Python程序设计 课件 第一章 Python概述

第一章Python概述Python程序设计01初识Python02搭建Python开发环境03Python集成开发环境04本章回顾01初识PythonPython是一种跨平台、开源、免费、面向对象、解释型的高级编程语言。可应用于Web开发、网络爬虫、游戏开发、自动化运维、人工智能等领域。在2022年的TIOBE编程语言排行榜中，Python位居第一。Python的由来1989年圣诞节，荷兰人吉多·范·罗苏姆在阿姆斯特丹家中为打发无趣，决心开发新脚本解释程序，因喜欢《MontyPython飞行马戏团》，将其命名为Python。Python并非凭空创造，源自吉多曾参与设计的闭源编程语言ABC，他借鉴Modula-3、Unixshell和C等语言优点，经过一年多改进优化，1991年第一个Python编译器（解释器）诞生。Python的版本Python有三个主要版本：1.1994年发布1.0版，具多种优秀结构、数据类型及拓展系统。2.2000年发布2.0版，新增功能且转社区开发，后因重复结构模块被3版取代，2020年停止维护。3.2008年推出3.0版，整合标准库，解决2.x问题，回归设计理念，2021年已至3.9.7版。Python的特点优点：1.简单灵活，贴近人类语言，格式要求不严格，专注解决问题。2.免费开源，用户可参与改进性能、弥补漏洞，发展迅猛。3.可移植性强，无需编译，不同平台装解释器即可运行，支持多平台。4.类库丰富，涵盖广，可调用C/C++加速关键代码，是“胶水语言”，社区好，巨头参与，功能全。

Python的特点缺点：1.运行速度慢，一边运行一边“翻译”源代码且作为高级语言多做很多工作，虽远慢于C/C++和Java，但可由硬件性能提升弥补。2.代码加密困难，因是解释型语言直接运行源代码，难以对其加密。Python的应用领域由于Python简单灵活、免费开源、可移植性强等众多优点，Python的应用领域众多，可总结如下图所示。Web开发Python

在Web开发方面优势明显，国内豆瓣网、OpenStack、Dropbox等项目均用Python实现。有多个成熟的Web框架：1.Django：2003年诞生于美国，遵循MVC设计模式，功能完整，2019年12月发布3.0版本，由管理工具、模型、视图、模板、表单、管理站等组成。Web开发2.Flask：2010年出现，面向简单需求和小型应用，轻量级可定制，具有内置开发服务器和调试器等特点。3.Tornado：2009年发布，作为FriendFeed网站基础框架，强大可扩展非阻塞，具有高效网络库、完备WebSocket支持等。4.Twisted：有10多年历史，开源事件驱动型网络框架，支持多种协议，提供客户端和服务器开发工具。网络爬虫Python

在网络爬虫方面应用广泛，Google等公司大量使用。网络爬虫程序主要由四部分组成：1.爬虫调度器：是爬虫入口，负责程序的开始、运行和结束，主要由循环判断待爬取URL集合是否为空。2.URL管理器：辅助调度器管理待爬URL集合和已爬取URL集合，可使用Python的set数据类型。3.网页下载器：是爬虫核心技术之一，会用到Urllib、Requests、Selenuim等库。4.网页解析器：是爬虫另一核心技术和最后一步，从页面提取感兴趣信息，常用解析库有BeautifulSoup、requests-html、XPath等。游戏开发市面上很多游戏用C++写高性能模块，Python或Lua写逻辑。Lua功能简单、体积小，Python支持更多特性和数据类型。国际知名游戏《文明》用Python实现。Python可直接调用OpenGL实现3D绘制，是高性能游戏引擎技术基础，有很多Python语言的游戏引擎如Pygame、Pyglet、Cocos2d等。自动化运维Python自动化运营1.运维自动化目的是实现IT运维质量、降低成本，是将静态设备结构转化为动态弹性响应策略。2.在很多操作系统中，Python是标准组件，可在终端直接运行。3.Python编写的系统管理脚本在可读性、性能、代码重用度及扩展性方面优于普通Shell脚本，适合做自动化运维。4.常用Python运维工具包括Pexpect、Paramiko、Fabric、Ansible、Saltstack等，涵盖自动化操作、系统管理、配置管理、集群管理等主题。科学计算Python科学计算1.Python擅长科学计算和数据分析，能绘制高质量2D和3D图像，有很多成熟开发库如Numpy、SciPy、Pandas、Matplotlib等。2.Numpy是专门用于数值计算的库，可存储处理大型矩阵，底层函数多为C编写，运算速度快，是Scipy、Pandas、SKlearn、Tensorflow等框架基础库。3.Scipy基于Numpy，用于数学、工程等领域，可高效处理统计、积分等问题，与Numpy结合提高科学计算效率。4.Pandas基于Numpy构建，有更高级数据结构和分析能力，提供Series和DataFrame两种核心数据结构，能快速处理多种数据且可与其他库完美集成。5.Matplotlib是最基础核心的数据可视化库，提供多种图表绘制函数及丰富的画布、颜色设置方法。科学计算Python科学计算1.人工智能是热点领域，与传统行业结合是未来方向，人工智能领域工程师热门且工资高。2.

