01 计算机基础与Python语言简介

计算机基础与Python简介01本章内容计算机基础概述程序设计语言Python概述Python开发环境的配置库的导入与安装1.1计算机基础概述计算机的发展历程计算机的体系结构自1946年第一台计算机诞生以来，计算机技术先后经历了几次重大技术变革，具有鲜明的时代性。根据计算机技术发展的时代性，将计算机的发展历程总结为4个阶段。1946-1981年，计算机系统结构阶段1982-2007年，网络与信息化阶段2008-2015年，复杂信息系统阶段2016年至今，全面数字化阶段1.1.1计算机发展历程冯·诺依曼计算机体系结构将计算机分成五个组成部分：控制器、运算器、存储器、输入设备和输出设备。控制器：用来管理和控制计算机指令的执行，使其按照预先设定的步骤完成一系列特定任务，是计算机的神经中枢。运算器：计算机中执行各种算术运算和逻辑运算的器件，能够暂时存放计算的中间结果。存储器：用来存放数据和程序的设备，又分为主存和辅存。输入设备：将程序需要的数据或信息输入计算机的设备，如键盘、鼠标、摄像头等。输出设备：接收计算机的运算结果，并以声音、图像、数字或字符等人们熟悉的形式表现出来的设备，如打印器、显示器和绘图仪等。在现代计算机中，控制器和运算器往往组合在一起做成一个硬件设备，就是大家熟知的中央处理器（CPU）。1.1.2计算机体系结构1.2程序设计语言程序设计语言概述编译与解释程序设计语言是书写计算机程序的语言，它由一组符号及一组语法规则构成，能够实现人与机器之间的交互，让机器按照人类设计好指令自动完成各种运算。按照编程语言的特性，将程序设计语言分为低级语言、非面向对象高级语言和面向对象高级语言三个阶段。低级语言阶段（1946-1953年）：低级语言主要是机器语言和汇编语言。非面向对象的高级语言（1954-1982年）：Fortran语言、Algol语言、Basic语言、Pascal语言、C语言等面向对象的高级语言（1983年至今）：C++语言、Java、C#、Python、Golang、Rust等1.2.1程序设计语言概述因中央处理器只能理解和执行机器语言指令，用高级语言编写的程序（又称为源代码）必须翻译成机器语言（又称为目标代码）后执行。翻译方式有两种：编译和解释。编译是将高级语言编写的代码转换成独立机器语言代码的过程，转换后的机器语言程序可以随时执行，执行编译的计算机程序称为编译器。解释是将高级语言编写的源代码逐条转换成机器语言的同时立即运行该条指令，然后不断重复该过程执行程序中的所有指令。执行解释的计算机程序称为解释器。1.2.2编译和解释解释和编译的区别在于编译是一次性地翻译，一旦程序被编译，不再需要编译程序或源代码。解释则在每次程序运行时都需要解释器和源代码。采用编译方式的优点是，对于相同的源代码，编译产生的目标代码执行速度比解释方式更快，并且目标代码不需要编译器就可以运行，在同类操作系统上使用灵活。而采用解释方式的优点是，因为解释执行需要保留源代码和解释器，程序纠错和维护更加方便，并且因为有解释器，源代码可以在任何操作系统上运行，程序的可移植性更好。1.2.2编译和解释根据翻译方式的不用，高级语言按照执行方式可以分为两类：静态语言和脚本语言。静态语言采用编译方式执行，如C、C++和Java等脚本语言采用解释方式执行，如Python、JavaScript、PHP等无论哪种执行方式，用户的使用方式是一致的。1.2.2编译和解释1.3Python概述Python的发展历程Python的特点Python的应用领域Python语言是由荷兰人GuidovanRossum于1990年设计并实现的面向对象程序设计语言。1989年12月，Guido为了打发无趣的圣诞节决心开发一个新的脚本语言作为ABC语言的继承。之所以以Python命名，是因为他当时是英国喜剧团体“MontyPython”的粉丝。1991年，第一个Python公开发行版诞生。2000年，Python2.0发布。2008年Python3.0发布。截至2023年2月，最新版本为3.11.2，于2023年2月8日发布。1.3.1Python的发展历程Python是目前最流行且发展最为迅速的编程语言之一，之所以这么受欢迎，是因为Python具有很多优点。简单易学开源丰富的库可扩展性可移植性好虽然Python语言有很多优点，相比C、C++和Java等传统语言，Python运行速度稍慢是Python最大的不足。在某些领域，使用优化的第三方扩展库能大幅提升Python语句的执行速度。1.3.2Python的特点Python语言的应用领域非常广泛，几乎所有的互联网企业都在使用Python提升运营效率。网络爬虫科学计算数据科学与数据分析人工智能Web开发自然语言处理游戏开发1.3.3Python的应用领域1.4Python开发环境的配置Python开发环境的安装Python代码编辑与运行方式Python程序运行实例安装Python开发环境的关键是安装Python解释器。Python解释器的安装一般有两种方式安装Python官网发行的标准开发环境，后续根据需求手动安装第三方库安装其它公司开发的集成开发环境，可一次性的安装Python标准库和常用的第三方库，如Anaconda、PyCharm等。从Python官网下载对应操作系统的安装包，可直接安装IDLE环境。1.4.1Python开发环境的安装运行Python程序有两种方式：交互式和文件式。交互式指针对用户输入的每条代码，Python解释器立即执行并给出执行结果，然后用户输入下一条代码，解释器再执行，以这种交替的方式执行完所有的程序。文件式，也称为批量式，将程序的所有代码都写入一个或多个文件中，然后由Python解释器批量执行所有代码。