Python入门基础

文章目录

• [1. 计算机基础概念](#1. 计算机基础概念)
• • 什么是计算机？
  • 什么是编程？
  • 编程语言有哪些？
• [2. Python 背景知识](#2. Python 背景知识)
• • [🍑 Python 是咋来的？](#🍑 Python 是咋来的？)
  • [🍑 Python 都能干啥？](#🍑 Python 都能干啥？)
  • [🍑 Python 的优缺点](#🍑 Python 的优缺点)
  • [🍑 搭建 Python 环境](#🍑 搭建 Python 环境)
• [3. 常量和表达式](#3. 常量和表达式)
• [4. 变量和类型](#4. 变量和类型)
• • [🍑 变量是什么](#🍑 变量是什么)
  • [🍑 变量的语法](#🍑 变量的语法)
  • • [🍅 定义变量](#🍅 定义变量)
    • [🍅 使用变量](#🍅 使用变量)
  • [🍑 变量的类型](#🍑 变量的类型)
  • • [🍅 整数](#🍅 整数)
    • [🍅 浮点数（小数）](#🍅 浮点数（小数）)
    • [🍅 字符串](#🍅 字符串)
    • [🍅 布尔](#🍅 布尔)
    • [🍅 其他](#🍅 其他)
  • [🍑 为什么要有这么多类型？](#🍑 为什么要有这么多类型？)
  • [🍑 动态类型特性](#🍑 动态类型特性)
• [5. 注释](#5. 注释)
• • [🍑 注释是什么](#🍑 注释是什么)
  • [🍑 注释的语法](#🍑 注释的语法)
  • • [🍅 注释行](#🍅 注释行)
    • [🍅 文档字符串](#🍅 文档字符串)
    • [🍅 注释的规范](#🍅 注释的规范)
• [6. 输入输出](#6. 输入输出)
• • [🍑 和用户交互](#🍑 和用户交互)
  • [🍑 通过控制台输出](#🍑 通过控制台输出)
  • [🍑 通过控制台输入](#🍑 通过控制台输入)
• [7. 运算符](#7. 运算符)
• • [🍑 算术运算符](#🍑 算术运算符)
  • 关系运算符
  • [🍑 逻辑运算符](#🍑 逻辑运算符)
  • [🍑 赋值运算符](#🍑 赋值运算符)
  • [🍑 其他](#🍑 其他)

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1. 计算机基础概念

什么是计算机？

很多老一辈的人，管下面这个叫做计算机，然鹅，它只是 "计算器"，和计算机是有很大区别的。

现在我们所说的计算机，不光能进行算术运算，还能进行逻辑判断，数据存储，网络通信等等功能，以至于可以自动的完成非常复杂的工作。

以下这些都可以称为 "计算机"。

总的来说，一台计算机，主要由以下这几个重要的组件构成：

• CPU
• 存储器（内存，硬盘等）
• 输入设备（键盘，鼠标等）
• 输出设备（显示器, 音响等）

CPU 是目前人类科技的巅峰之作，科技含量能和 CPU 相提并论的，只有氢弹了。

美国限制向中国出口 "芯片"，这里的芯片主要指的就是 CPU。目前国内虽然有自主研发 CPU 的能力，但是整体的水平，相比于国际一线的 Intel，AMD 等厂商相比，还是有一定的差距的。

有的同学可能说，重要的硬件不是还有显卡嘛？都老贵了！

其实显卡（GPU）是和 CPU 类似的计算芯片：

• CPU 是 "通用计算芯片"，可以处理各种场景下的各种问题。就像高校培养的学生，可以在各个
  行业各个领域贡献力量。
• GPU 是 "专用计算芯片"， 特别擅长处理浮点数运算。就像比特培养的学生，专注于互联网软件
  技术。