Python在人工智能的机器学习、神经网络、深度学习等方面是主流编程语言。3.

世界优秀人工智能学习框架如TensorFlow、PyTorch、Karas神经网络库等都是用Python实现。4.

由于人工智能的发展，Python近几年发展迅猛，在AI时代作为头牌语言的位置无人可撼动。02搭建Python开发环境工欲善其事，必先利其器。如果需要使用Python，则需要先搭建Python开发环境。Python是跨平台的开发工具，可以在Windows、Linux、macOS等操作系统中进行编程。Windows开发环境搭建在Python官网下载安装包，路径“Downloads—>Windows”Windows开发环境搭建双击下载后的程序（python-3.8.5-amd64.exe）进行安装，选择自定义安装，并勾选“AddPython3.7toPATH”复选框，把Python的执行目录放到系统的PATH环境变量中，这样我们就可以从Windows系统的任何位置调用Python解释器。Windows开发环境搭建在弹出的安装选型中采用默认设置（全选），安装Python文档、安装下载pip工具、安装Tkinter和IDLE开发环境、安装标准库测试套件、安装pylauncher(用于关联.py后缀文件和Python解释器)。Windows开发环境搭建单击“Next”，打开高级选项对话框，重点关注两项，第一，“Installforallusers”，为所有用户安装Python，这样除了当前登陆用户外，Python安装完后本机其他用户也可以使用。第二，根据需要，选择一个安装位置，也可以使用默认位置。选择完成后，就可以单击“Install”按钮开始安装。Windows开发环境搭建安装时间由前面选择的安装内容决定，选择的内容越多所需要的时间就越长。安装完成后，即可看到如右图所示的对话框，单击“Close”按钮关闭此对话框。Windows开发环境搭建安装完成后，需要检查是否安装成功，使用“win+R”快捷键，在运行框中输入“cmd”打开命令行。在命令行中输入“python”,如果出现图1-16框中的信息，即代表安装成功。Windows开发环境搭建Python安装成功之后，我们可以先使用Python输出一首诗，体验一下。在“>>>”之后，我们即可输入Python代码。除了使用命令行编写代码外，我们还可以使用安装Python时自带的工具IDLE，通过IDLE编写代码时，会有不同的颜色显示代码，更容易阅读。Linux开发环境搭建Linux是一套免费使用和自由传播的类Unix操作系统，是一个多用户、多任务，且支持多线程和多CPU的性能稳定的网络操作系统。Linux有上百种不同的发行版，目前主流的包括CentOS、Ubuntu、Fedora、OpenSuse、Debian等。对于Python环境，目前主流的Linux发行版都自带，但是有时由于版本问题还是不能完全满足我们的需求，需要自己搭建开发环境，请扫码查阅：以64位CentOS7系统为例安装Python3。MacOS开发环境搭建和Linux发行版类似，MacOS系统一般会自带Python环境，可以在终端（Terminal）窗口中输入命令“python”来检测安装的Python环境及其版本。从下图可以看出，此MacOS系统中自带的Python环境为2.7.18版本，而如果我们需要使用Python3版本，需要单独进行安装。具体安装方法请扫码查阅。03Python集成开发环境集成开发环境，即IntegratedDevelopmentEnvironment，简写为IDE。用来表示辅助程序员开发的应用软件。使用IDE可以提高开发效率，常用的PythonIDE包括IDLE、PyCharm、Anaconda等。IDLEIDLE是在Windows上安装Python环境时，选择安装的，IDLE比较轻量级，界面比较简单，包含了代码编辑、解释执行、代码跟踪调试等功能，在上一小节中我们已经使用过这个工具。IDLE分为初始时的交互模式（交互窗口）、编辑模式和调试模式，我们之前使用的就是交互模式。IDLE编辑模式编辑模式需要从交互窗口进入，选择“File”菜单下的“NewFile”子菜单。编辑模式是一个独立的窗口，初始状态是一个空的文档，等待输入代码。在编辑模式下，代码编辑完成后，首先要把它保存成一个Python源码文件。选择“File”菜单中的“Save”子菜单，或者按下“ctrl+s”快捷键，把代码保存成一个.py后缀的文件。详见右图。IDLE编辑模式代码保存后就可以使用解释器对它解释执行了。选择“Run”菜单下的“RunModule”子菜单，或按下“F5”快捷键，就会对当前打开的Python文件进行解释执行。执行的结果会在交互窗口中显示出来。IDLE调试模式如果对代码执行的结果有疑问，可以启动调试模式。调试模式也要从交互窗口的菜单里打开（“Debug”菜单下的“Debugger”子菜单）。IDLE编辑模式如果需要在代码中加断点，可以在代码编辑窗口中，右键单击要添加断点的代码行，在弹出的菜单中，选择“SetBreakpoint”即可。添加了断点的代码行会自动设置成黄色，这时按下“F5”启动代码执行，就会进入调试模式，并且执行到断点处自动停止。PyCharmPyCharm是目前Windows下一个比较流行的、且功能比较强大的IDE。它是Jetbrains公司的一款商业软件，需要付费购买使用。但同时它也提供了一个免费的社区版本，功能比付费版本少一些。PyCharmPyCharm的安装步骤很简单，由于本书不以PyCharm为主要使用工具，在这里就不详细介绍其安装步骤了，下面列出了安装时需注意的几点问题：

