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Python程序設(shè)計：編程基礎(chǔ)、Web開發(fā)及數(shù)據(jù)分析

1.1 認識Python語言

從程序設(shè)計語言的發(fā)展過程來分，計算機程序設(shè)計語言可分為：機器語言、匯編語言和高級語言。Python是一門高級語言。

Python語言具有優(yōu)雅的語法，高效率的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，屬于純粹的開源自由軟件，相對其他語言（比如Java），具有語法簡潔、易于學習、功能強大、可擴展性強、跨平臺等諸多特點。

Python也是一種擴充性強大的編程語言。它具有豐富和強大的庫，能夠把使用其他語言制作的各種模塊（尤其是C/C++）很輕松地聯(lián)結(jié)在一起。所以Python常被稱為“膠水”語言。

1.1.1 Python的發(fā)展歷程

在1989年，Python的創(chuàng)始人Guido van Rossum為了打發(fā)圣誕節(jié)的無趣，決心開發(fā)一個新的腳本解釋程序，作為ABC語言的一種升級（ABC是由Guido參加設(shè)計的一種教學語言）。就Guido本人看來，ABC這種語言非常優(yōu)美和強大，是專門為非專業(yè)程序員設(shè)計的。但是ABC語言并不成功，究其原因，Guido認為是其非開放造成的。Guido決心在Python中避免這一錯誤。

之所以選中Python（大蟒蛇的意思）作為該編程語言的名字，是因為Guido是一個名叫Monty Python的喜劇團體的愛好者。就這樣，Python在Guido手中誕生了。

Python已經(jīng)成為最受歡迎的程序設(shè)計語言之一。2011年1月，它被TIOBE編程語言排行榜評為2010年度語言。自從2004年以后，Python的使用率呈線性增長。2020年8月，TIOBE公布的編程語言指數(shù)排行榜上，Python躍居第三。作為人工智能的主要編程語言，從2016年開始，Python的使用比例不斷提升，目前能夠達到9.69%，如圖1-1所示。

要詳細了解Python的現(xiàn)狀，可以訪問Python官方網(wǎng)站：http://www.python.org。

1.1.2 Python的特點

Python具有以下特點。

圖1-1 2020年8月TIOBE公布的編程語言指數(shù)排行榜

1.簡單易學

Python的設(shè)計哲學是“優(yōu)雅”“明確”“簡單”。Python開發(fā)者的哲學是“用一種方法，最好是只有一種方法來做一件事”。由于Python語言的簡潔性、易讀性以及可擴展性，在國內(nèi)外使用Python來教授程序設(shè)計課程的學校越來越多。

2.功能強大（可擴展、可嵌入）

Python既屬于腳本語言，也屬于高級程序設(shè)計語言，所以，Python既具有腳本語言（如Perl、Tcl和Scheme等）的簡單、易用的特點，也具有高級程序設(shè)計語言（如C、C++和Java等）的強大功能。Python具有的一些強大功能如下。

● 動態(tài)數(shù)據(jù)類型：Python在代碼運行過程中跟蹤變量的數(shù)據(jù)類型，不需要在代碼中聲明變量的類型，也不要求在使用之前對變量進行類型聲明。

● 自動內(nèi)存管理：良好的內(nèi)存管理機制意味著程序運行具有更高的性能。Python程序員無須關(guān)心內(nèi)存的使用和管理，Python會自動分配和回收內(nèi)存。

● 大型程序支持：通過子模塊、類和異常等工具，Python可應(yīng)用于大型程序開發(fā)。

● 內(nèi)置數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：Python提供了常用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)支持。例如，列表、字符串等都屬于Python內(nèi)置對象。同時，Python也實現(xiàn)了各種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的標準操作，如合并、分片、排序和映射等。

● 內(nèi)置庫：Python提供豐富的標準庫，從正則表達式匹配到網(wǎng)絡(luò)編程等，使Python可以實現(xiàn)多種應(yīng)用。

● 第三方工具集成：Python很容易集成第三方工具，通過各種擴展包將其應(yīng)用到各種不同領(lǐng)域。

● 可擴展性和可嵌入性：Python提供了支持C/C++的接口，可以方便地使用C/C++來擴展Python。Python提供了API，通過使用API函數(shù)可以編寫Python擴展。

3.具有良好的跨平臺特性（可移植）

Python是用ANSI C實現(xiàn)的。C語言因為跨平臺和良好的可移植性成為經(jīng)典的程序設(shè)計語言。這意味著Python也具有良好的跨平臺特性，可在目前所有的主流平臺上編譯和運行。所以，既可以在Windows下編寫Python程序，也可以輕松地在Linux等各種其他系統(tǒng)中編寫和運行Python程序。