以上的组成结构，称为 "冯诺依曼体系结构"。冯诺依曼大佬，正是计算机的祖师爷。

冯诺依曼除了是计算机祖师爷之外，还是一位数学家、物理学家、化学家，"博弈论" 的创始人，参与过曼哈顿计划（担任原子弹制造顾问）。

据传闻，冯诺依曼大佬六岁心算八位数除法，八岁掌握微积分，十岁通读了世界史，十七岁发表了第一篇数学方面的论文。

计算机的祖师爷，除了冯诺依曼之外，还有一位图灵大佬，也在二战中发挥了至关重要的作用。

什么是编程？

计算机需要硬件赋予之躯体，也需要软件赋予之灵魂。

"软件"（或者叫做 程序）指挥了计算机要按照什么样的规则来执行任务。

制作软件，就是在明确这个软件要完成什么样的任务，这个过程就称为 "编程"。

程序员进行编程的过程中，需要使用一个专门的方式和计算机沟通，就是 "编程语言"。

使用编程语言编写软件的具体过程，就称为 "软件开发"，俗称 "敲代码"。

计算机是一个铁憨憨，不能直接理解人类的语言。

编程语言有哪些？

编程语言大体可以分成三个大类

• 机器语言
• 汇编语言
• 高级语言

其中机器语言和汇编语言都是更贴近计算机的，人类理解起来并不容易，因此目前程序员使用的编程语言主要是高级语言。

可以看到，Python 在这个走势中是名列前茅的。

2. Python 背景知识

🍑 Python 是咋来的？

吉多·范罗苏姆（Guido van Rossum) 是一个荷兰程序员（人称龟叔，名字前三个字母是 Gui)。

龟叔在 1989 年圣诞节的时候（当时 33 岁），因为在家里待着无聊，为了打发时间，开始了 Python 的开发。第一个正式版本发布于 1991 年。

另外，1991 年是一个神奇的年份，Python、万维网、Linux、Vim、Qt、第一台笔记本电脑等，都诞生于 1991 年。

🍑 Python 都能干啥？

经历了多年的发展，Python 目前是一个应用场景非常广泛的编程语言，他应用如下：

• 科学计算&数据分析
• Web 开发（搭建网站）
• 自动化运维
• 人工智能
• 爬虫程序
• 自动化测试

🍑 Python 的优缺点

优点：

• 语法言简意赅，容易上手
• 功能强大，用途广泛
• 生态丰富，具有海量的成熟第三方库
• 方便调用 C/C++ 编写的代码进行 高性能/系统级 操作

缺点：

• 执行效率比较弱
• 对于多核心并发程序支持偏弱
• 动态类型系统对于大型项目不太友好

🍑 搭建 Python 环境

这里可以自己在网上找一些教程，不做过多概述。

3. 常量和表达式

print 是一个 Python 内置的函数，可以使用 +- * / ( ) 等运算符进行算术运算，先算乘除，后算加减，运算符和数字之间，可以没有空格，也可以有多个空格，但是一般习惯上写一个空格（比较美观）

print(1 + 2 - 3)
print(1 + 2 * 3)
print(1 + 2 / 3) 
print((67.5 + 89.0 + 12.9 + 32.2) / 4)

运行结果：

形如 1 + 2 - 3 这样是算式，在编程语言中称为 表达式，算式的运算结果，称为 表达式的返回值。

其中 1，2，3 这种称为 字面值常量；+，-，*，/ 这种称为 运算符 或者 操作符。

注意：在C / Java 中 2 / 3 结果为 0（小数部分被截断），但是在 Python 中得到的结果则是一个小数，更符合日常使用的直觉。

4. 变量和类型

🍑 变量是什么

有的时候，我们需要进行的计算可能更复杂一些，需要把一些计算的中间结果保存起来，这个时候就需要用到 变量。

例如：给定四个分数，67.5，89.0，12.9，32.2，编写代码，求这四个分数的方差。

方差的计算过程：取每一项，减去平均值，计算平方，再求和，最后除以 (项数 - 1)

在这个代码中，就需要先计算这四个数字的平均值，然后再计算方差。这就需要把计算的平均值使用 变量 保存起来。

# 下面代码是计算方差
avg = (67.5 + 89.0 + 12.9 + 32.2) / 4
total = (67.5 - avg) ** 2 + (89.0 - avg) ** 2 + (12.9 - avg) ** 2 + (32.2 - avg) ** 2
result = total / 3
print(result)

变量可以视为是一块能够容纳数据的空间，这个空间往往对应到 "内存" 这样的硬件设备上。

我们可以把内存想像成是一个宿舍楼，这个宿舍楼上有很多的房间，每个房间都可以存放数据，衡量内存的一个重要指标就是内存空间的大小。

比如我的电脑内存是 32GB，这个数字越大，意味着内存的存储空间就越大，能够存放的数据(变量) 就越多。

🍑 变量的语法

🍅 定义变量

创建变量的语句非常简单，例如：

a = 10

其中：

• a 为变量名，当我们创建很多个变量的时候，就可以用名字来进行区分。
• = 为赋值运算符，表示把 = 右侧的数据放到 = 左侧的空间中。

另外，变量的名字要遵守一定规则。

硬性规则：

• 变量名由数字字母下划线构成。
• 数字不能开头。
• 变量名不能和 "关键字" 重复。
• 变量名大小写敏感：num 和 Num 是两个不同的变量名。

软性规则：

• 变量名使用有描述性的单词来表示，尽量表达出变量的作用。
• 一个变量名可以由多个单词构成，长一点没关系，但是含义要清晰。
• 当变量名包含多个单词的时候，建议使用 "驼峰命名法"。形如 totalCount、personInfo 这种，除了首个单词外，剩余单词首字母大写。

