第1章 初识Python（课件）-《程序设计基础（Python）》同步教学（电子工业出版社）

第1章 初识Python 第1章 初识Python 1.1 Python语言概述 1.2 Python的开发优势 1.3 安装Python 1.4 IDLE开发环境 1.5 Anaconda开发环境 1.6 Jupyter Notebook介绍 1.1 Python语言概述 Python语言是由荷兰人Guido van Rossum于1989年设计实现的高级程序设计语言。 1991年发布Python版本0.9，后续于1994年、2000年和2008年相继发布了Python1.0、Python2.0和Python3.0等多个版本。截至2024.6月最新版本是3.12.3。 官网 https://www.python.org/ Python2.x和Python3.x不完全兼容。目前使用3.x，本书采用3.12版环境，实际使用3.10-3.12版均可。 应用方向：数据分析、机器学习、人工智能、组件集成、网络服务、科学计算等众多领域。 1.2 Python的开发优势 简单易学：摈弃复杂结构、简化语法，提供易用的数据类型，使得Python程序结构更简单、可阅读性更强。 免费开源：开放源代码、免费。 跨平台和可移植性：Python程序可在很多平台上运行，包括Windows、MacOS、iOS、Android及各种Linux/Unix系统。 解释型：采用解释方式执行，非编译方式。 Python语言特性： 1.2 Python的开发优势 面向对象：支持过程式编程、面向对象编程和函数式编程(体现为lambda, map, filter等高阶函数) 丰富的库：内建很多库，现已有40多万个项目(第三方库)，扩展了Python的功能。官方库网站 https://pypi.org/ 常用的python开发环境： python标准安装包自带的IDLE Anaconda中的spyder或 jupyter notebook (本书使用) pycharm等第三方开发工具 vscode中安装python插件亦可 1.3 安装Python 安装：在官网https://www.python.org/downloads下载安装程序，标准安装包大约30MB。最新版 3.12.3，本课程使用3.10-3.12版均可。 6 1.3 安装Python 安装Python：双击下载的Python安装包，进入Python安装向导进行安装，如下图所示： 安装时可选"Customize installation",建议: (1)选中上图"Add python.exe to PATH"选项， (2)将安装目录修改为简短的C:\python312，便于后续命令行上的操作。 7 1.4 IDLE开发环境 1.4.1 Python IDLE集成开发环境 IDLE 是python安装包自带的开发环境 启动方式：选择Windows的“开始”菜单“Python程序组”“IDLE (Python 3.12)”菜单项 启动后，提示符为>>> , 每行输入一条命令，按回车键即执行。 1.4 IDLE开发环境 1.4.2 Python程序编辑器 1.新建程序文件：选择IDLE的“File”菜单“New File”命令，或按快捷键“Ctrl+N”。(在IDLE中演示下面的操作) 1.4 IDLE开发环境 2.保存程序文件：选择“File”菜单“Save File”命令或者按快捷键“Ctrl+S”将程序代码保存为Python文件，文件的扩展名为“.py”。 3.打开程序文件：选择“File”菜单“Open File”命令，或者按快捷键“Ctrl+O”。 4.语法高亮：在Python IDLE中注释用红色显示，函数用紫色显示，字符串显示为绿色。 10 1.4 IDLE开发环境 5.自动完成：输入命令单词的开头部分，IDLE可自动补全。选择“Edit”菜单“Show Completions”命令，或按快捷键Tab实现自动补全。 (a)IDLE命令窗口 (b)Python程序编辑器窗口 11 1.4 IDLE开发环境 1.4.3 Python程序书写规范 Python源程序的书写规范主要体现在语句的格式、语句块与缩进、注释等方面。 1. 语句：原则上要求Python程序一行只写一条语句。如果非要在一行内写多条语句，那么必须用分号";"隔开不同语句。如果一条语句过长，可使用 “\”字符分割成多行书写。 # 程序示例 x = input('输入x:') x = int(x) # 转换为整数 if x>=0: print('>=0') else: print('<0') 1.4 IDLE开发环境 例：多条语句写在同一行 a = 10; b = 20; c = 30 例：一条语句占多行,用“\”做续行符 content = '在Python源程序中\ 如果一行内写多条语句，\ 语句间用分号（;）隔开。\ 如果一条语句过长，可以使用反斜杠符\ 实现多行书写。' 1.4 IDLE开发环境 2. 语句块与缩进：语句块是指多个语句构成的复合语句，它是程序中完成相对复杂功能且逻辑独立的语句组合体。 