4.面向?qū)ο?/b>

面向?qū)ο螅∣bject Oriented，OO）是現(xiàn)代高級程序設(shè)計語言的一個重要特征。多態(tài)、運算符重載、繼承和多重繼承等面向?qū)ο缶幊蹋∣bject Oriented Programming，OOP）的主要特征也在Python的類模塊中得到了很好的支持。由于Python簡潔的語法和數(shù)據(jù)類型系統(tǒng)，Python中的OOP也變得極為簡單。

5.Python是免費的開源自由軟件

Python遵循GPL協(xié)議，是免費的開源自由軟件，不管是用于個人還是商業(yè)用途，開發(fā)人員都無須支付任何費用，也不用擔心版權(quán)問題。作為開源軟件，程序員可以獲得Python源代碼，以研究其內(nèi)部細節(jié)，并可加以修改使其針對目標更加適用。也可以將Python嵌入系統(tǒng)或隨產(chǎn)品一起發(fā)布。

1.1.3 Python的應(yīng)用領(lǐng)域

作為一門優(yōu)秀的程序設(shè)計語言，Python被廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域，從簡單的文字處理，到網(wǎng)站和游戲開發(fā)，再到數(shù)據(jù)分析、組件集成、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)、圖像處理、數(shù)值計算和科學計算等眾多領(lǐng)域，都能見到Python的身影。目前業(yè)內(nèi)幾乎所有大中型互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)都在使用Python，如Google、百度、騰訊、汽車之家、美團等?；ヂ?lián)網(wǎng)公司將Python廣泛用于自動化運維、自動化測試、大數(shù)據(jù)分析、爬蟲、Web開發(fā)等領(lǐng)域。Python的應(yīng)用領(lǐng)域簡要說明如下。

● 系統(tǒng)編程：Python提供API（Application Programming Interface，應(yīng)用程序編程接口），能方便地進行系統(tǒng)維護和管理，是很多系統(tǒng)管理員理想的編程工具。

● 圖形處理：Python內(nèi)置了Tkinter（Python默認的圖形界面接口）和標準面向?qū)ο蠼涌赥k GUI API，可以進行程序GUI設(shè)計。同時有PIL等圖形庫支持，使其能夠方便地進行圖形處理。

● 數(shù)據(jù)處理：Python的NumPy擴展庫提供了大量標準數(shù)學庫的接口，例如矩陣對象、標準數(shù)學庫等。SciPy和Matplotlib擴展庫也為Python提供了快速數(shù)組處理、數(shù)值運算以及繪圖功能。眾多的擴展庫使Python十分適合工程技術(shù)、科研人員處理實驗數(shù)據(jù)、制作圖表，甚至開發(fā)科學計算應(yīng)用程序。

● 文本處理：Python提供的re模塊能支持正則表達式，還提供SGML，XML分析模塊，許多程序員利用Python進行XML程序的開發(fā)。

● 數(shù)據(jù)庫編程：Python提供了對目前主流的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的支持，程序員可通過遵循Python DB-API（數(shù)據(jù)庫應(yīng)用程序編程接口）規(guī)范的模塊與MySQL、Oracle、Microsoft SQL Server、Sybase、DB2、SQLite等數(shù)據(jù)庫通信。Python自帶一個Gadfly模塊，提供了一個完整的SQL環(huán)境。

● 網(wǎng)絡(luò)編程：Python提供了標準的Internet模塊，使Python能夠輕松實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)編程，例如，通過套接字（Socket）進行網(wǎng)絡(luò)通信。

● Web編程：Python支持許多Web開發(fā)工具包，支持最新的XML技術(shù)。使得Python能夠快速構(gòu)建功能完善和高質(zhì)量的網(wǎng)站。很多大規(guī)模軟件開發(fā)計劃，例如Zope，Mnet，BitTorrent及Google都在廣泛地使用它。

● 多媒體應(yīng)用：Python的PyOpenGL模塊封裝了“OpenGL應(yīng)用程序編程接口”，能進行二維和三維圖像處理。PyGame模塊可用于編寫游戲軟件。

● Python廣泛應(yīng)用于游戲開發(fā)、人工智能、數(shù)據(jù)分析等領(lǐng)域。

1.1.4 Python的版本

Python發(fā)展到現(xiàn)在，經(jīng)歷了多個版本。截至本書成稿時，Python最新版本為3.8。需要注意的是，Python 3.x不再兼容現(xiàn)有的2.x程序。可根據(jù)實際需要選擇使用的版本，當然，選擇較新的版本有利于以后軟件升級。

作為一個開源軟件，Python擁有一個參與者眾多的開發(fā)社區(qū)，它保持Python的不斷更新和改進。Python的開發(fā)者通過一個在線的源代碼控制系統(tǒng)協(xié)同工作，所有對Python的修改必須遵循PEP（Python Enhancement Proposal，Python改進提案），并通過Python擴展回歸測試系統(tǒng)的測試。目前，由一個非正式的組織PSF（Python Software Foundation，Python軟件基金）負責組織會議并處理Python的知識產(chǎn)權(quán)問題。

