第1章　基本概念

本章摘要

1-1　認識Python

1-2　Python的起源

1-3　Python語言發展史

1-4　Python的應用范圍

1-5　靜態語言與動態語言

1-6　跨平臺的程序語言

1-7　系統的安裝與執行

1-8　Python 2與Python 3不相容的驗證

1-9　文件的建立、存儲、執行與打開

1-10　程序注釋

1-11　Python彩蛋

1-1　認識Python

Python是一種直譯式（Interpreted Language）、面向對象（Object Oriented Language）的程序語言，它擁有完整的函數庫，可以協助用戶輕松地完成許多常見的工作。

直譯式語言是指，直譯器（Interpretor）會將程序代碼一句一句直接執行，不需要經過編譯（Compile）動作，將語言先轉換成機器碼，再予以執行。目前Python的直譯器是CPython，這是由C語言編寫的一個直譯程序，與Python一樣目前由Python基金會管理使用。

Python也算是一種動態的高級語言，具有垃圾回收（garbage collection）功能。垃圾回收是指程序在執行時，直譯程序會主動收回不再需要的動態內存空間，將內存集中管理，這種機制可以減輕程序設計師的負擔，當然也就減少了程序設計師犯錯的機會。

由于Python開放源碼（Open Source），每個人皆可免費使用或為它貢獻，除了它本身有許多內建的套件（package）或稱模塊（module）外，許多公司也為它開發了更多的套件，促使它的功能可以持續擴充，因此Python目前已經是全球最熱門的程序語言之一。

1-2　Python的起源

Python的最初設計者是吉多·范羅姆蘇（Guido van Rossum），他是荷蘭人，1956年出生于荷蘭哈勒姆，1982年畢業于阿姆斯特丹大學的數學和計算機系，并獲得碩士學位。

吉多·范羅姆蘇在1996年為一本O’Reilly出版社作者Mark Lutz所著的Programming Python的序言中表示：6年前，1989年我想在圣誕節期間思考設計一種程序語言打發時間，當時我正在構思一個新的腳本（script）語言的解釋器，它是ABC語言的后代，期待這個程序語言對UNIX C的程序語言設計師會有吸引力。基于我是蒙提派森飛行馬戲團（Monty Python’s Flying Circus）的瘋狂愛好者，所以就以Python為這個程序命名。

在一些Python的文件或有些書封面喜歡用蟒蛇代表Python，但是從吉多·范羅姆蘇的上述序言可知，Python靈感的來源是馬戲團名稱而非蟒蛇。

1999年，他向美國國防高級研究計劃局（Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA）提出Computer Programming for Everybody的研發經費申請，并提出了下列Python的目標。

（1）這是一個簡單直覺式的程序語言，可以和主要程序語言一樣強大。

（2）這是開放源碼（Open Source）的程序語言，每個人皆可自由使用與貢獻。

（3）程序代碼像英語一樣容易理解與使用。

（4）可在短期間內開發一些常用功能。

現在上述目標都已經實現了，Python已經與C/C++、Java一樣成為程序設計師必備的程序語言，然而它卻比C/C++和Java更容易學習。

目前，Python語言是由Python軟件基金會（www.python.org）管理，有關新版軟件下載的相關信息可以在這個基金會取得，可參考附錄A。

1-3　Python語言發展史

在1991年Python正式誕生時，當時的操作系統平臺是Mac。盡管吉多·范羅姆蘇坦言Python是構思于ABC語言，但是ABC語言并沒有成功。吉多·范羅姆蘇本人認為ABC語言并不是一個開放的程序語言，是其失敗的主要原因。因此，在Python的推廣中，他避開了這個錯誤，將Python推向開放式系統，因而獲得了巨大的成功。

1. Python 2.0發布

2000年10月16日，Python 2.0正式發布，主要是增加了垃圾回收的功能，同時支持Unicode。

Unicode是一種適合多語系的編碼規則，主要是使用可變長度字節方式存儲字符，以節省內存空間。例如，對于英文字母而言是使用1字節（byte）空間存儲即可，對于含有附加符號的希臘文、拉丁文或阿拉伯文等則用2字節空間存儲，中文則是以3字節空間存儲，只有極少數的平面輔助文字需要4字節空間存儲。也就是說，這種編碼規則已經包含全球所有語言的字符了，所以采用這種編碼方式設計程序時，其他語系的程序只要支持Unicode編碼即可顯示。例如，法國人即使使用法文版的程序，也可以正常顯示中文。