Python程序中的语句块相对上级语句必须采用缩进(语句前面插入空格)格式。 a = 20 b = 10 if a > b: # 此处必须有冒号 c = a # 三条下级语句都要缩进，且缩进一致 a = b b = c print(a, b) 1.4 IDLE开发环境 代码的缩进非常重要，需要注意以下几点： 语句块相对上级语句(if/for/while/def等)应缩进； 用空格实现缩进(或按Tab键自动转为4个空格)； 缩进是分级别的，同一级别缩进必须对齐，否则会导致语法错误。 a = 20 b = 10 if a > b: c = a # 错误，未缩进 a = b b = c # 错误，缩进不一致 15 1.4 IDLE开发环境 3. 注释：注释用于描述程序或语句的功能，目的是增强程序的可读性。执行程序时会忽略所有注释。 Python的注释分单行注释和多行注释两种。 单行注释: 以字符“#”开始至该行结束为止。 多行注释: 使用3个引号（单引号或双引号）作为注释的开始和结束标记。 # -*- coding: utf-8 -*- 单行注释 """ 多行注释 Created on Mon May 13 15:09:15 2019 @author: """ print('Hello,Python!') # 输出 Hello,Python! 1.4 IDLE开发环境 1.4.4 Python程序的运行 1. Python程序的运行原理 Python 程序运行原理 解释器将.py源代码解释为字节码(中间码），然后由虚拟机执行，与java的运行原理类似。 1.4 IDLE开发环境 2. Python程序的运行方式 运行方式有交互方式和文件方式两种。 （1）交互方式: 在shell对话窗口中执行单条语句 1.4 IDLE开发环境 （2）程序文件运行方式: 编写程序(.py)运行 # FirstPython.py print('Hello, Python!') x = 10 print(x) 1.5 Anaconda开发环境 1.5.1 Python软件包管理工具 Python得以广泛应用的主要原因就在于有众多的第三方软件包扩展其功能。 PyPI(Python Package Index https://pypi.org/ )是Python官方的第三方包集合。这些包可通过 pip 工具下载安装，pip工具在python标准安装包中已包含。 20 1.5 Anaconda开发环境 （1）查看已安装的Python软件包 运行cmd，进入Windows命令提示符窗口，输入命令 pip list （2）查看可升级的Python软件包 在命令提示符窗口中输入命令 pip list --outdated 21 1.5 Anaconda开发环境 （3）安装Python软件包 在命令提示符窗口中输入命令 pip install 软件包名 或 pip install 软件包名==版本号 安装指定版本号的包 例如要安装numpy包, 则 pip install numpy 有时访问国外软件仓库网速慢易出错，可用下面的清华镜像，快且稳定 pip install -i https://pypi.tuna.tsinghua.edu.cn/simple numpy （4）更新升级Python软件包 在命令提示符窗口中输入命令 pip install  --upgrade 软件包名 （5）卸载Python软件包 在命令提示符窗口中输入命令 pip uninstall  软件包名 22 1.5 Anaconda开发环境 1.5.2 Anaconda软件包 Anaconda是一个免费的集成Python软件平台，包含了常用的Anaconda Prompt窗口、IPython工具、Spyder开发环境和Jupyter Notebook开发环境等。本课程推荐使用其中的Spyder和Jupyter Notebook。 Anaconda官网: https://www.anaconda.com 历史版本下载: https://repo.anaconda.com/archive/ 23 1.5 Anaconda开发环境 Anaconda程序安装 用户可自行修改安装路径。注意：用户名为中文的用户应修改默认的目录路径，确保安装路径中不含中文。路径中含有中文可能导致Jupyter Notebook使用时报错。 在后续窗口中建议勾选上图的“Add Anaconda3 to myPath”选项，便于以后在命令行使用Python和Jupyter Notebook。 24 1.5 Anaconda开发环境 1.5.3 Anaconda Prompt窗口 1. Anaconda Prompt窗口的启动 该窗口为用户设置好了各种Anaconda环境变量，便于在命令行上使用各种命令。选择“Anaconda3程序组”“Anaconda Prompt”命令。 重要提示：用户机器中允许共存多个python环境，如使用pip为anaconda环境安装新软件包，请进入anaconda prompt窗口操作，不要进入Windows的cmd窗口操作，这样可保证软件包安装在anaconda中。 