第1章

程序設(shè)計(jì)概述

導(dǎo)入人生三問(wèn)：我是誰(shuí)？來(lái)自哪里？去向何方？---------（柏拉圖）編程三問(wèn)：為什么要學(xué)編程？-------目的、意義、用途該怎么來(lái)學(xué)編程？-------基礎(chǔ)、路徑、方法該選擇什么語(yǔ)言？-------C、Java、python主要內(nèi)容程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)計(jì)算思維算法與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)Python語(yǔ)言的特點(diǎn)Python的下載與安裝Python的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境模塊、包與庫(kù)幫助系統(tǒng)Python的代碼規(guī)范1.1程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)計(jì)算思維就是通過(guò)約簡(jiǎn)、嵌入、轉(zhuǎn)化和仿真等方法,把一個(gè)看來(lái)困難的問(wèn)題重新闡釋成一個(gè)知道問(wèn)題怎樣解決的方法。它采用抽象和分解來(lái)完成復(fù)雜的任務(wù)或設(shè)計(jì)復(fù)雜的系統(tǒng);它選擇合適的方式去陳述一個(gè)問(wèn)題,或者選擇合適的方式對(duì)一個(gè)問(wèn)題的相關(guān)方面建模使其易于處理。簡(jiǎn)而言之，計(jì)算思維主要包括了問(wèn)題分解，模式識(shí)別，抽象，算法這4方面，而算法，是計(jì)算思維的核心?！纠?-1】求解1+2+3+…+100=?【例1-2】求解12+22+32+…+1002=？【例1-3】求解11+22+33+…+100100=？1.1程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)開(kāi)始sum=0,i=1sum=sum+ii=i+1是否輸出sum的值結(jié)束i≤100開(kāi)始sum=0,i=1i≤100sum=sum+i2i=i+1是否輸出sum的值結(jié)束開(kāi)始sum=0,i=1i≤100sum=sum+iii=i+1是否輸出sum的值結(jié)束1.1程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)算法是做一件事的完整流程，包括解決思路、方法和步驟。廣義的算法有菜譜、樂(lè)譜、拳譜等。在算法的設(shè)計(jì)流程上，遵循以下原則：（1）自頂向下：先考慮總體，后考慮細(xì)節(jié)；先考慮全局目標(biāo)，后考慮局部目標(biāo)。（2）逐步求精：把復(fù)雜問(wèn)題分解出簡(jiǎn)單的子問(wèn)題，對(duì)子問(wèn)題逐步細(xì)化。（3）模塊化：對(duì)子問(wèn)題進(jìn)行設(shè)計(jì)，稱(chēng)為模塊化設(shè)計(jì)。（4）結(jié)構(gòu)化編程：在任何模塊中均可由順序、選擇、循環(huán)三種基本結(jié)構(gòu)構(gòu)成。1.1程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)【例1-4】百錢(qián)百雞是北魏數(shù)學(xué)家張丘建在《算經(jīng)》一書(shū)中提出的數(shù)學(xué)問(wèn)題：雞翁一值錢(qián)五，雞母一值錢(qián)三，雞雛三值錢(qián)一。百錢(qián)買(mǎi)百雞，問(wèn)雞翁、雞母、雞雛各幾何？算法一：窮舉法百錢(qián)，公雞最多買(mǎi)20只，母雞最多買(mǎi)33只。設(shè)：公雞x只，母雞y只，小雞z只，則0<x<20,0<y<33,z=100-x-y。利用循環(huán)語(yǔ)句對(duì)每一種情況進(jìn)行枚舉，得有符合條件的情況，則輸出。1.1程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)算法二：隨機(jī)數(shù)法分析：百錢(qián)，公雞最多買(mǎi)20只，母雞最多買(mǎi)33只，小雞最多買(mǎi)100只，設(shè)：公雞x只，母雞y只，小雞z只。利用隨機(jī)函數(shù)，使x、y、z在相應(yīng)的區(qū)域中隨機(jī)生成一個(gè)數(shù)，帶入判斷式，得有符合條件的情況，則輸出。