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Python编程基础教程:初识Python语言

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1.背景介绍

Python是一种现代化的广泛使用的解释性脚本型动态编程语言,在多个领域中得到广泛应用。涵盖数据分析、科学计算、网页开发、移动开发以及游戏编程等多个方面。其设计简洁明了使学习变得容易,并且同样具备面向对象的特点。支持多种不同的编程范式,并且已经成为无可争辩地位上的流行编程语言。拥有丰富的标准库和各种第三方框架,在软件开发中发挥着重要作用。凭借其强大的功能与易于使用的特性,在软件开发中发挥着重要作用,并且持续发展并获得越来越多用户的青睐。

这套教程旨在针对具备一定编程基础的学习者设计,并非面向完全没有编程经验的初学者。该教程旨在帮助学习者迅速掌握Python语言的核心语法以及常见编程模式。

教程包含如下内容:

在Python环境下配置相应的开发工具;学习并掌握基础的编程逻辑;识别数据类型并理解其操作符功能;应用条件判断与循环控制结构;设计并实现自定义的操作流程;组织代码模块化管理以提高可维护性;掌握文件读写的基本操作方法;深入理解面向对象的核心概念;运用异常处理机制提升程序鲁棒性;构建独立的应用界面以实现人机交互功能;运用网络协议搭建简单的服务器端架构;利用多线程技术优化程序性能;了解主流框架的基本使用方法及其扩展能力。

本教程共设有约30章内容,篇幅较大,可作为一本系统性教材学习参考.旨在帮助读者掌握Python语言的基本知识,同时引导读者深入探讨Python在实际工作中的应用场景.欢迎广大读者提出宝贵意见和建议!

2.核心概念与联系

首先,我们需要对Python语言的核心概念和相关术语做出一些了解。

2.1 什么是编程语言?

编程语言充当人类编写和运行计算机程序的符号系统。通常情况下,编程系统主要分为两大类:一种是命令式范例(imperative programming paradigm),另一种是函数式范例(functional programming paradigm)。

基于指令的编程范式(如C、Java等)是一种遵循指令结构的语言体系,在这种范式中程序员需要明确指示计算机如何执行各项操作。其核心特征是由一系列具体的指令构成的操作流程。例如,在C语言中我们可以采用如下方式实现一个加法运算:

复制代码
    int main() {
      int a = 1; // initialize variable a to 1
      int b = 2; // initialize variable b to 2
      int sum = a + b; // calculate the sum of a and b
      printf("The sum is %d", sum); // print the result to screen
      return 0; // indicate that program execution has completed successfully
    }

方案

复制代码
    (define (abs x)
    (if (< x 0)
        (- x)
        x))

以上就是两个例子,在命令式编程范式下可以通过相对直接的方式描述程序流程,在函数式编程范式下也可以采用相对直接的方式描述程序流程,并且都具有良好的可读性和逻辑性。然而,在某些具体实现细节上可能存在明显的区别

命令式的编程方式在处理复杂程序时较为便利。然而,在执行效率方面上存在不足之处。尽管如此,在处理特定类型的任务时具有显著的优势:函数式的编程方法更适合应用于并行计算以及数值计算密集型的任务;而命令式的编程方式能够在一定程度上提高运算效率水平;因此能够显著地提升整体系统的性能水平。

2.2 为什么要学习Python?

学习Python的主要原因有以下几点:

  1. 在当今编程领域中,Python被视为最流行的编程语言,并且广泛使用的主流编程语言均支持Python。
  2. 这个软件系统拥有众多功能强大的库与工具,在各种应用场景下都能为解决各种问题提供强大的支持。
  3. 该系统具备面向对象编程的能力,并能够有效帮助开发者开发复杂的应用系统。
  4. 这门通用高级程序设计语言简洁明了地表达各种概念和操作方法,并且容易掌握其基本原理。
  5. 该软件系统展现出卓越的跨平台兼容性特征,并能够运行于多种操作系统而不做任何修改。

此外,Python还拥有众多特性:自动内存管理功能、支持动态类型设计以及具备高效的垃圾回收机制。这些特性不仅有助于编写简洁明了的代码,并且还能提升代码的可维护性。

2.3 Python语言特点

  1. Python是一种开放源代码的跨平台高级别编程语言。
  2. Python是一种非静态类型的编程语言,在不声明变量数据类型的情况下即可进行赋值。
  3. Python是一种解释执行型的语言。
  4. Python提供高阶函数(如函数工厂)、闭包(用于实现状态保留)、生成器(实现惰性遍历)、列表推导式(简洁创建列表结构)、迭代器(实现数据遍历操作)、装饰器(增强代码可扩展性)以及元类(定义新类模板)等多种功能。
  5. 在Python中存在多种编程范式可供选择和应用:面向对象程序设计用于构建复杂系统;函数式编程强调基于函数的应用;脚本式编程适合快速原型开发;Web编程则用于构建网络服务和应用程序。

