第2章 开启Python之旅本章主要介绍Python的基础知识，为后续章节学习相关内容做铺垫。2.1 认识程序旅行前，我们要先熟悉地名，知道去哪里旅行，将会经过哪里。学习编程语言也一样，在学习之前要先了解程序、调试、语法错误、运行错误、语义错误等知识。2.1.1 程序我们都知道，出门旅行肯定要选择交通工具，现在常用的交通工具有飞机、火车、轮船、汽车等，我们会根据自己的喜好和一些其他因素选择对应的交通工具。编程语言也一样，我们选择一门编程语言就相当于选择一种交通工具，那么，编程语言的“交通”工具是什么呢？是程序。程序是指根据语言提供的指令按照一定逻辑顺序对获得的数据进行运算，并最终返回给我们的指令和数据的组合。在这里，运算的含义是广泛的，既包括数学计算之类的操作(如加减乘除)，又包括寻找和替换字符串之类的操作。数据依据不同的需要组成不同的形式，处理后的数据也可能以另一种方式体现。程序是用语言写成的。语言分高级语言和低级语言。低级语言有时叫机器语言或汇编语言。计算机真正“认识”并能够执行的代码，在我们看来是一串0和1组成的二进制数字，这些数字代表指令和数据。早期的计算机科学家就是用这些枯燥乏味的数字编程。低级语言的出现是计算机程序语言的一大进步，它用英文单词或单词的缩写代表计算机执行的指令，使编程的效率和程序的可读性都有了很大提高，但它仍然和机器硬件关联紧密，不符合人类的语言和思维习惯，而且要想把用低级语言写的程序移植到其他平台，就必须重写。高级语言的出现是程序语言发展的必然结果，也是计算机语言向人类的自然语言和思维方式逐步靠近和模拟的结果。由于高级语言是对人类逻辑思维的描述，用高级语言写程序会感到比较自然，读起来也比较容易，因此现在大部分程序都是用高级语言写的。高级语言设计的目的是让程序按照人类的思维和语言习惯书写，是面向人的，而不是面向机器。我们用着方便，机器却无法读懂，更谈不上运行。所以，用高级语言写的程序必须经过“翻译”程序的处理，将其转换成机器可执行的代码，才能运行在计算机上。如果想把高级语言写的程序移植到其他的平台，只需在它的基础上做少量更改就可以了。高级语言翻译成机器代码有两种方法，即解释和编译。解释型语言是边读源程序边执行。高级语言就是源代码。解释器每次会读入一段源代码，并执行它，接着再读入并执行，如此重复，直到结束，图2-1显示了解释器的结构。这个有点类似在乡村里搭乘公交，只要碰到路上有人等公交，就停下来载人。编译型语言是将源代码完整的编译成目标代码后才能执行，以后在执行时不需要再编译。图2-2显示了一个编译器的结构，这个有点类似我们乘坐的直达车，所有要乘车的人都从起点上车，中途不再搭载其他乘客。 图2-1 解释型语言的执行方式 图2-2 编译型语言的执行方式2.1.2 调试每当远游时，司机肯定要做几件事情，如检查发动机是否正常、检查油箱、检查各项安全系统和液压系统等，为的是尽可能减少在路途中发生意外情况。我们编程也是一样的，需要经常做检查。有一些问题编译器会帮助我们检查出来，问题查出后，简单的可以直接解决，对于稍微复杂的，需要通过调试来解决。程序是很容易出错的。程序错误被称为bug，查找bug的过程称为调试(debugging)。我们在第1章中已经介绍过一个很简单的调试示例。2.1.3 语法错误在生活中有时会碰到这样的情况，你本应买今天去某地的火车票，已经买好了，但当进站检票时，系统告诉你票不是今天的，这时你才发现购买车票时输错了日期。程序中这种错误比生活中出现的次数多很多，称为语法错误(syntax errors)。Python程序在语法正确的情况下才能运行，否则解释器会显示一条错误信息。语法指的是程序的结构和此结构的规则。比如第1章的('Hello,world!')，括号中的单引号是成对的，执行时才能正确执行。如果输入('Hello,world!)或(Hello,world!')就会报错，这属于语法错误。我们在阅读文章或听人讲话时，可以容忍大多数语法错误，不过Python并不如此宽容。程序中只要出现一处语法错误，Python就会显示错误信息并退出，从而无法通过编译。就如我们进站，一旦票不满足进站要求，就无法进入一样。在编程生涯的开始阶段，可能每踏出一步都会碰到大量语法方面的错误，随着经验的增加，犯错会减少，踩过坑后，后面遇到类似的坑就能快速应对了。2.1.4 运行错误我们可能在奔跑的交通工具内愉悦地欣赏着远途的风景，但此时交通工具突然慢慢停下来了，并且司机对大家宣布说，交通工具抛锚了。