1.1程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)常用算法1.1程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)1.1程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)常用編程語(yǔ)言1.2Python語(yǔ)言簡(jiǎn)介Python語(yǔ)言最初由荷蘭人GuidovonRossum（吉多·范羅蘇姆）創(chuàng)建。1982年，Guido獲得數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)碩士學(xué)位后加入CWI（CentrumvoorWiskundeenInformatica，國(guó)家數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)研究院）。1989年Guido開(kāi)始設(shè)計(jì)Python語(yǔ)言的編譯/解釋器，以實(shí)現(xiàn)一種易學(xué)易用、可拓展的通用程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言。Python這個(gè)名字來(lái)自于Guido所摯愛(ài)的電視劇MontyPython'sFlyingCircus。1991年，第一個(gè)用C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)的Python編譯器/解釋器誕生。從誕生之時(shí)起，Python就具有類(lèi)(class)、函數(shù)(function)、異常處理(exception)、列表(list)和字典(dictionary)等核心數(shù)據(jù)類(lèi)型和處理方式，并允許在多個(gè)層次上進(jìn)行擴(kuò)展。最初的Python完全由Guido開(kāi)發(fā)。隨著Python得到Guido同事們的歡迎與使用，他們迅速地反饋使用意見(jiàn)，并參與到Python的改進(jìn)。隨后，Python拓展到CWI之外。Python語(yǔ)法簡(jiǎn)潔、清晰。一個(gè)結(jié)構(gòu)良好的Python程序就像偽代碼，類(lèi)似于用普通的英語(yǔ)在描述一個(gè)事情的邏輯。因此Python程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言也比較容易學(xué)習(xí)和掌握。Python是純粹的自由軟件，源代碼和解釋器遵循GPL(GNUGeneralPublicLicense)協(xié)議。用戶(hù)不但可以自由地下載使用，還可以自由地發(fā)布這個(gè)軟件的拷貝、閱讀它的源代碼、改動(dòng)源代碼、把它的一部分用于新的自由軟件中。Python是一個(gè)高級(jí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，Python將許多機(jī)器層面上的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)隱藏，交給編譯器處理。Python程序員可以花更多的時(shí)間用于思考程序的邏輯，而不是具體的機(jī)器實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。這一特征使得Python開(kāi)始流行，尤其是在非計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域得到更加廣泛的關(guān)注。1.2Python語(yǔ)言簡(jiǎn)介Python具有良好的跨平臺(tái)特性。可以運(yùn)行于Windows、Unix、Linux、安卓等大部分操作系統(tǒng)平臺(tái)。Python是一種解釋性語(yǔ)言。開(kāi)發(fā)工具首先把Python編寫(xiě)的源代碼轉(zhuǎn)換成字節(jié)碼的中間形式。運(yùn)行時(shí)，解釋器再把字節(jié)碼翻譯成適合于特定環(huán)境的機(jī)器語(yǔ)言并運(yùn)行。這使得Python程序更加易于移植。Python語(yǔ)言具有良好的可擴(kuò)展性。例如，Python可以調(diào)用使用C、C++等語(yǔ)言編寫(xiě)的程序，可以調(diào)用R語(yǔ)言中專(zhuān)業(yè)的數(shù)據(jù)分析功能。