情况，并且堆栈跟踪对象能找到出错地方和出错原因，帮助我们调试程序。5.面向对象特性Python既支持面向过程的编程又支持面向对象的编程。Python执行面向对象编程的方式的特性既强大又简洁，简化了面向对象的实现，消除了保护类型、抽象类、接口等面向对象元素，使面向对象的概念更容易理解。Python语言简介1.16.可扩展性Python由C语言开发，可以使用C或C++完成新模块、新类的添加，而Python程序可以完全调用它们，同时还可以嵌入到C或C++的程序中。如果你需要一段运行很快的代码，或者想写一段不愿意公开的代码，那么你可以用C或者C++写这段代码，然后从Python程序中调用即可，可见Python的扩展性非常好。Python语言简介1.17.强大的库文件Python最大的优势之一是拥有丰富的库文件。Python有非常完善的基础代码库，覆盖了网络、数据库、GUI、文件、文本等大量内容，被形象地称作“内置电池（batteriesincluded）”。Python标准库很大，它能够帮助用户完成许多的工作，如文件传输协议（FileTransferProtocol，FTP）、数据库、正则表达式、单元测试、线程、网页浏览器、公共网关接口（CommonGatewayInterface，CGI）、电子邮件、可扩展标记语言（ExtensibleMarkupLanguage，XML）、图形用户界面（GraphicalUserInterface，GUI）等。除了这些基础代码库之外，Python还有大量高质量的第三方库，是别人编写贡献出来的，用户可以通过Python包索引找到它们。8.易于维护Python的成功在于它的源代码是相当容易维护的。Python语言简介1.11.1.3Python语言的应用Python具有广泛的应用范围，常用的应用场景如下：1.操作系统管理Python作为一种解释型的脚本语言，特别适合于编写操作系统管理脚本，使用Python编写的系统管理脚本在可读性、源代码重用度、扩展性等方面都优于普通的shell脚本。2.科学计算Python程序员可以使用numpy、scipy、matplotlib等模块编写科学计算程序，用sklearn等模块完成数据挖掘及机器学习等编程。众多开源的科学计算软件包均提供了Python的调用接口，例如著名的计算机视觉库OpenCV、三维可视化库VTK、医学图像处理库ITK等。Python语言简介1.11.1.3Python语言的应用3.Web应用Python经常被用于Web开发，例如通过mod_wsgi模块Apacha可以运行用Python编写的Web程序；基于Python的Web应用框架Django主要用来快速搭建高性能网站；许多大型的网站如YouTube、Dropbox、Douban等都是Python开发的。4.图形用户界面（GUI）开发Python支持GUI开发，使用Tkinter、wxPython或者PyQt库可以开发跨平台的桌面软件。Python语言简介1.15.云计算云计算最热的语言，典型的应用为OpenStack。6.金融在金融工程领域，Python不仅使用最多，而且其重要性逐年增加，如做定量交易、金融分析等都可以通过Python来完成。7.其他很多游戏使用C++编写图形显示等高性能模块，而使用Python编写游戏的逻辑。在国外Python有着广泛的应用范围，如谷歌的G、Google爬虫、Google广告和其他项目正在广泛使用Python；世界上最大的视频网站YouTube是用Python开发的；Facebook大量的基本库是通过Python实现的；在国内，Python同样有着广泛的应用范围，如中国最大的Q＆A（问答）社区知乎，就是用Python开发，除此之外，还有搜狐、金山、腾讯、盛大、网易、百度、阿里、淘宝、土豆、新浪、果壳等公司正在使用Python来完成各种任务。Python语言简介1.11.1.4Python发展前景虽然Java有众多追随者，但是Python的语法特点使程序设计更轻松，编写的代码比Java可读性更强，其发展速度迅猛。2017年，国务院发布《新一代人工智能发展规划》，规划中指出支持开展形式多样的人工智能科普活动，在中小学设置人工智能相关课程，而python是人工智能与大数据分析的基础工具，各地、各市教育局将python列入小学、中学课程体系中。2017年年底山东省的小学信息技术六年级教材加入Python内容，小学生开始接触Python语言。从2018年起，浙江省信息技术教材不再使用晦涩难懂的VB语言，而是改用更简单易懂的Python语言。也就是说，Python将纳入高考内容。从2018年起，Python列入全国计算机等级考试范围。而2022年PYPL发布的编程语言指数榜显示，Python依然占据榜首，如图所示。PYPL编程语言指数榜Python语言简介1.11.1.5Python语言的版本到目前为止，Python已经诞生近30年，也经历了30多个版本的发展。2008年年底Python3.0版本发布，目前已更新至3.11版本，中间还发布了Python2.5、Python2.7等版本，本书使用Python3.7版本进行讲解。