交互式适用于程序代码不多的情形，或者用于调试程序。文件式的代码往往有多行，批量执行可以节约人机交互过程中的等待时间。1.4.2Python代码编辑与运行方式交互式有三种启动和运行方法第一种方法是，启动Windows操作系统命令行工具（在搜索框里输入cmd后按回车键），在控制台中输入“Python”后回车，出现>>>提示符,则表示启动成功。在提示符后输入一条代码：print('北京欢迎你！’)1.4.2Python代码编辑与运行方式交互式有三种启动和运行方法第二种方法是，在开始菜单中找到如图1-8所示的Python3.11文件夹，单击Python3.11(64-bit)，可以打开Python编译器自带的命令行窗口，命令提示符>>>已经出现1.4.2Python代码编辑与运行方式交互式有三种启动和运行方法第三种方法是，在开始菜单Python3.11文件夹中，单击IDLE(Python3.1164-bit)，打开Python自带集成开发环境。1.4.2Python代码编辑与运行方式文件式有两种运行方法，不管那种方法，在运行程序之前都必须创建好Python程序文件。第一种方法，使用IDLE。打开如图1-11所示的IDLE界面，点击左上角的File菜单，选择NewFile选项。在打开的编辑窗口中输入合法的Python代码。默认文件名为untitled.py，单击File菜单选择Save选项，将其保存，文件名为circle.py（假设保存在D盘根目录下）。保存好以后单击菜单栏中的Run选择RunModule，或者直接按快捷键F5（有的笔记本电脑需要按Fn+F5键），则程序文件开始运行，完成绘制图形。1.4.2Python代码编辑与运行方式文件式有两种运行方法，不管那种方法，在运行程序之前都必须创建好Python程序文件。第二种方法，Windows操作系统命令运行程序文件。对于刚建立并保存在D盘根目录的circle.py文件，打开操作系统命令行，输入pythond:\circle.py就可以运行该文件。文件式的两种方式运行结果是一样的。1.4.2Python代码编辑与运行方式【例1-1】计算三角形的面积。已知三角形的三条边a、b、c，根据三角形面积的计算公式，交互式执行语句的计算过程如下。>>>importmath#导入数学函数库>>>a=4>>>b=5>>>c=6>>>h=(a+b+c)/2>>>s=math.sqrt(h*(h-a)*(h-b)*(h-c))#sqrt()表示求平方根>>>print(s)9.9215674164922151.4.3Python程序运行实例【例1-1】计算三角形的面积。已知三角形的三条边a、b、c，根据三角形面积的计算公式，交互式执行语句的计算过程如下。1.4.3Python程序运行实例12345678#p1-1.pyimportmath#导入数学函数库a=4b=5c=6h=(a+b+c)/2s=math.sqrt(h*(h-a)*(h-b)*(h-c))#sqrt()表示求平方根print(s)【例1-2】计算1-100之间的所有整数的和。>>>s=0#s存放累加和，初值为0>>>foriinrange(1,101):#range(1,101)产生1-100之间的整数，并逐个取出s=s+i#将每个整数累加到s中>>>print(s)50501.4.3Python程序运行实例1.5库的导入与安装库的导入扩展库的安装Python本身内置了很多功能强大的库，如数学函数math库、绘制图形的turtle库等。Python导入库或模块的方式有普通导入和使用from语句导入两种方式。普通导入：import库名[as别名] >>>importmath>>>math.pow(3,4)#计算3的4次方81.0>>>importmathasm>>>m.exp(3)#计算自然对数e的3次方20.0855369231876681.5.1库的导入使用from语句导入：from库名import对象名[as别名]>>>frommathimportgcd#导入mah库中的gcd函数>>>gcd(16,24)#求两个数的最大公约数8>>>frommathimportsin,cos#同时导入两个函数>>>sin(1),cos(1)#分别求1的正弦值和余弦值(0.8414709848078965,0.5403023058681398)>>>frommathimportfactorialasf#给函数起个别名>>>f(4)#求4！241.5.1库的导入使用from语句导入：from库名import*>>>frommathimport*>>>pow(2,3),exp(1),sin(0),cos(0)#都不需要加库名(8.0,2.718281828459045,0.0,1.0)1.5.1库的导入虽然Python提供了很多标准库，但对很多应用来说还是需要安装一些第三方扩展库来拓展它的功能。目前最常用的第三方库安装方式是采用pip工具安装。pip是Python官方提供并维护的在线第三方库安装工具，已成为管理Python扩展库的主流方式。1.5.2扩展库的安装pip命令描述pipinstall库名安装指定库piplist查看已经安装的第三方库pipinstall–-upgrade库名升级指定库pipuninstall库名卸载已经安装的指定库使用pip安装中文分词库jieba，打开Windows操作系统命令行，输入pipinstalljieba命令并执行，网络下载安装包后自动安装，安装命令及安装成功后的界面如下图。1.5.2扩展库的安装由于某些第三方库只提供源代码，pip下载文件后无法在