例如，出现轮胎破损、没油了、发动机坏了、撞车事故等。在Python中经常会遇到类似的错误，称之为运行时错误(runtime errors)。即使是看起来无缺的程序，在运行的过程中也会出现错误。有人说，计算机不是善于计算吗？确实如此。不过错的不是计算机，而是我们人类。计算机说到底是人类设计的，是我们所用的工具，和电视机、汽车从本质上来说是一样的。鉴于现在计算机软硬件的理论水平、工业制造水平、使用者的水平等一些内在、外在的因素，出现错误并不稀奇，且程序越复杂，出现异常的概率越大。异常的种类很多，如内存用尽、除数为零的除法等都可能导致异常。Python为了把错误的影响降至低，提供了专门的异常处理语句。运行时错误一般在代码量偏多时才容易遇到。2.1.5 语义错误经常乘坐交通工具，难免有乘错车的情况出现，比如你本应该乘坐801路车，却坐上了802路车，结果到达了不同的地方。在Python中经常会发生类似的问题，此类问题称为语义错误(semantic errors)。程序即使有语义错误，也能正常运行，不会产生任何错误信息，但得到的结果和我们预料的不一致。发生这种错误一般是我们对语句的运行机制了解得不够透彻，自以为它应该如此运行，实际上却不是这样。还有可能是你解决问题的思路本身就是错的，写的程序当然是错的。查找语义错误并不像我们坐错了车那么容易，它可能需要你根据结果进行推理，不过推理的过程没有那么简单易行，需要查看程序输出，并尝试弄明白到底做了什么。2.2 数据类型计算机是可以做数学计算的机器，计算机程序理所当然可以处理各种数值。计算机能处理的远不止数值，还有文本、图形、音频、视频、网页等各种各样的数据，不同的数据需要定义不同的数据类型。Python 3中有6种标准的数据类型：Number(数字)、String(字符串)、List(列表)、Tuple(元组)、Sets(集合)、Dictionary(字典)。本节首先讲解Number数值类型，其他5种数据类型在后续章节介绍。Python 3支持3种不同的数值类型：整型(int)、浮点型(float)、复数(complex)。2.2.1 整型int通常被称为整型或整数，是正、负整数，不带小数点。在Python 3中，整型没有限制大小，可以当作long类型使用，所以Python 3没有Python 2的long类型。例如，公司组织旅游，大家坐上了大巴准备出发，现在需要统计有多少人在车上，boss吩咐小萌清点一下人数，小萌花了两分钟逐个点了一遍，总计51人。小萌在交互模式下输入：>>> 5151这里使用的就是整形。到服务区后，大家休息了一下，再次准备出发时，boss又吩咐小萌清点一下人数。小萌苦笑一下，看来又得花两分钟清点人数了，为什么不叫一个人帮忙从车的另一头清点呢？于是小萌叫小智帮忙从另一头清点一下人数。一分钟后，小萌和小智在车中间碰上了，小智告诉小萌他的计数是25人，小萌在交互模式下输入：>>> 25 2550小萌准备把数字报告给boss，突然想到上次报告的是51人，这次是50人，数字不同啊，还差1人，小萌在交互模式下输入：>>> 51-501怎么少了一人呢？小萌突然慌了，然后仔细一想，原来是把自己忘加上了，于是再次输入：>>> 25 25 151这次没问题了。于是小萌给了boss和上次一样的答案。boss示意司机可以发车了，又突然叫停，看天气挺热的，大家路上可能会口渴，于是吩咐小萌去服务区给每人买两瓶水，再买一大包糖给大家在路上补充能量。每人两瓶水，一共要买多少瓶呢？小萌在交互模式下输入：>>> 512102一共要买102瓶水，这么多，于是小萌让小智帮忙一起去提水。水和糖都买回来了，水好分，给每人两瓶就是，这一大包糖该怎么给大家呢？看包装袋上有总颗数，一共有153颗，每人多少颗呢？小萌在交互模式下输入：>>> 153/513.0好了，给每人发3颗糖就可以了。于是小萌高高兴兴发糖去了，小智也帮忙一起发，每人给3颗。糖终于发完了，小萌很惬意，坐下来补充能量。小萌突然想到了什么，有153颗糖，分给51人，每人3颗糖没错，但计算出来的结果怎么是3.0呢？假如有155颗糖，计算结果会是怎样的呢？输入以下数据：>>> 155/513.0392156862745097如果按这个结果分，就没有办法分了。这是怎么回事呢？原因是：在整数除法中，除法(/)计算结果是浮点数，即使两个整数恰好整除，结果也是浮点数。如果只想得到整数的结果，丢弃可能的分数部分，可以使用地板除(//)，整数的地板除(//)永远是整数，即使除不尽。