这些版本之间存在着一定的联系，也有差异。比如Python2.X和Python3.X就有明显的差异。Python3.X由于不想带入过多的累赘，所以没有考虑向下兼容的问题，因此Python3.0以下版本的程序都无法在Python3.0以上的版本中运行。为了解决这个问题，实现3.0以下版本的程序向Python3.X的迁移，中间又开发了几个版本作为过渡版本，其中Python2.7是比较经典的版本。如果你是初学者，建议直接安装Python3.0以上的版本。Python语言简介1.11.1.6Python语言的集成开发环境Python是一种跨平台的脚本语言，在不同平台上提供了众多的集成开发环境（IDE）,常用的集成开发环境如下：1.IDLEPython内置的集成开发环境，在操作系统中安装好Python软件后就自动安装该编辑器。初学者一般建议使用IDLE，该编辑器简单容易上手，且具备语法高亮功能，同时可以运行程序。2.SpyderSpyder和其他PythonIDE相比有一个很大的特点，可以用表格的形式查看数据，其针对数据科学做了一定的优化。使用IDLE交互式命令行确实很方便，但是当代码越来越多或者越复杂时，就显得力不从心，这时选择一款适合的代码编辑器就显得很重要。Spyder是一款不错的编辑器，在安装好Anaconda后就会自动被安装好，启动运行即可。Python语言简介1.11.1.6Python语言的集成开发环境3.JupyterNotebookJupyterNotebook（此前被称为IPythonNotebook）是一个交互式笔记本，支持运行40多种编程语言。它本质上是一个支持实时代码、数学方程、可视化和Markdown的Web应用程序。在安装好Anaconda后就会自动被安装好，启动运行即可。4.PyCharmPyCharm是由JetBrains公司开发的商业PythonIDE，支持企业级的开发。PyCharm有一整套可以帮助开发人员提高开发效率的工具，如调试、语法高亮、Project管理、代码跳转、智能提示、自动完成、单元测试、版本控制，不过，只有他的教育版是免费使用的，其他版本需要购买服务。Python语言简介1.15.Eclipse+Pydev插件在通用集成开发环境Eclipse上安装Pydev插件，可以实现Python集成开发环境，方便调试程序。6.PythonWinPythonWin是Python在Windows系统下的扩展包，使用PythonWin可以让Python使用Windows系统的特性。PythonWin官网为/projects/pywin32,下载对应的版本安装即可。7.VimVim（ViiMproved）是由BramMoolenaar编写的功能强大的文本编辑器。Vim和其他开源软件一样，具有良好的可移植性。Vim提供了强大的程序代码编辑功能，如自动缩进、代码折叠、语法高亮等。Vim需要单独下载安装，官网为/，下载对应的windows版本安装即可。Python语言简介1.18.EmacsEmacs被设计得“无所不能”，号称“世界上最强大的文本编辑器”，使用Emacs就像使用windows的记事本一样，但Wmacs比windows记事本的功能强大得多。9.SublimeTextSublimeText也比较适合Python新手使用，SublimeText支持跨平台，而且提供丰富的插件和主题。SublimeText具备各种语法高亮和代码补全功能，视觉感受更舒适。10.VisualStudio+PythonToolsforVisualStudio在VisualStudio基础上安装PythonToolsforVisualStudio，可以使用功能完善的VisualStudio开发Python程序。Python环境的准备1.21.2.1Python安装1.下载安装程序进入Python官网“/”，按以下步骤下载所需版本的Python安装程序。步骤01：在【Downloads】下拉列表中单击【Windows】选项，如图1-2所示。图1-2

Python官网Python环境的准备1.2步骤02：打开Windows各版本下载页面，如图1-3所示。图1-3

Python的Windows各版本下载页面从图1-3中我们可以看出Python的版本非常多，目前最新的版本已经是3.11版本。步骤03：先确认自己的系统是32位还是64位，再选择相应的Python版本下载，在此我们选择Python-3.7.8-amd64版本为例，下载完成后便可以开始安装。Python环境的准备1.21.2.1Python安装2.安装Python软件下载好Python安装程序后，按以下步骤安装即可。步骤01：双击Python安装程序文件，打开【Python-3.7.8-amd64

Setup】安装窗口，单击【InstallNow】选项，选择快速模式安装，并勾选AddPython3.7toPATH选项，如图1-4所示。步骤02：系统开始自动安装，如图1-5所示。安装完成后单击【Close】按钮，关闭窗口，如图1-6所示。图1-4