由于其拥有许多重要特性的原因,Python语言被认为是当前最受欢迎的编程语言之一。它不仅具备卓越的开发效率和高度的灵活性。

3.Python基本语法

Python的语法相较于其他编程语言更为简洁明了。让我们一起深入学习Python的基本语法。

3.1 标识符

赋值变量、函数名以及模块名的各种名称的元素属于编程中的重要组成部分。
在Python中,
可被使用的小写字母(a-z)、大写字母(A-Z)、数字(0-9)、下划线(_)以及中文字符作为标识符。
需要注意的是第一个字符必须是非数字且非标点符号。
特别强调,在编程过程中应避免将任何标识符用作已定义的关键字或保留字

正确示例:

复制代码
    name = "Tom" # valid identifier name
    age_in_years = 30 # valid identifier name with digits in it
    number_of_employees = 500 # valid identifier name with underscore separating words
    message_from_Alice = "Hello, world!" # valid identifier name using an English phrase
    _salary = 12000 # valid identifier name starting with underscore for internal use only

错误示例:

复制代码
    2num = 10 # invalid since first character cannot be digit or punctuation mark
    4age = 30 # invalid since keyword 'age' is used as an identifier
    my-name = "John" # invalid since hyphen '-' is not allowed in identifiers
    True = False # invalid because 'true' is a reserved word in Python
    for = 10 # invalid because 'for' is a reserved word in Python

3.2 注释

注解是为代码所做的文字说明。一般用于解释说明代码的具体功能与意图。这些标记虽然被编译器忽略但会干扰程序的执行流程。
在Python编程中单行注解通常以#符号开头而多行注解则可采用三重双引号或者三重单引号表示并支持如''''''这样的简洁形式。

复制代码
    # this is a single line comment
    
    """ This is a 
    multiline comment."""
    
    '''This is also a 
    multiline comment.'''

3.3 输出

Python中包含了一个名为print()的标准库函数用于将信息输出至标准输出。该函数支持多字符串输入,并将各输入值按顺序排列并以单个空白字符分隔;若print语句跨越多行,则会自动执行。

复制代码
    >>> print("hello, world")
    hello, world
    >>> print("hello,", "world")
    hello, world
    >>> print("the answer is", 42)
    the answer is 42

3.4 输入

Python还支持使用input()函数以字符串形式接收用户的输入。该函数无参数且返回的值是一个字符串。

复制代码
    >>> user_input = input("Please enter your name:")
    Please enter your name:John
    >>> print("Your name is:", user_input)
    Your name is: John

3.5 数据类型

Python提供丰富多样的数据类型。这些数据类型包括整数值和浮点数值以及布尔值类型的字符串型元组型列表型和字典型等。Python拥有的内置数据类型包括以下几个方面:

Numeric Types (包括整数和浮点数), String Data Type, List Structure, Tuples, Dictionary Structure, Set Representation, Boolean Values

3.5.1 数字类型

Python包含以下三种数值类型:整数类型(int)、浮点数(float)和复数类型(complex)。本节我们将从四个不同的角度具体说明这些数值类型的特性与使用方法:

1. 整数类型

整数类型采用十进制形式、八进制形式以及十六进制形式来表示数值。当数值前面带有前缀'0x'或'0o'时,则该数值属于十六进制;而当数值前面带有前缀'0b'时,则该数值属于二进制。

复制代码
    a = 10   # integer
    b = 0xa  # hexadecimal (base 16)
    c = 0o21 # octal (base 8)
    d = 0b10 # binary (base 2)
    e = -30  # negative number
2. 浮点类型

浮点型还可以使用科学计数法来表示,并遵循后方跟随字母"e"或"E"之后出现正负号及指数数字。

复制代码
    f = 3.14          # floating point
    g = 6.02e23       # scientific notation
    h = -2.5e-3       # another way to write g
    i = 3.14j         # complex number (real part 3.14, imaginary part 0)
3. 复数类型

复数形式由实部和虚部组成,在Python编程语言中可以用后缀‘j’来表示虚数单位

复制代码
    j = 2+3j     # complex number
    k = 5*1J     # another way to create k
    l = 4.25e-6J # yet another way to create l
4. 类型转换