2. Python 3.0發布

2008年12月3日，Python 3.0正式發布。一般程序語言的發展會考慮到兼容特性，但是Python 3在開發時為了不受先前2.x版本的束縛，因此沒有考慮兼容特性，所以許多早期版本開發的程序是無法在Python 3.x版上執行的。

不過為了解決這個問題，盡管發布了Python 3.x版本，后來又陸續將3.x版的特性移植到Python 2.6/2.7x版上，所以現在進入Python基金會網站時，可以發現有2.7x版和3.7x版的軟件可以下載。

筆者經驗提醒：有一些早期開發的冒險游戲軟件只支持Python 2.7x版，目前尚未支持Python 3.7x版。不過相信這些軟件未來也將朝向支持Python 3.7x版的路邁進。

Python基金會提醒：Python 2.7x已經被確定為最后一個Python 2.x的版本，目前暫定基金會對此版本的支持到2020年。

筆者在撰寫此書時，所有程序都是以Python 3.x版作為主要依據的。

1-4　Python的應用范圍

盡管Python是一個非常適合初學者學習的程序語言，在國外有許多兒童程序語言教學也是以Python為工具，然而它卻是一個功能強大的程序語言，下列是它的部分應用。

（1）設計動畫游戲。

（2）支持圖形用戶接口（Graphical User Interface, GUI）開發。

（3）數據庫開發與設計動態網頁。

（4）科學計算與大數據分析。

（5）人工智能與機器學習。

（6）Google、Yahoo!、YouTube、NASA、Dropbox（文件分享服務）、Reddit（社交網站）在內部都大量使用Python作為開發工具。

（7）網絡爬蟲、黑客攻防。

目前，Google搜索引擎、紐約股票交易所、NASA航天行動的關鍵任務執行，都是使用Python語言。

1-5　靜態語言與動態語言

變量（variable）是一個語言的核心，由變量的設置可以知道這個程序所要完成的工作。

有些程序語言的變量在使用前需要先聲明它的數據類型，這樣編譯程序（compile）會在內存內預留空間給這個變量。這個變量的數據類型經過聲明后，未來無法再改變它的數據類型，這類的程序語言稱為靜態語言（static language），例如，C、C++、Java等。聲明變量可以協助計算機捕捉可能的錯誤，同時也可以讓程序執行速度更快，但是程序設計師需要花更多的時間編寫程序與思考程序的規劃。

有些程序語言的變量在使用前不必聲明它的數據類型，這樣可以用比較少的程序代碼完成更多工作，增加程序設計的便利性，這類程序在執行前不必經過編譯（compile）過程，而是使用直譯器（interpreter）直接直譯（interpret）與執行（execute），這類的程序語言稱為動態語言（dynamic language），有時也可稱這類語言是文字碼語言（scripting language），例如，Python、Perl、Ruby。動態語言執行速度比經過編譯后的靜態語言執行速度慢，所以有相當長的時間動態語言只適合進行短小程序的設計，或是將它作為準備數據供靜態語言處理，在這種狀況下也有人將這種動態語言稱為膠水碼（glue code）。后來隨著軟件技術的進步，直譯器執行速度越來越快，已經可以用它執行復雜的工作了。如果讀者懂Java、C、C++，將會發現，Python相較于這些語言除了便利性，程序設計效率已經遠遠超過這些語言了，這也是Python成為目前最熱門程序語言的原因。

使用Python語言時可以直接在提示信息下（>>>）輸入程序代碼執行工作（可參考1-7節），也可以將程序代碼存儲成文件然后再執行（可參考1-9節）。

1-6　跨平臺的程序語言

Python是一種跨平臺的程序語言，主要的操作系統，如Windows、Mac OS、UNIX、Linux等，都可以安裝和使用。

跨平臺的程序語言意味著，用戶可以在某一個平臺上使用Python設計一個程序，未來這個程序也可以在其他平臺上順利運行。

1-7　系統的安裝與執行

有關安裝Python的步驟請參考附錄A。下面將以Python 3.7x版為例進行說明。雙擊附錄A中所建的在Windows桌面上的idle圖標，將看到下列Python Shell窗口。