Python標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)非常龐大，可以處理各種工作。而且，由于Python開(kāi)源、免費(fèi)的特征，不同社區(qū)的Python愛(ài)好者貢獻(xiàn)了大量實(shí)用且高質(zhì)量的擴(kuò)展庫(kù)，方便在程序設(shè)計(jì)時(shí)直接調(diào)用。Python采用強(qiáng)制空格縮進(jìn)方式。1.2Python語(yǔ)言簡(jiǎn)介1.3Python的環(huán)境搭建Python的下載用戶(hù)可以從/downloads/下載相應(yīng)版本的Python源代碼、安裝程序和幫助文件等。用戶(hù)根據(jù)所使用的操作系統(tǒng)，選擇適合于不同操作系統(tǒng)的文件。例如，用戶(hù)要安裝到64位windows操作系統(tǒng)，可以下載名為python-3.7.0-amd64.exe的文件。如果是32位windows操作系統(tǒng)則選擇python-3.7.0.exe。Python的安裝以在windows10的64位操作系統(tǒng)上安裝Python3.7.0版本為例，簡(jiǎn)要介紹Python開(kāi)發(fā)環(huán)境的安裝過(guò)程，步驟如下：（1）雙擊安裝程序python-3.7.0-amd64.exe（2）中勾選AddPython3.7toPATH選項(xiàng)，然后單擊Customizeinstallation1.3Python的環(huán)境搭建（3）單擊Next按鈕（4）選擇Python的安裝路徑，然后單擊Install按鈕1.3Python的環(huán)境搭建（5）等待一會(huì)后，上圖的界面自動(dòng)消失，出現(xiàn)安裝成功提示。（6）單擊Close按鈕，結(jié)束安裝。1.3Python的環(huán)境搭建1.4初識(shí)Python交互方式代碼文件方式代碼風(fēng)格交互方式1選擇windows開(kāi)始菜單，在“搜索程序和文件”框中輸入CMD，按回車(chē)鍵，打開(kāi)命令行控制臺(tái)窗口。在命令行窗口中輸入Python命令，按回車(chē)鍵，進(jìn)入Python交互式解釋器。此時(shí)用戶(hù)可以在提示符>>>下輸入命令或調(diào)用函數(shù)，以命令行的方式交互式地使用Python解釋器在提示符>>>下輸入：print("HelloWorld!")，緊接著在下一行會(huì)輸出字符串“HelloWorld!”（注意：輸出時(shí)沒(méi)有雙引號(hào)）。交互方式代碼文件方式代碼風(fēng)格交互方式2也可以通過(guò)IDLE進(jìn)入交互式的Python解釋器。選擇菜單IDLE(Python3.1064-bit)，就進(jìn)入使用界面。IDLE實(shí)際上是一個(gè)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，既可以編輯和執(zhí)行Python代碼文件，也可以以交互的方式使用Python解釋器。1.4初識(shí)Python代碼文件方式在交互方式下輸入Python代碼雖然非常方便，但是這些語(yǔ)句沒(méi)有被保存，無(wú)法重復(fù)執(zhí)行或留作將來(lái)使用?？梢岳糜浭卤镜染庉嬈骶帉?xiě)程序代碼，將其保存在一個(gè)源程序文件中，然后用命令執(zhí)行文件中的語(yǔ)句。1.4初識(shí)Python代碼文件方式也可以使用IDLE來(lái)編寫(xiě)代碼。打開(kāi)IDLE，選擇File

NewFile菜單，打開(kāi)如下窗口。在窗口中編寫(xiě)代碼。編寫(xiě)完成，選擇FileSave菜單保存代碼后，按F5鍵或選擇菜單中的Run

RunModule菜單運(yùn)行程序，得到如下所示的執(zhí)行結(jié)果：HelloWorld!歡迎使用Python!1.4初識(shí)Python代碼風(fēng)格代碼的風(fēng)格是指代碼的樣子。一個(gè)具有良好風(fēng)格的程序不但能夠提高程序的正確性，還能提高程序的可讀性，便于交流和理解。對(duì)編寫(xiě)Python程序有比較重要影響的幾個(gè)風(fēng)格：代碼縮進(jìn)適當(dāng)?shù)目招羞m當(dāng)?shù)淖⑨?.4初識(shí)Python適當(dāng)?shù)目招心軌蛟黾哟a的可讀性，方便交流和理解。