Python安装模式选择图1-5

正在安装图1-6安装成功Python环境的准备1.21.2.1Python安装3.Python菜单命令功能说明执行【开始】→【所有程序】→【Python3.7】，即可看到已经安装好的Python程序，共包含4个命令，如图1-7所示，各命令功能的含义如下：图1-7Python3.7开始菜单（1）IDLE（Pythone3.764-bit）Python集成开发环境（2）Python3.7（64-bit）Python的命令提示窗口，和在cmd命令行下输入python一样（3）Python3.7Manuals（64-bit）Python的全部文档（4）Python3.7ManualsDocs（64-bit）Python系统中可用的所有已安装模块的文档Python环境的准备1.21.2.2使用交互式执行环境使用交互式执行环境，即运行Python解释器。用户在Windows操作系统中可以使用命令提示符窗口运行python.exe，也可以点击【开始】→【所有程序】→【Python3.7】→Python3.764-bit启动该命令，启动后的命令窗口如图1-8所示：图1-8Python命令行界面在Python命令提示符“>>>”后面输入各种Python代码，回车键后就会立即看到执行结果。Python环境的准备1.21.2.2使用交互式执行环境例1-1使用Python解释器进行数学运算，运算的式子为：12+36-78*56和（1+0.01）365。代码及结果如下：命令行中两个式子的代码及执行结果如图1-9所示。>>>12+36-78*56-4320>>>(1+0.01)**36537.78343433288728图1-9命令行中进行数学运算Python环境的准备1.21.2.3使用IDLE编写代码Python安装成功后，会自带一个集成式开发环境IDLE，它是一个PythonShell，程序开发人员可以利用PythonShell与Python交互。在Windows操作系统的开始菜单中找到“IDLE（Python3.764-bit）”,单击进入IDLE主窗口，如图1-10所示，窗口左侧会显示Python命令提示符“>>>”，在该提示符后面输入Python代码，回车键后就会立即执行并返回执行结果。图1-10IDLE主窗口图1-11IDLE的文件窗口Python环境的准备1.21.2.3使用IDLE编写代码如果要创建一个代码文件，可以在IDLE主窗口菜单栏中选择“File→NewFile”，然后就会弹出如图1-11所示的文件窗口，可以在文件里输入Python代码，然后在菜单栏中选择保存，并输入文件名即可。如果要运行该文件，在菜单栏中选择“Run→RunModule”（快捷键F5）即可。Python环境的准备1.2在实际开发中，可以使用IDLE提供的常用快捷键来提高程序开发效率。IDLE常用快捷键序号快捷键功能说明1F1打开Python帮助文档2F5运行Python代码文件3Ctrl+[取消缩进代码块4Ctrl+]缩进代码块5Ctrl+F6重新启动IDLEShell6Ctrl+Z撤销一步操作7Ctrl+Shift+Z恢复上一次撤销的操作8Ctrl+S保存文件9Alt+P浏览历史命令（上一条）10Alt+N浏览历史命令（下一条）11Alt+/自动补全前面曾经出现过的单词，如果之前有多个单词具有相同前缀，可以连续按该快捷键，在多个单词中循环选择。12Alt+3注释代码块13Alt+4取消代码块注释Python环境的准备1.21.2.4我的第一个Python程序例1-2使用IDLE创建一个名为Myfirstpython.py文件，并在该文件中输入以下代码：print("helloworld!")print("这是我的第一个Pyhon程序")print("请多多指教！")程序运行结果如下：======RESTART:C:/Users/Administrator/Desktop/helloworld.py======helloworld!这是我的第一个Pyhon程序请多多指教！Python环境的准备1.21.2.5安装和管理Python第三方库Python语言有标准库和第三方库两类库，标准库随Python安装包一起发布，用户可以随时使用，第三方库需要安装后才能使用。由于Python语言经历了版本更迭过程，而且第三方库由全球开发者分布式维护，缺少统一的集中管理，因此Python的第三方库曾经一度制约了Python语言的普及和发展。随着pip工具的应用，Python第三方库的安装变得十分容易。Python的强大之处在于它拥有丰富的扩展包第三方库（扩展包），可以帮我们方便、快捷地实现网络爬虫、数据清洗、科学计算和可视化等功能。表1-2列出了大数据专业当前及后续课程常用的第三方库。