1.选择安装位置时，选择的安装盘剩余空间一定不能小于PyCharm所需空间。

2.在选择安装选项时，可以根据需要适当勾选。

3.安装完成后，第一次打开PyCharm需要做一些设置。AnacondaAnaconda是目前比较流行的Python发行版本，它有强大的包管理与环境管理功能，Anaconda中除了包含Python的基本环境和内置库以外，还会安装一些常用的第三方包，使用起来很方便。由于安装Anaconda会自动安装JupyterNotebook，而JupyterNotebook做为一个交互式的工具，非常适合初学者，也是我们这本书主要使用的工具，请读者扫码学习Anaconda的下载和安装过程。JupyterNotebookJupyterNotebook是一个交互式的环境，其本质是一个Web应用程序，便于创建和共享程序文档，可以一边写代码一边记笔记，如果电脑中已安装了Anaconda，那么单击开始菜单栏中的“JupyterNotebook”即可进入。JupyterNotebook在JupyterNotebook主页的菜单栏上，有Files（文件）、Running（运行）、Clusters（集群）三个选项，我们用的最多的就是Files，可以对文件进行复制、重命名、移动、下载、删除等操作。案例【案例描述】所谓体脂率就是人体内脂肪重量在人体总体重中所占的比例，它反映人体内脂肪含量的多少。男性和女性的体脂率正常范围不同，男性为15%~18%，女性为25%~28%，体脂率过高和过低都影响健康。计算体脂率首先需要计算出BMI（BodyMassInde