Python提供了int(), float()和complex()函数进行类型转换。

复制代码
    m = int('123')    # convert string to integer
    n = float('-3.14') # convert float string to float
    o = str(20)        # convert integer to string
    p = complex(1, 2)  # convert two integers to a complex number
    q = bool(-2)       # convert nonzero value to True, otherwise False
    r = abs(-5)        # absolute value of a number
    s = divmod(7, 3)   # returns tuple containing quotient and remainder
    t = round(3.75)    # rounds off to nearest whole number
    u = ord('A')       # returns Unicode code point of given character
    v = chr(65)        # converts Unicode code point to corresponding character
    w = hex(255)       # returns hexadecimal representation of a number
    x = bin(255)       # returns binary representation of a number
    y = max(3, 5)      # returns maximum of two numbers
    z = min(3, 5)      # returns minimum of two numbers

3.5.2 字符串类型

字符串是最常用的类型之一,并且用于表示文本内容。在Python中,默认情况下字符串的值通常用单引号' '或双引号" "进行表示。

复制代码
    s = 'hello, world!' # string enclosed within single quotes
    t = "I'm learning Python." # string enclosed within double quotes
    u = r'\n'            # raw string notation (escapes backslash but does not interpret any other escape sequences)
    v = "The quick brown fox jumps over the lazy dog.\nA paragraph can have multiple lines."
    w = len(v)           # length of a string
    x = v[0]             # access first element of a string by index
    y = v[-1]            # access last element of a string by index
    z = v[:5]            # slice from start to position 5 (not included)
    aa = v[::2]          # step through the string every second character
    bb = v.upper()       # make all characters uppercase
    cc = v.lower()       # make all characters lowercase
    dd = v.strip()       # remove whitespace at beginning and end of string
    ee = v.replace('dog', 'cat') # replace one substring with another
    ff =''.join(['apple', 'banana']) # join strings with separator space
    gg = ','.join(['apple', 'banana']) # join strings with separator comma
    hh = v.split(' ')    # split the string into substrings based on delimiter

3.5.3 列表类型

作为可变序列的一种形式,列表类型被设计用于存储一组相关数据。在编程语言中,默认情况下,默认情况下,默认情况下,默认情况下,默认情况下

复制代码
    colors = ['red', 'green', 'blue'] # list of three elements
    fruits = [['apple', 'orange'], ['grape']] # nested lists
    numbers = [1, 2, 3, 4, 5]
    squares = [num * num for num in numbers if num > 3] # squares greater than 3
    names = ["Alice", "Bob", "Charlie"]
    sorted_names = sorted(names)              # sort names alphabetically
    reversed_names = reversed(sorted_names)  # reverse order of sorted names

3.5.4 元组类型

元组类型与列表类型在结构上存在相似之处,并非完全等同但具有许多共同特征;其主要区别在于元素的可编辑性方面:元组中的元素是固定不变的;另一方面,在表示形式上:元组由圆括号()包围,并通过逗号分隔其中的各项内容

复制代码
    coordinates = (3, 4)                   # tuple of two coordinates
    coordinates = 3, 4                     # alternate syntax for creating tuples
    numbers = (1, 2, 3, 4, 5)
    sum_squared = sum([num ** 2 for num in numbers]) # compute sum of squares of numbers

3.5.5 字典类型

字典类型是一种不按顺序排列的键-值对集合,并被用于组织信息。其元素以花括号{}包围,并通过冒号分隔键与对应的值;每一对键-值之间则用逗号隔开。

复制代码
    person = {'name': 'John', 'age': 30, 'city': 'New York'} # dictionary of person details
    phonebook = {'Alice': '555-1234', 'Bob': '555-5678'}
    grades = {'Math': 85, 'Science': 90, 'English': 80}
    contacts = dict({'Alice': '555-1234'}, Bob='555-5678') # alternative syntax for creating dictionaries
    employee = dict(name="John Doe", age=30, city="New York") # key-value pairs separated by commas

3.5.6 集合类型

在概念上类似于数学中的集合论框架,在数据组织形式上具有相似性。这种数据结构的主要作用在于有效地组织一组互不相同的元素,在这种数据模型中,每个元素被明确地用大括号{}包围,并通过逗号分隔开来以表示其间的关联关系

复制代码
    unique_numbers = set([1, 2, 3, 4, 4, 5, 5, 6]) # create unique set of numbers
    union = {1, 2, 3}.union({2, 3, 4})             # find union of sets
    intersection = {1, 2, 3}.intersection({2, 3, 4}) # find intersection of sets
    difference = {1, 2, 3}.difference({2, 3, 4})     # find difference between sets

3.5.7 布尔类型

布尔类型仅包含两种可能的取值:True和False。布尔值可被用来表示条件以及逻辑关系。

复制代码
    is_student = True                # boolean flag indicating student status
    status = ""                      # empty string means false
    has_income = None                # null value means false
    is_adult = age >= 18             # check age against threshold to determine adulthood
    can_vote = age >= 18 and income > 5000 # check age and income to determine eligibility for vote