Python环境的准备1.2常用第三方Python库序号库名用途pip安装指令1NumPy矩阵运算pipinstallnumpy2Matplotlib产品级2D图形绘制pipinstallmatplotlib3PIL图像处理pipinstallpillow4sklearn机器学习和数据挖掘pipinstallsklearn5RequestsHTTP协议访问pipinstallrequests6Jieba中文分词pipinstalljieba7BeautifulSoup或bs4HTML和XML解析pipinstallbeautifulsoup48WheelPython文件打包pipinstallwheel9pyinstaller打包Python源文件为可执行文件pipinstallpyinstaller10DjangoPython最流行的Web开发框架pipinstalldjango11Flask轻量级Web开发框架pipinstallflask12WeRoBot微信机器人开发框架pipinstallwerobot13Networkx复杂网络和图结构的建模和分析pipinstallnetworkx14SymPy数学符号计算pipinstallsympy15pandas高效数据分析pipinstallpandas16PyQt5基于Qt的专业级GUI开发框架pipinstallpyqt517PyOpenGL多平台OpenGL开发接口pipinstallpyopengl18PyPDF2PDF文件内容提取及处理pipinstallpypdf219docoptPython命令行解析pipinstalldocopt20PyGame简单小游戏开发框架pipinstallpygamePython环境的准备1.2为了便于安装和管理第三方库和软件，Python提供了一个扩展库管理工具pip，在安装Python时就已经默认安装好pip了，pip的常用命令如表1-3所示：常用pip命令序号pip命令说明1pipinstallPackageName安装PackageName第三方库2piplist列出当前已经安装的所有模块3pipshowPackageName列出某个已经安装库的详细信息4pipdownloadPackageName下载第三方库安装包，但并不安装5pipsearchkeywords联网搜索库名或关键字6pipinstall--upgradePackageName升级PackageName第三方库7pipuninstallPackageName卸载PackageName第三方库Python环境的准备1.2例1-3使用pip命令安装可视化模块Matplotlib。Matplotlib是著名的Python绘图库，它提供了一整套和matlab相似的应用程序编程接口，十分适合交互式制图，打开cmd窗口后，输入如下命令安装Matplotlib，如图1-12所示：>pipinstallmatplotlib图1-12pip安装示例Python环境的准备1.2>pipinstallD://matplotlib-3.5.0rc1-cp37-cp37m-win_amd64.whl用以上方法安装时比较依赖网络性能，且如果安装包比较大时经常会安装失败，所以建议到python官网的库管理网站/中及时下载对应软件包的轮式文件（whl文件），到本地磁盘中，比如在本案例中我们下载对应的软件包为matplotlib-3.5.0rc1-cp37-cp37m-win_amd64.whl，将该软件包存放在D盘下面，安装时就可以用以下命令来完成，安装过程非常快，如图1-13所示：图1-13pip安装已经下载好的whl文件安装成功后，使用如下命令就可以看到安装好的Matplotlib：>piplistPython环境的准备1.2例1-4pip批量安装Python库。importoslibs={"numpy","matplotlib","pillow","sklearn","requests","jieba"}try:forlibinlibs:os.system("pipinstall"+lib)print("Successful!")except:print("Failedsomehow")Successful!运行过程及结果Python环境的准备1.21.Anaconda介绍Anaconda是专注于数据分析的Python发行版本，包含了Conda、Python等一大批科学包及其依赖项。在安装Anaconda时预先集成了Numpy、SciPy、pandas、scikit-learn等数据分析常用包。在Anaconda中可以建立多个虚拟环境，用于隔离不同项目所需的不同版本的工具包，以防止版本上的冲突，直接安装Python是体会不到这些优点的，Anaconda的优点包括如下：Python环境的准备1.2（1）省时省心普通Python环境中，经常会遇到安装工具包时出现关于版本或者依赖包的一些错误提示。但是在Anaconda中，这种问题极少存在。Anaconda通过管理工具包、开发环境、Python版本，大大简化了工作流程，不仅可以方便地安装、更新、卸载工具包，而且安装时还可以自动安装相应的依赖包。（2）分析利器Anaconda是适用于企业级大数据的Python工具，其包含了众多与数据科学相关的开源包，涉及数据可视化、机器学习、深度学习等多个方面。