更改前面输入的数据：>>> 153//513这时就不是浮点数了。再看看155颗糖的结果：>>> 155//513153和155除以51都是3，这个就不对了。原来还有一个余数。因为地板除(//)只取结果的整数部分，所以Python提供了一个余数运算，可以得到两个整数相除的余数，看看153和155对51的取余：>>> 153%510>>> 155%512这次的结果就是想要的了。假如有155颗糖，就会多出2颗。小萌细细想着，嘴角泛起一丝自然的微笑，小智也发完糖了，过来向小萌汇报，看见小萌的表情，小智心里顿时暖暖的，无须报告了。2.2.2 浮点型浮点型由整数部分与小数部分组成，也可以使用科学计数法表示。比如，小萌还在细想中，boss突然打断了她的思维，问她总共花了多少钱。小萌理了一下思绪，每瓶水3.3元，一共102瓶，总共多少钱呢？输入如下：>>> 3.3102336.59999999999997结果怎么这么长？小萌看傻了，不过冷静一看，原来是：整数和浮点数在计算机内部存储的方式不同，整数运算永远是的，而浮点数运算可能会有四舍五入的误差。“boss，一共336.6元”。“好的，加上买糖的钱了吗”？小萌暗骂自己，瞧我这脑筋。再计算一次，每瓶水3.3元，一共102瓶，再加上一包糖15.5元，输入如下：>>> 3.3102 15.5352.09999999999997这结果好像很凌乱，应该这么输入：>>> 336.6 15.5352.1这个结果就好看多了。报告给boss，一共花费352.1元。小萌又开始思考了，浮点数相乘结果这么怪，浮点数的除法是怎样的呢？想到了就实践，输入如下：>>> 153/51.03.0这个结果和153除以51的结果是一样的，如果155除以51.0呢？输入如下：>>> 155/51.03.0392156862745097结果和155除以51也是一样的。那做地板除和取余又是怎样的呢？输入如下：>>> 155//51.03.0>>> 155%51.02.0可以看出，得到的结果都是浮点型的。2.2.3 复数复数由实数部分和虚数部分构成，可以用a bj或complex(a,b)表示，复数的实部a和虚部b都是浮点型。Python支持复数，不过Python的复数我们当前阶段使用或接触的比较少，此处就不再具体讲解，读者有一个概念即可，有兴趣可以自行查阅相关资料。2.2.4 数据类型转换有时我们要对数据内置的类型进行转换，只需要将数据类型作为函数名即可。数据的类型转换时有如下4个函数可以使用：? int(x) 将x转换为一个整数。? float(x) 将x转换为一个浮点数。? complex(x) 将x转换为一个复数，实数部分为 x，虚数部分为 0。? complex(x, y) 将x和y转换为一个复数，实数部分为x，虚数部分为y。x和y是数字表达式。比如，小萌去购物，计算出应付金额是352.1元，超市老板为免除找零的麻烦，让小萌支付352元。Python中的转换可以如下执行：>>> int(352.1)352很容易就得到了转换后的结果。但是金额的操作必须用浮点数进行记账，这个容易，用float函数就行了。输入如下：>>> float(352.1)352.1这样就得到了浮点型数据。结果跟输入的一样，这下怎么办呢？把int函数放入float函数中是否可以呢？尝试一下：>>> float(int(352.1))352.0这里先把352.1取整，得到整数352，再用float将352转换成浮点数352.0，这样就得到我们需要的结果了。虽然输入的字符看起来有点复杂，但是还是得到结果了。这其实是函数的嵌套，后面会进行具体介绍，此处做相关了解即可。2.2.5 常量所谓常量，就是不能变的变量，比如常用的数学常数π就是一个常量。在Python中，通常用全部大写的变量名表示常量。Python中有两个比较常见的常量，即PI和E。? PI：数学常量pi(圆周率，一般以π表示)。? E：数学常量e，即自然常数。这两个常量将会在后续章节中使用，具体的用法在使用中体现。2.3 变量和关键字编程语言最强大的功能之一是操纵变量。变量(variable)是一个需要熟知的概念，如果你觉得数学让你抓狂，别担心，Python中的变量很好理解。变量基本上代表某个值的名字。2.3.1 变量变量指向各种类型值的名字，以后再用到这个值时，直接引用名字即可，不用再写具体的值。在Python中，变量的使用环境非常宽松，没有明显的变量声明，而且类型不是固定的。