圖中符號是提示信息，可以在此輸入Python指令。

程序實例ch1_1.py：使用print( )函數，輸出字符串。

1-8　Python 2與Python 3不相容的驗證

下面是早期在Python 2上執行輸出字符串的print用法。

如果相同的輸出方式應用在Python 3中將出現錯誤。

出現錯誤的原因是，在Python 3中print( )已經是一個函數。不過在1-3節中也提過，Python基金會后來陸續將3.x版的特性移植到Python 2.6/2.7x版上，所以如果在Python 2.6/2.7x版本上使用print( )函數，將可以得到正確的輸出。

1-9　文件的建立、存儲、執行與打開

如果設計一個程序每次均要在Python Shell窗口環境重新輸入命令的話，將是一件麻煩的事，所以程序設計時，可以將所設計的程序保存在文件內是一件重要的事。

1-9-1　文件的建立

在Python Shell窗口中可以執行File→New File命令，建立一個空白的Python文件。

然后可以建立一個Untitled窗口，窗口內容是空白，下面是筆者在空白文件內輸入一條命令的實例。

如果想要執行上述文件，需要先存儲上述文件。

1-9-2　文件的存儲

可以執行File→Save As命令存儲文件。

然后將看到另存新文件對話框，此例將文件存儲在D:/Python/ch1文件夾，文件名是ch1_1（Python的擴展名是py），可以得到下列結果。

單擊“保存”按鈕。

原標題Untitled已經改為ch1_1.py了。

1-9-3　文件的執行

執行Run→Run Module命令，就可以正式執行先前所建的ch1_1.py文件。

執行后，在原先的Python Shell窗口中可以看到執行結果。

學習到此，恭喜你已經成功地建立了一個Python文件，同時執行成功了。

1-9-4　打開文件

假設已經離開ch1_1.py文件，未來想要打開這個程序文件，可以執行File→Open命令。

然后會出現“打開文件”對話框，選擇要打開的文件即可。

1-10　程序注釋

程序注釋的主要功能是讓程序可讀性更高，更容易了解。在企業工作中，一個實用的程序可以很輕易超過幾千或上萬行，此時可能需設計好幾個月，給程序加上程序注釋，可方便自己或他人了解程序內容。

1-10-1　注釋符號#

不論是使用Python Shell直譯器或是Python程序文件中，“#”符號右邊的文字，都稱為程序注釋，Python語言的直譯器會忽略此符號右邊的文字。可參考下列實例。

實例1：在Python Shell窗口注釋的應用1，注釋可以放在程序語句的右邊。

實例2：在Python Shell窗口注釋的應用2，注釋可以放在程序語句的最左邊。

程序實例ch1_2.py：重新設計ch1_1.py，為程序增加注釋。

注：Python程序左邊是沒有行號的，上述行號是筆者為了讀者閱讀方便加上去的。

1-10-2　三個單引號或雙引號

如果要進行大段落的注釋，可以用三個單引號或雙引號將注釋文字包起來。

程序實例ch1_3.py：以三個單引號當作注釋。

上述前5行是程序注釋。

程序實例ch1_4.py：以三個雙引號當作注釋。

上述前5行是程序注釋。

1-11　Python彩蛋

Python核心程序開發人員在軟件內部設計了兩個彩蛋，一個是搞笑網站，一個是經典名句又稱Python之禪。這是在其他軟件中沒有見過的，非常有趣。

1. Python之禪

在Python Shell環境下輸入“import this”即可看到經典名句，其實這些經典名句也代表著研讀Python的意境。

2. Python搞笑網站

可以在Python Shell環境下輸入“import antigravity”即可連接下列網址，讀者可以欣賞有關Python的趣味內容。

https://xkcd.com/353/

習題

設計程序可以輸出下列3行數據。

就讀學校

年級

姓名