🍅 使用变量

读取变量的值

a = 10
print(a)

修改变量的值

a = 20
print(a)

注意： 在 Python 中，修改变量也是使用 = 运算，看起来和定义变量没有明显区别。

当然，也可以用一个变量的值赋给另外一个变量。

a = 10
b = 20
a = b
print(a)
print(b)

🍑 变量的类型

变量里面存储的不仅仅是数字，还可以存储其它种类的数据。为了区分不同种类的数据，我们引入了 "类型" 这样的概念。

注意： 和 C++ / Java 等语言不同，Python 变量的类型不需要显式指定，而是在赋值的时候确定的。

🍅 整数

type 和 print 类似，也是 python 内置的函数。可以使用 type 来查看一个变量的类型。

a = 20
print(type(a))

运行结果：

注意： 和 C++ / Java 等语言不同，Python 的 int 类型变量，表示的数据范围是没有上限的，只要内存足够大，理论上就可以表示无限大小的数据。

🍅 浮点数（小数）

a = 2.5
print(type(a))

运行结果：

注意： 和 C++ / Java 等语言不同，Python 的小数只有 float 一种类型，没有 double 类型。但是实际上 Python 的 float 就相当于 C++ / Java 的 double，表示双精度浮点数。

关于单精度浮点数和双精度浮点数的问题，我们此处不做过多讨论。只要知道，相比于单精度浮点数，双精度浮点数占用的内存空间更多，同时表示的数据精度更高即可（大概精确到小数点后 15 位）

🍅 字符串

使用 ' ' 或者 " " 引起来的，称为 字符串，可以用来表示文本。

a = 'hello'
print(type(a))

运行结果：

注意： 在 Python 中，单引号构成的字符串和双引号构成的字符串，没有区别 'hello' 和 "hello" 是完全等价的。

可以使用 len 函数来获取字符串的长度。

a = 'hello'
print(len(a))

可以使用 + 针对两个字符串进行拼接。

a = 'hello'
b = 'edison'
print(a + b)

注意： 此处是两个字符串相加，不能拿字符串和整数/浮点数相加。

另外，字符串作为开发中最常用到的数据类型，支持的操作方式也是非常丰富的。

🍅 布尔

布尔类型是一个特殊的类型，取值只有两种，True (真) 和 False (假)。

a = True
print(type(a))
b = False
print(type(b))

运行结果：

布尔类型在后续进行逻辑判断的时候，是非常有用的。

🍅 其他

除了上述类型之外，Python 中还有 list，tuple，dict，自定义类型 等等。

🍑 为什么要有这么多类型？

（1）类型决定了数据在内存中占据多大空间

例如 float 类型在内存中占据 8 个字节

计算机里面使用二进制来表示数据，也就是每个位只能表示 0 或者 1

1 个二进制位，就称为是一个 "比特"；8 个二进制位，就称为一个 "字节" (Byte)

一个 float 变量在内存中占据 8 个字节空间，也就是 64 个二进制位

我的电脑有 16GB 的内存空间，也就是一共有 1024 * 1024 * 1024 * 8 这么多的二进制位

（2）类型其实约定了能对这个变量做什么样的操作

例如 int / float 类型的变量, 可以进行 + - * / 等操作。

而 str 类型的变量，只能进行 + (并且行为是字符串拼接)，不能进行 - * /，但是还能使用 len 等其他操作。

总结： 类型系统其实是在对变量进行 "归类"，相同类型的变量（数据）往往具有类似的特性和使用规则。

🍑 动态类型特性

在 Python 中，一个变量是什么类型，是可以在 "程序运行" 过程中发生变化的，这个特性称为 "动态类型"。

a = 20
print(type(a))
a = 'hello'
print(type(a))

运行结果：

在程序执行过程中，a 的类型刚开始是 int，后面变成了 str。

而在 C++/Java 这样的语言则不允许这样的操作，一个变量定义后类型就是固定的了，这种特性则称为 "静态类型"。

动态类型特性是一把双刃剑：

• 对于中小型程序，可以大大的解约代码量（比如写一段代码就可以同时支持多种类型）
• 对于大型程序，则提高了模块之间的交互成本（程序猿 A 提供的代码难以被 B 理解）