例如，在一個(gè)函數(shù)的定義開(kāi)始之前和結(jié)束之后使用空行、for語(yǔ)句功能模塊之前和之后添加空行，能夠極大提高程序可讀性。程序中的注釋內(nèi)容是給人看的，不是為計(jì)算機(jī)寫(xiě)的。編譯時(shí)，注釋語(yǔ)句的內(nèi)容將被忽略。程序中適當(dāng)?shù)淖⑨層欣趧e人讀懂程序、了解程序的用途，同時(shí)也有助于程序員本人整理思路、方便回憶。1.4初識(shí)Python1.5Python的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境前面已經(jīng)提到IDLE集成開(kāi)發(fā)環(huán)境（IDE）隨著Python解釋器一起安裝。Python集成開(kāi)發(fā)環(huán)境能夠幫助開(kāi)發(fā)者提高開(kāi)發(fā)效率、加快開(kāi)發(fā)的速度。高效的IDE一般會(huì)提供插件、工具等幫助開(kāi)發(fā)者提高效率。本教材主要使用IDLE作為開(kāi)發(fā)工具。本節(jié)簡(jiǎn)要介紹除IDLE外的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境：Eclipse中的PyDev插件、WingIDE和PyCharm。Eclipse中的PyDev插件Eclipse是一個(gè)開(kāi)放源代碼的、基于Java的可擴(kuò)展集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，擁有龐大的開(kāi)發(fā)社區(qū)和可自由定制的可用插件程序。2003年7月16日，F(xiàn)abioZadrozny等三人組成的開(kāi)發(fā)小組在SourceForge上注冊(cè)了一款新的項(xiàng)目PyDev。該項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了一個(gè)功能強(qiáng)大的Eclipse插件，用戶(hù)可以利用Eclipse來(lái)進(jìn)行Python應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)和調(diào)試。PyDev插件提供了語(yǔ)法錯(cuò)誤提示、源代碼編輯助手、運(yùn)行、調(diào)試等功能，還能夠利用Eclipse的很多優(yōu)秀特性，方便了眾多Python開(kāi)發(fā)人員。WingIDEWingIDE是一個(gè)Python語(yǔ)言集成開(kāi)發(fā)環(huán)境。它能夠?qū)Υ罅空Z(yǔ)法標(biāo)簽進(jìn)行高亮度顯示，并能夠自動(dòng)進(jìn)行語(yǔ)法提示。它既可以用于開(kāi)發(fā)大型項(xiàng)目，也方便Python初學(xué)者進(jìn)行單個(gè)Python文件的操作。WingIDE是一個(gè)商業(yè)軟件，但WingIDEPersonal是一個(gè)免費(fèi)版本，可滿足Python學(xué)習(xí)的需要，也能滿足項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的需要。下載、安裝完WingIDEPersonal版本后，在開(kāi)始菜單中打開(kāi)。選擇Project

ProjectProperties菜單選中Environment標(biāo)簽，在PythonExecutable項(xiàng)選中Custom單選按鈕。單擊下拉列表框可以看到本機(jī)已安裝的Python編譯與解析環(huán)境，包括隨Anaconda安裝的Python編譯與解析器。選擇其中一項(xiàng)需要的Python版本作為WingIDE的當(dāng)前環(huán)境的編譯與解析器。然后單擊OK按鈕。這樣就設(shè)置好了開(kāi)發(fā)環(huán)境所使用的Python版本。選擇主窗口的File