你可以把一个整数赋值给变量，如果觉得不合适，把字符串赋给变量也可以。在Python中，等号(=)是赋值语句，可以把任意数据类型赋值给变量。如果要定义一个名为xiaohong的变量，该怎么操作呢？输入如下：>>> xiaohong='XiaoHong'>>>字符串必须以引号标记开始，并以引号标记结束。此操作解释：xiaohong是我们创建的变量，=是赋值语句，XiaoHong是变量值，需要用引号标记。整句话的意思为：创建变量xiaohong并赋值为XiaoHong。小萌疑惑了，怎么前面输入后按回车键就能输出内容，这里怎么跳到输入提示状态呢？别急，还记得前面讲的print()吗？print()是输出函数，看看这里，没有使用输出函数，屏幕上当然不会输出内容了。要输出内容应该怎么操作呢？我们尝试一下：>>> print(xiaohong)XiaoHong不错，尝试成功了。但为什么小萌输入的是print(xiaohong)，结果却输出XiaoHong呢？这就是变量的好处，可以只定义一个变量，比如xiaohong，把一个值赋给这个变量，比如XiaoHong，这样当我们输出xiaohong时，实际上输出的是XiaoHong。在使用变量前需要对其赋值。没有值的变量是没有意义的，编译器也不会编译通过。例如，定义一个变量为abc，不赋任何值，输入及结果如下：>>> abcTraceback (most recent call last): File "", line 1, in abcNameError: name 'abc' is not defined同一个变量可以反复赋值，而且可以是不同类型的变量，输入如下：>>> a = 123 123>>> a='ABC'>>> print(a)ABC这种变量本身类型不固定的语言称为动态语言，与之对应的是静态语言。静态语言在定义变量时必须指定变量类型，如果赋值时类型不匹配就会报错。和静态语言相比，动态语言更灵活。当不能确定变量或数据的类型时，可以借助解释器内置的函数type进行确认。在交互模式下可以如下输入：>>> type('Hello,world!')测试得到输入的结果类型是字符串类型(str)。>>> type(100)测试得到输入的结果类型是整型(int)。>>> type(3.0)测试得到输入的结果类型是浮点型(float)。>>> a='test type'>>> type(a)测试得到输入的结果类型是字符串类型(str)。>>> b=100>>> type(b)测试得到输入的结果类型是整型(int)。>>> c=3.0>>> type(c)测试得到输入的结果类型是浮点型(float)。只要是用双引号或单引号括起来的值，都属于字符串。交互模式下输入：>>> type('test single quotes')>>> type("test double quote")>>> type("100")>>> type("3.0")>>> b=3>>> type(b)>>> b=100>>> type(b)>>> c=3.0>>> type(c)测试得到输入的结果类型都是字符串类型(str)。注意不要把赋值语句的等号等同于数学中的等号。比如下面的代码：a = 100a = a 200小萌一脸疑问，a = a 200是什么等式啊？读书时不知道在这个等式上花费了多少脑细胞，可别再拿这个骗我了，我可是读过小学的。小萌啊小萌，计算机可不是人脑，也不需要遵循学校的知识，计算机有计算机的思考方式。在编程语言中，赋值语句先计算右侧的表达式a 200，得到结果300，再赋给变量a。由于a之前的值是100，重新赋值后，a的值变成300。我们通过交互模式验证，输入如下：>>> a=100>>> a=a 200>>> print(a)300和我们所描述的结果一致。理解变量在计算机内存中的表示也非常重要。当我们输入如下：>>> a='ABC'这时，Python解释器做了两件事情：(1)在内存中创建了一个'ABC'字符串。(2)在内存中创建了一个名为a的变量，并把它指向'ABC'。也可以把一个变量a赋值给另一个变量b，这个操作实际上是把变量b指向变量a所指向的数据，例如下面的代码：>>> a='ABC'>>> b=a>>> a='XYZ'>>> print(b)一行输出变量b的内容到底是'ABC'还是'XYZ'呢？如果从数学意义上理解，就会错误地得出b和a相同，应该是'XYZ'。实际上，b的值是'ABC'。