5. 注释

🍑 注释是什么

注释是一种特殊的代码，它不会影响到程序的执行，但是能够起到解释说明的作用，能够帮助程序猿理解程序代码的执行逻辑。

# 计算 4 个数字 67.5, 89.0, 12.9, 32.2 的方差
avg = (67.5 + 89.0 + 12.9 + 32.2) / 4
total = (67.5 - avg) ** 2 + (89.0 - avg) ** 2 + (12.9 - avg) ** 2 + (32.2 - avg) 
** 2
result = total / 3
print(result)

形如上述代码，如果没有注释，直接阅读，是不容易 get 到代码的含义是计算方差。但是通过加了一行注释解释一下，就让人一目了然了。

🍑 注释的语法

Python 中有两种风格的注释

🍅 注释行

使用 # 开头的行都是注释。

# 这是一个注释
print('hello edison')  # 这是也是一个注释

🍅 文档字符串

使用三引号引起来的称为 "文档字符串"，也可以视为是一种注释：

• 可以包含多行内容。
• 一般放在 文件/函数/类 的开头。
• """ 或者 ''' 均可 (等价)

"""
这是文档字符串
a = 10
print(type(a))
"""

'''
这是文档字符串
a = 10
print(type(a))
'''

🍅 注释的规范

• 内容准确：注释内容要和代码一致，匹配，并在代码修改时及时更新。
• 篇幅合理：注释既不应该太精简，也不应该长篇大论。
• 使用中文：一般中国公司都要求使用中文写注释，外企另当别论。
• 积极向上：注释中不要包含负能量。

6. 输入输出

🍑 和用户交互

程序需要和用户进行交互：

• 用户把信息传递给程序的过程，称为 "输入"
• 程序把结果展示给用户的过程，称为 "输出"

输入输出的最基本的方法就是控制台，用户通过控制台输入一些字符串，程序再通过控制台打印出一些字符串。

输入输出的最常见方法是图形化界面，如我们平时用到的 QQ，浏览器，steam 等，都不需要用户输入命令，而只是通过鼠标点击窗口点击按钮的方式来操作。

🍑 通过控制台输出

Python 使用 print 函数输出到控制台。

print('hello')

不仅能输出一个字符串，还可以输出一个其他类型的变量。

a = 10
print(a)

b = True
print(b)

运行结果：

更多的时候，我们希望能够输出的内容是：混合了字符串和变量的。

例如：输出 num = 10

num = 10
print(f'num = {num}')

运行结果：

注意：

• 使用 f 作为前缀的字符串，称为 f-string
• 同时，里面可以使用 { } 来内嵌一个其他的变量/表达式。

🍑 通过控制台输入

python 使用 input 函数，从控制台读取用户的输入。

num = 0
num = input('请输入一个整数: ')
print(f'你输入的整数是 {num}')

运行结果：

注意：

• input 的参数相当于一个 "提示信息"，也可以没有。
• input 的返回值就是用户输入的内容，是字符串类型

例如：

a = input('请输入第一个整数: ')
b = input('请输入第二个整数: ')

print(f'a + b = {a + b}')

运行结果：

此处的结果是字符串拼接，不是算术运算，如果要想进行算术运算，需要先转换类型。

a = input('请输入第一个整数: ')
b = input('请输入第二个整数: ')

a = int(a)
b = int(b)

print(f'a + b = {a + b}')

运行结果：

上述代码通过 int( ) 把变量转成了 int 类型。

类似的，使用 float( )，bool( )，str( ) 等可以完成对应的类型转换。

代码示例： 输入 4 个小数，求 4 个小数的平均值

a = input('请输入第一个数字: ')
b = input('请输入第二个数字: ')
c = input('请输入第三个数字: ')
d = input('请输入第四个数字: ')

a = float(a)
b = float(b)
c = float(c)
d = float(d)

avg = (a + b + c + d) / 4

print(f'平均值: {avg}')

运行结果：

此处为了输入 4 个数字，执行了四次 input。如果是读取任意多个数字怎么办呢？这个时候就需要用到循环了。

7. 运算符

🍑 算术运算符

像 +，-，*，/，%，**，// 这种进行算术运算的运算符，称为 算术运算符。

注意一： / 中不能用 0 作为除数，否则会 抛出异常

print(100 / 0)

异常 是编程语言中的一种常见机制，表示程序运行过程中，出现了一些 "意外情况"，导致程序不能继续往下执行了。

注意二： 整数 / 整数，结果可能是小数，而不会截断

print(1 / 2)

注意三： % 不是 "百分数"，而是求余数

print(7 % 2)