new菜單，打開(kāi)一個(gè)空白的編輯窗口，在窗口中可以編寫(xiě)程序了。在編寫(xiě)過(guò)程中，需要使用某模塊的函數(shù)或?qū)ο蟮姆椒〞r(shí)，只需要在該模塊名或?qū)ο竺竺孑斎朦c(diǎn)（“.”）號(hào)，可用的子模塊名、函數(shù)名或?qū)ο蠓椒蜁?huì)自動(dòng)列出，然后可通過(guò)鼠標(biāo)選擇相應(yīng)的名字，自動(dòng)將該名字填充到編輯器中。也可以通過(guò)鍵盤(pán)上下鍵在下拉列表中選中某個(gè)名字，然后使用Tab鍵自動(dòng)填充到編輯器中。在函數(shù)名或方法名后輸入左圓括號(hào)后，在WingIDE主窗口右上角會(huì)顯示相關(guān)可用參數(shù)及其默認(rèn)值。編寫(xiě)完代碼后，保存程序源代碼。在窗口菜單中選擇DebugStart/Continue菜單運(yùn)行、調(diào)試程序。也可以單擊工具欄上的按鈕或直接按F5鍵來(lái)運(yùn)行、調(diào)試程序?？梢酝ㄟ^(guò)菜單Edit-->Preferences打開(kāi)Preferences設(shè)置對(duì)話框。在Preferences設(shè)置對(duì)話框中可以設(shè)置編輯器的字體、顏色等各種屬性。PyCharmPyCharm是JetBrains打造的一款Python集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，提供了收費(fèi)的Professional版和免費(fèi)的Community版。PyCharm帶有一整套可以幫助用戶(hù)提高開(kāi)發(fā)效率的工具，如調(diào)試、語(yǔ)法高亮、Project管理、代碼跳轉(zhuǎn)、智能提示、自動(dòng)完成、單元測(cè)試、版本控制等。使用Pycharm進(jìn)行開(kāi)發(fā)時(shí)，需要先創(chuàng)建一個(gè)Project，然后創(chuàng)建源代碼程序。1.6模塊、包與庫(kù)模塊及其導(dǎo)入方式模塊是一種程序的組織形式。它將彼此具有特定關(guān)系的一組Python可執(zhí)行代碼、函數(shù)、類(lèi)或變量組織到一個(gè)獨(dú)立文件中，可以供其他程序使用。程序員一旦創(chuàng)建了一個(gè)Python源文件，其不帶后綴.py的文件名就是模塊名。除了系統(tǒng)內(nèi)置的函數(shù)等對(duì)象，使用其他對(duì)象之前均需要先導(dǎo)入相應(yīng)的模塊，然后才能使用該模塊中的類(lèi)、函數(shù)和變量等對(duì)象。模塊導(dǎo)入有三種方式。importmoduleName1[,moduleName2[…]]這種方法一次可以導(dǎo)入多個(gè)模塊。但在使用模塊中的類(lèi)、方法、函數(shù)、變量等內(nèi)容時(shí)，需要在它們前面加上模塊名。>>>importmath>>>math.sqrt(25)5.0>>>math.pi3.141592653589793>>>

在上述代碼中，要使用sqrt(x)函數(shù)來(lái)求x的平方根，需要先導(dǎo)入math模塊，使用時(shí)須添加模塊名為前綴，如math.sqrt(25)。同樣道理，如果要使用math模塊中的pi值，需要通過(guò)math.pi來(lái)引用。1.6模塊、包與庫(kù)frommoduleNameimport*這種方法一次導(dǎo)入一個(gè)模塊中的所有內(nèi)容。使用時(shí)不需要添加模塊名為前綴，但程序的可讀性較差。>>>>>>frommathimport*>>>sqrt(25)5.0>>>pi3.141592653589793>>>

上述代碼中，利用frommathimport*導(dǎo)入math模塊中的所有內(nèi)容后，可以調(diào)用這個(gè)模塊里定義的所有函數(shù)等內(nèi)容，不需要添加模塊名為前綴。1.6模塊、包與庫(kù)frommoduleNameimportobject1[,object2[…]]這種方法一次導(dǎo)入一個(gè)模塊中指定的內(nèi)容，如某個(gè)函數(shù)。調(diào)用時(shí)不需要添加模塊名為前綴。使用這種方法的程序可讀性介于前兩者。>>>frommathimportsqrt,e>>>e2.718281828459045>>>sqrt(25)5.0>>>piTraceback(mostrecentcalllast):File"<pyshell#8>",line1,in<module>piNameError:name'pi'isnotdefined>>>