3.6 运算符

Python包含不同种类的操作符号;这些操作符号主要包括:数学计算操作(算术运算)、比较操作(关系)、布尔逻辑操作(逻辑)、按位操作(位)、判断元素是否存在(成员)、判断对象的一致性(身份)等。

3.6.1 算术运算符

Python支持标准的四则运算符(+,-,,/,%,//,* )。还支持矩阵乘法运算符@。

复制代码
    result = 2 + 3 # addition operator
    result = 2 - 3 # subtraction operator
    result = 2 * 3 # multiplication operator
    result = 2 / 3 # division operator
    result = 2 % 3 # modulo operator
    result = 2 // 3 # floor division operator
    result = 2 ** 3 # exponentiation operator
    result = matrix1 @ matrix2 # matrix multiplication operator

3.6.2 关系运算符

Python支持各种类型的关系运算符(==,!=,<,<=,>,>=)。

复制代码
    result = 2 == 3 # equal to operator
    result = 2!= 3 # not equal to operator
    result = 2 < 3  # less than operator
    result = 2 <= 3 # less than or equal to operator
    result = 2 > 3  # greater than operator
    result = 2 >= 3 # greater than or equal to operator

3.6.3 逻辑运算符

Python支持各种类型的逻辑运算符(and,or,not),可以用来组合条件。

复制代码
    result = True and True    # logical AND operator
    result = True or False    # logical OR operator
    result = not True         # logical NOT operator

3.6.4 位运算符

Python支持各种类型的位运算符(&,|,^,~,<<,>>),可以对二进制位进行操作。

复制代码
    result = 0b1010 & 0b1100 # bitwise AND operator
    result = 0b1010 | 0b1100 # bitwise OR operator
    result = 0b1010 ^ 0b1100 # bitwise XOR operator
    result = ~ 0b1010        # bitwise NOT operator
    result = 0b1010 << 2     # left shift operator
    result = 0b1010 >> 2     # right shift operator

3.6.5 成员运算符

Python提供多种类型的成员运算符(in, not in),可用于判断元素是否包含在某个集合中。

复制代码
    fruits = ['apple', 'orange', 'banana']
    result = 'apple' in fruits # check if apple is present in fruit list
    result = 'kiwi' not in fruits # check if kiwi is absent from fruit list

3.6.6 身份运算符

Python包含两个类别的身份运算符(is, is not),其主要功能是检测对象的独特标识。

复制代码
    a = 10   # allocate memory for new object with value 10
    b = 10   # assign same address to b as a initially refers to
    result = a is b # test whether a and b refer to the same object
    result = a is not b # test whether a and b do not refer to the same object

3.7 控制语句

Python支持以下类型的控制语句:

  • 条件语句
  • 循环语句
  • 循环语句
  • 异常处理机制
  • 上下文管理器

3.7.1 If Statement(条件语句)

该If结构通过条件判断来决定执行特定的语句块;一旦条件满足时,则会执行该if语句;否则则会执行else语句。

复制代码
    a = 10
    b = 20
    if a < b:
       print("a is smaller than b")
    elif a == b:
       print("a is equal to b")
    else:
       print("a is larger than b")

3.7.2 For Loop(循环语句)

该循环结构可遍历序列中的每个元素。在Python中,可采用for... in语法或通过迭代器协议来实现for循环。

该循环结构可遍历序列中的每个元素。在Python中,可采用for... in语法或通过迭代器协议来实现for循环。

复制代码
    fruits = ['apple', 'banana', 'orange']
    for fruit in fruits:
    print(fruit)
    
    for i in range(1, 10):
    print(i)
    
    s = "Hello World"
    for char in s:
    print(char)

3.7.3 While Loop(循环语句)

While Loop依据条件判定是否继续执行相应的代码块。当条件满足时运行代码块;否则跳过该循环体。

复制代码
    count = 0
    while count < 5:
    print(count)
    count += 1

3.7.4 Try-Except Block(异常处理语句)

Try-Except块用于捕捉和处理异常。在try代码块发生异常时,则会执行对应的except语句块;如果无异常,则继续执行后续代码。

复制代码
    try:
    age = int(input("Enter your age:"))
    if age < 18:
        raise ValueError("You are too young!")
    elif age > 100:
        raise ValueError("Age out of bounds!")
    except ValueError as error:
    print(error)

3.7.5 With Statement(上下文管理器)

With Statement被设计为让程序在一个特定的上下文中运行代码块,并确保这些关键资源(如文件句柄、数据库连接等)在整个运行过程中始终保持有效性。

复制代码
    with open('filename.txt') as file:
    contents = file.read()
    process_contents(contents)
    
    data = read_data_from_database()
    save_to_file(data)

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