Python 3.x與2.x的主要區(qū)別如下。

1.Python 3.x默認使用UTF-8編碼

Python 3.x源代碼中的字符默認使用UTF-8編碼，可以很好地支持中文或其他非英文字符。例如，在Python 3.x中可使用漢字作為變量名；在Python 2.x中不能使用漢字作為變量名，否則會出錯。

2.print函數(shù)代替了print語句

在Python 3.x中，調(diào)用print函數(shù)來輸出數(shù)據(jù)；在Python 2.x中則使用print語句。

3.完全面向?qū)ο?/b>

在Python 2.x中的各種數(shù)據(jù)類型，在3.x中全面升級為類（Class）。例如，在Python 2.x中輸出int數(shù)據(jù)類型：print int的結(jié)果是﹤type‘int’﹥，在Python 3.x中輸出int數(shù)據(jù)類型：print（int）的結(jié)果是﹤class'int'﹥。

4.用視圖和迭代器代替了列表

常用方法或函數(shù)在Python 2.x中返回列表，在3.x中有很多改變。

在3.x中，字典的keys（）、items（）和values（）方法用返回視圖代替了列表，不再支持2.x中的iterkeys（）、iteritems（）和itervalues（）；在3.x中，map、filter和zip函數(shù)用返回迭代器代替了列表。

5.比較運算中的改變

比較運算的主要改變?nèi)缦隆?/p>

● 用！=代替了﹤﹥。

● 比較運算﹤、﹤=、﹥=和﹥在無法比較兩個數(shù)據(jù)大小順序時，會產(chǎn)生TypeError異常。

● 在Python 2.x中，1﹤”、0﹥None、len﹤=len等運算返回False，而在3.x中則產(chǎn)生TypeError異常。

● 在==和！=中，不兼容類型的數(shù)據(jù)視為不相等。

6.整數(shù)類型的改變

整數(shù)類型的主要改變?nèi)缦隆?/p>

● 取消了long類型，整數(shù)類型只有int一種。不再支持用后綴l或L表示長整數(shù)。

● 在Python 3.x中，/（除法）運算返回浮點數(shù)（float類型）。2.x中兩個整數(shù)的/運算返回整數(shù)（截斷了小數(shù)部分）。

● 整數(shù)不再限制大小，刪除sys模塊中的maxint（最大整數(shù)）常量。

● 不再支持以數(shù)字0開頭的八進制常量（如012），而改成用前綴“0o”表示（如0o12）。

7.字符串的改變

在Python 2.x中，字符串中的字符默認為單字節(jié)（8位），字符串的類型可分為str和unicode兩種。帶前綴“u”或“U”的字符串為unicode類型，其他的字符（包含帶前綴“b”“B”，“r”或“R”的字符串）為str類型。所有的字符串在輸出時會將包含的字符直接輸出。

在Python 3.x中，字符默認為unicode字符，即雙字節(jié)字符。字符串的數(shù)據(jù)類型分為str和bytes兩種。仍可使用字符串前綴“u”或“U”，但會被忽略。

在Python 3.x中，字符串前綴“b”或“B”表示二進制字符串，其類型為bytes。

8.取消了file數(shù)據(jù)類型

Python 3.x取消了2.x中的file數(shù)據(jù)類型。使用open函數(shù)打開文件時，返回的是IOTextWrapper類的實例對象。

Python 2.x的open函數(shù)返回的是file類型的對象。

9.異常處理的改變

在Python 3.x中，異常處理的改變主要如下。

● 所有異常都從BaseException繼承，并刪除了StandardError異常。

● 取消了異常類的序列行為和.message屬性。

● 用raise Exception（args）代替raise Exception，args語法。

● 捕獲異常的語法改變，引入了as關(guān)鍵字。

10.其他主要的語法改變

其他主要的語法改變?nèi)缦隆?/p>

● 加入了關(guān)鍵字“as”和“with”。

● 增加了常量“True”“False”和“None”。

● 加入nonlocal語句。使用nonlocal x聲明x為函數(shù)外部的變量。

● 刪除了raw_input（）方法。用input函數(shù)代替。

● 去除元組參數(shù)解包。不能像def（a，（b，c））：pass這樣定義函數(shù)了。

● 增加了二進制數(shù)，如'0b111'。bin函數(shù)可返回整數(shù)的二進制字符串。

● 擴展了可迭代解包。在Python 3.x里，“a，b，*x=seq”和“*x，a=seq”都是合法的，只要求兩點“x”是list。

● 對象和“seq”是可迭代的。

● 面向?qū)ο笠肓顺橄蠡悺?/p>

● 類的迭代器方法next（）改名為__next__（），并增加內(nèi)置函數(shù)next，用以調(diào)用迭代器的__next__（）方法。

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