上述程序中，frommathimportsqrt,e表示導(dǎo)入模塊math中的sqrt函數(shù)和常量e，程序中只可以使用sqrt函數(shù)和e的值，不能使用該模塊中的其他內(nèi)容。1.6模塊、包與庫(kù)包及其定義為了方便管理，通常將程序文件（模塊）以特定目錄的形式進(jìn)行打包。作為包的目錄中必須至少包含一個(gè)名為_(kāi)_init__.py的文件，也可以包含一些模塊文件和作為子包的子目錄。作為子包的子目錄中同樣至少包含一個(gè)名為_(kāi)_init__.py的文件。文件__init__.py的內(nèi)容可以為空。__init__.py文件的主要作用為：作為python中包與普通目錄的區(qū)別標(biāo)識(shí)；編寫(xiě)代碼，定義類(lèi)、函數(shù)、變量等對(duì)象；定義__all__變量來(lái)確定采用frommoduleNameimport*時(shí)導(dǎo)入的模塊名稱(chēng)。1.6模塊、包與庫(kù)

庫(kù)及其安裝庫(kù)是為實(shí)現(xiàn)某一功能的模塊和包的集合。將模塊和包封裝為庫(kù)進(jìn)行發(fā)布，方便安裝和管理。根據(jù)庫(kù)是否已經(jīng)包含在Python的官方安裝包中，通常將其區(qū)分為標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)：安裝好Python后，本身就帶有的庫(kù)被稱(chēng)為標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)。標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)中的模塊被稱(chēng)為標(biāo)準(zhǔn)模塊。第三方庫(kù)：沒(méi)有隨官方發(fā)行版本安裝的庫(kù)；非標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)中的模塊稱(chēng)為第三方模塊。1.6模塊、包與庫(kù)部分常用標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)庫(kù)名稱(chēng)簡(jiǎn)要說(shuō)明time時(shí)間戳，表示從1970年1月1日00:00:00開(kāi)始按秒計(jì)算的偏移量；格式化的時(shí)間字符串；結(jié)構(gòu)化的時(shí)間(年，月，日，時(shí)，分，秒，一年中第幾周，一年中第幾天，夏令時(shí))datetime獲取當(dāng)前時(shí)間，獲取之前和之后的時(shí)間，時(shí)間的替換copycopy是一個(gè)運(yùn)行時(shí)的模塊庫(kù)，提供對(duì)復(fù)合（compound）對(duì)象（list，tuple，dict，customclass等）進(jìn)行淺拷貝和深拷貝的功能os提供與操作系統(tǒng)交互的接口syssys是一個(gè)運(yùn)行時(shí)的模塊庫(kù)，提供了很多跟Python解釋器和環(huán)境相關(guān)的變量和函數(shù)mathmath是一個(gè)數(shù)學(xué)模塊庫(kù)，定義了標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)學(xué)方法（例如cos(x),sin(x)等）和數(shù)值（如pi）randomrandom是一個(gè)數(shù)學(xué)模塊庫(kù)，提供了各種產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)的方法re處理正則表達(dá)式pickle提供了一個(gè)簡(jiǎn)單的持久化模塊庫(kù)，可以將對(duì)象以文件的形式存儲(chǔ)在磁盤(pán)里第三方庫(kù)Python的優(yōu)勢(shì)之一在于其廣泛的用戶(hù)群和眾多的社區(qū)志愿者，他們提供了很多實(shí)用的模塊庫(kù)。一些庫(kù)已經(jīng)被吸收為Python的標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)，隨著Python解釋器一起安裝，可以直接通過(guò)import語(yǔ)句引用其中的模塊。但是更多的庫(kù)并不是Python的標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)。使用import語(yǔ)句導(dǎo)入非標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)中的模塊之前必須提前安裝相應(yīng)的庫(kù)到開(kāi)發(fā)環(huán)境中。這種庫(kù)被稱(chēng)為第三方庫(kù)，其包含的相應(yīng)模塊被稱(chēng)為第三方模塊。Python的官網(wǎng)（）中除了可以下載不同的IDLE外，還可以查閱文檔，在文檔中，可以查閱