我们一行一行执行代码，就可以看到到底发生了什么事。执行a = 'ABC'，解释器创建了字符串'ABC'和变量a，并把a指向'ABC'，如图2-3所示。 图2-3 a指向'ABC'执行b = a，解释器创建了变量b，并把b指向a指向的字符串'ABC'，如图2-4所示。 图2-4 a、b指向'ABC'执行a = 'XYZ'，解释器创建了字符串'XYZ'，并把a的指向改为'XYZ'，但b没有更改，如图2-5所示。 图2-5 a指向'XYZ'，b不变输出变量b的结果自然是'ABC'了。2.3.2 变量名称程序常常选择有意义的名称作为变量名，以此标记变量的用途。变量名是由数字或字符组成的任意长度的字符串，必须以字母开头。使用大写字母是合法的，但变量名建议使用小写字母开头。Python是区分大小写的。举个例子来说，Name和name是两个不同的变量名。交互模式中输入如下：>>> name='study python is happy'>>> Name='I aggree with you'>>> print(name)study python is happy>>> print(Name)I aggree with you下划线“_”可以出现在变量名中，经常用于连接多个词组，如happy_study, do_it_with_ more_practice。交互模式输入如下：>>> happy_study='stay hungry stay foolish'>>> print(happy_study)stay hungry stay foolish如果给变量取非法的名称，解释器就会显示语法错误。请看下面的示例：>>> 2wrongtest='just for test'SyntaxError: invalid syntax该示例提示语法错误，错误信息为无效的语法，原因为不是以字母开头的。>>> xiaoming@me='surprised'SyntaxError: can't assign to operator该示例提示语法错误，错误信息为不能做指定操作，原因是包含一个非法字符@。Python不允许使用关键字作为变量名，请看下面的例子：>>> from='from'SyntaxError: invalid syntaxfrom是Python的一个关键字，因此出现错误。Python 3中共有33个关键字，都不能作为变量名来使用。False None True and as assert breakclass continue def del elif else exceptfinally for from global if import innonlocal lambda is not or pass raisereturn try while with yield2.4 语 句语句是Python解释器可以运行的一个代码单元，也可以理解为可以执行的命令。我们目前已经使用了两种语句：print打印语句和赋值语句。赋值语句有两个作用：一是建立新的变量，二是将值赋予变量。任何变量在使用时都必须赋值，否则会被视为不存在的变量。看了上百字，也没明白什么是语句，小萌暗自抱怨到。于是她随手在交互模式下输入 如下：>>> advice='boss,we want have a lunch'刚输完一句，小萌就停下了，等等，刚才输入的不就是语句吗？前面都做过不少示例了，看看还用过什么语句。在交互模式下写的及时个程序不就是print语句吗？对了，还可以知道这个语句中advice的类型是什么样的。小萌想完，在交互模式下输入如下：>>> type(advice)这个语句中advice的类型是字符串(str)类型。还有什么类型的赋值语句呢？对了，前面还学习了整型和浮点型，交互模式输入：>>> money=99999999>>> type(money)>>> spend=1.11111111>>> type(spend)不错，把之前学习的温习了一下。于是小萌又在交互模式下输入如下：>>> so happySyntaxError: invalid syntax哎呀，怎么又犯糊涂了，变量是一定要赋值的。于是重新输入：>>> print('so happy,it is a perfect forenoon')so happy,it is a perfect forenoon小萌突然感觉有人站在自己旁边，原来是小智。小智盯着交互模式输入界面，突然说道：&ldq