运行结果：

关于求余数，7 除以 2，商是 3，余数是 1

注意四： ** 是求乘方，不光能算整数次方，还能算小数次方

print(4 ** 2)
print(4 ** 0.5)

运行结果：

注意五： // 是取整除法（也叫地板除），整数除以整数，结果还是整数（舍弃小数部分，并向下取整，不是四舍五入）

print(7 // 2)
print(-7 // 2)

运行结果：

关系运算符

像 <，<=，>，>=，==，!= 这一系列的运算符称为 关系运算符，它们是在比较操作数之间的关系。

其中：

• <= 是 "小于等于"
• >= 是 "大于等于"
• == 是 "等于"
• != 是 "不等于"

如果关系符合，则表达式返回 True；如果关系不符合，则表达式返回 False

a = 10
b = 20

print(a < b)
print(a <= b)
print(a > b)
print(a >= b)
print(a == b)
print(a != b)

运行结果：

关系运算符不光针对整数/浮点数进行比较，还能针对字符串进行比较

a = 'hello'
b = 'world'

print(a < b)
print(a <= b)
print(a > b)
print(a >= b)
print(a == b)
print(a != b)

运行结果：

注意：

• 直接使用 == 或者 != 即可对字符串内容判定相等。 (这一点和 C / Java 不同)
• 字符串比较大小，规则是 "字典序"

关于字典序：

• 想象一个英文词典，上面的单词都是按照字母顺序排列，如果首个字母相同，就比较第二个字母。 (就比如著名单词 abandon)
• 我们认为一个单词在词典上越靠前，就越小；越靠后，就越大

对于浮点数来说，不要使用 == 判定相等

print(0.1 + 0.2 == 0.3)

运行结果：

注意：浮点数在计算机中的表示并不是精确的，在计算过程中，就容易出现非常小的误差

print(0.1)
print(0.2)
print(0.3)
print(0.1 + 0.2)

运行结果：

可以看到，0.1 + 0.2 的结果并非是 0.3，而是带了个小尾巴，虽然这个尾巴非常小了，但是必较的，仍然会导致 == 的结果为 False。

正确的比较方式：不再严格比较相等了，而是判定差值小于允许的误差范围

a = 0.1 + 0.2
b = 0.3
print(-0.000001 < (a - b) < 0.000001)

实际工程实践中，误差在所难免，只要保证误差在合理范围内即可。

🍑 逻辑运算符

像 and，or，not 这一系列的运算符称为 逻辑运算符

• and 并且，两侧操作数均为 True，最终结果为 True，否则为 False. (一假则假)
• or 或者，两侧操作数均为 False，最终结果为 False，否则为 True. (一真则真)
• not 逻辑取反，操作数本身为 True，则返回 False，本身为 False，则返回 True.

a = 10
b = 20
c = 30

print(a < b and b < c)
print(a < b and b > c)

print(a > b or b > c)
print(a < b or b > c)

print(not a < b)
print(not a > b)

运行结果：

一种特殊写法：a < b and b < c 这个操作等价于 a < b < c，这个设定和大部分编程语言都不相同。

关于短路求值：和其他编程语言类似，Python 也存在短路求值的规则：

• 对于 and，如果左侧表达式为 False，则整体一定为 False，右侧表达式不再执行
• 对于 or，如果左侧表达式为 True,，则整体一定为 True，右侧表达式不再执行

print(10 > 20 and 10 / 0 == 1)
print(10 < 20 or 10 / 0 == 1)

运行结果：

🍑 赋值运算符

= 表示赋值，这个我们已经用过很多次了，注意和 == 区分。

= 除了基本的用法之外，还可以同时针对多个变量进行赋值。

链式赋值

a = b = 10

多元赋值

a, b = 10, 20

基于多元赋值，交换两个变量

a = 10
b = 20

a, b = b, a

复合赋值运算符

Python 还有一些 复合赋值运算符， 例如 +=，-=，*=，/=，%=。

其中 a += 1 等价于 a = a + 1，其他复合赋值运算符也是同理。

a = 10
a = a + 1
print(a)

b = 10
b += 1
print(b)

注意：像 C++ / Java 中，存在 ++，-- 这样的自增/自减运算符，Python 中则不支持这种运算，如果需要使用，则直接使用 += 1 或者 -= 1

++ 和 -- 最大的问题就是容易分不清前置和后置的区别。

这一点 Python 语法在设计的时候就进行了规避，避免出现这种不直观，并且容易混淆的语法

🍑 其他

除了上述之外，Python 中还有一些运算符, 比如 身份运算符 (is，is not)，成员运算符 (in, not in)，位运算符

( & | ~ ^ << >> ) 等