Python环境的准备1.22.Anaconda安装过程（1）Anaconda的安装步骤如下：图1-14Anacanda的IndividualEdition个人版本步骤02：Anaconda将根据本机器推荐合适的版本进行下载，如图1-15所示。步骤01：访问Anaconda官网，选择适合自己的版本下载，本文选择开源的个人版本如图1-14所示。步骤03：下载完成后即可根据安装提示进行软件的安装。图1-15网址推荐的Anaconda版本Python环境的准备1.2（2）Anaconda菜单命令功能说明Anaconda安装完成后，Python的开发环境就搭建好了，现在就可以使用Anaconda来开发程序了，执行【开始】→【所有程序】→【Anaconda3】，即可看到已经安装好的Anaconda3程序，共包含6个命令，如图1-16所示，各命令功能的含义如下：图1-16

Anacanda的开始菜单Python环境的准备1.2【1】AnacondanavigatorAnaconda导航器，用于管理工具包和环境的图形用户界面，后续涉及的众多管理命令也可以在Navigator中手工实现。【2】Anacondaprompt和Anacondapowershellprompt他们都属于Anaconda的命令窗口，输入命令就可以控制和配置Python，最常用的就是conda命令，它与Python中的pip命令一样。【3】JupyterNotebook集成的IDE，基于web的交互式计算环境，可以编辑易于人们阅读的文档，用于展示数据分析的过程。【4】Spyder集成的IDE，一个使用Python语言、跨平台的、科学运算集成开发环境，它最大优点就是模仿MATLAB的“工作空间”。【5】ResetSpyderSetting该命令主要对Spyder恢复默认设置。Python环境的准备1.21.2.7使用Spider编写第一个程序Spider是Anaconda自带的IDE，功能十分强大，界面非常友好，适用于刚开始接触Python的人。Spider既可以直接创建一个Python文件，也可以创建一个Python项目。Python环境的准备1.21.2.7使用Spider编写第一个程序例1-5启动Spider建立一个名为Myfirstprogram.py的Python文件，并输入代码：print(“Helloworld”)print(“Hellopython”)方法为：步骤一：执行【开始】→【所有程序】→【Anaconda】启动Spider（anaconda3），默认已经创建了一个名为未命名0.py的文件；步骤二：将该文件另存为Myfirstprogram.py；步骤三：在代码区域输入代码；步骤四：执行运行即可看到结果；Python环境的准备1.21.2.8使用JupyterNotebook编写第一个程序启动JupyterNotebook会启动一个控制台服务窗口并自动启动浏览器打开一个网页，把控制台服务窗口最小化，然后在浏览器中该页面右上角单击菜单“New”，然后选择“Python3”打开一个新窗口，如图1-16所示，在该窗口中即可编写和运行Python代码。页面上每一个单元格称为一个cell，每个cell的运行结果会影响后面的cell，也就是前面cell中定义的变量在后面的cell中任然可以访问。另外，还可以通过菜单“File”→“Downloadas”把当前代码以及运行结果保存为“.py”、“.ipynb”或者其他形式的文件，方便日后学习和演示。Python环境的准备1.2例1-6根据本金b、年利率r和年数n计算最终收益v提示v=b(1+r)n方法为：步骤一：执行【开始】→【所有程序】→【Anaconda】启动JupyterNotebook（anaconda3），步骤二：选择Files选项卡，然后单击右上角的New按钮，选择Python3即可进入Python的编辑窗口。步骤三：在代码区域输入代码，其输入界面如图1-17所示，代码如下：b=10000#本金1万元r=0.05#年利率为0.05n=5#时间为5年v=b*((1+r)**n)print(v)执行结果为：12762.815625000003Python环境的准备1.21.2.9Anaconda中安装和管理第三方库PyPI是获得第三方Python软件包以补充标准库的一个站点。我们可以在PyPI网站上查找需要的各种不同版本不同功能的包，很多的Python开发人员都会去PyPI网站查找自己想要使用的包，然后下载安装。Python环境中有很多成熟的包，我们可以安装和管理这些包来扩展我们的程序，这样就避免了重复造轮子。在Anaconda环境下，用来安装和管理包主要有以下两种方式：Python环境的准备1.21.pip命令安装pip是目前最流行的Python包管理工具，主要用于安装PyPI上的软件包。Python3版本自带了pip，不需要而外的安装。在cmd中键入pip指令，就可以正常安装软件包了，但是这样安装比较依赖网络速度，经常会下载到一半时就提示安装失败了，这个时候就需要多安装几次直到安装成功为止。使用pip安装库的命令如下：pipinstall包名。Python环境的准备1.22.conda