25 1.5 Anaconda开发环境 2. Anaconda 软件包管理：在Anaconda Prompt窗口中可使用conda工具对Python软件包进行安装、更新和删除等操作，也可用pip方式安装。 命令 描述 conda list 显示当前环境下的所有Python包 conda install packagename 安装名为packagename的包 conda search packagename 搜索packagename包 conda update packagename 更新packagename包 conda remove packagename 删除packagename包 26 1.5 Anaconda开发环境 3. Anaconda 环境管理：在Anaconda Prompt窗口中可使用conda实现虚拟环境管理。不同环境可安装不同版本的python（如2.x和3.x）和软件包，以适应不同的软件需求，虚拟环境之间互不影响。默认具有base环境。 （1）创建虚拟环境 conda create -n env_name python=version package_names # 创建一个名为python37的 python 3.7环境 例 conda create -n python37 python=3.7 （2）查看Python的虚拟环境 conda env list 27 1.5 Anaconda开发环境 （3）切换虚拟环境 conda activate env_name 例 conda activate python37 （4）退出虚拟环境，退出后默认进入base环境 conda deactivate （5）删除虚拟环境 conda env remove -n env_name 例 conda env remove -n python37 28 1.5 Anaconda开发环境 1.5.4 IPython开发工具 IPython是增强shell，比IDLE好用。推荐使用Spyder中的IPython。 1. IPython交互式命令窗口的启动 方法1：启动Anaconda Prompt窗口，在窗口中输入“ipython”命令启动。 方法2：选择“Anaconda3程序组”“Spyder”命令，Spyder中内含Ipython。 29 1.5 Anaconda开发环境 Spyder环境集成了IPython开发工具，在窗口的“控制台窗口区”提供了IPython交互命令窗格。 30 1.5 Anaconda开发环境 Python IDLE以“>>>”作为输入提示符，IPython采用 “In[序号]:”提示符表示代码输入位置，“Out[序号]:”提示符表示执行结果的输出位置。本书后续省略序号，只以In和Out表示输入和输出。 2. IPython简单使用 （1）Tab键自动补全 在IPython命令窗口中输入代码时按下Tab键，系统会自动列出与当前输入的字符串匹配的内容 31 1.5 Anaconda开发环境 （2）历史记录功能 使用“history”命令（或hist）查看历史输入内容 格式 描述 history 输出命令的历史记录 history -n 序号 输出指定序号的命令记录 history -g 字符串 搜索内容 In [1]: a = 20 In [2]: b = 10 In [3]: a + b Out[3]: 30 In [4]: history # 显示所有历史输入 a = 20 b = 10 a + b history 32 1.5 Anaconda开发环境 （3）自省 在IPython中可使用符号“?”查看系统已有的命令、变量或函数的相关信息，这种功能被称为自省。 例：使用“?”获取变量的信息 In [1]: a = 10 In [2]: a? Type: int String form: 10 Docstring: int([x]) -> integer   使用dir()和 help()也可以显示内建的帮助信息 In: dir(a) In: help(a) 33 1.5 Anaconda开发环境 （4）直接调用操作系统的命令 可用“!操作系统命令”的形式直接调用操作系统的命令。 # 调用Windows系统的dir命令显示当前目录中的文件, 此处不是Python的dir In: !dir # 创建目录mywork, md是Windows创建目录的命令 In: !md mywork # !pip 直接在Ipython中安装包，不用先进入操作系统命令行界面，方便用户操作 In: !pip install jieba 34 1.5 Anaconda开发环境 （5）magic命令 IPython将任何首字母为%的行视为magic命令，提供了更多的扩展管理功能。 命令 描述 %quickref  显示IPython的快速参考 %magic 显示所有魔术命令的详细文档 %history 打开命令的输入（可选输出）历史 %reset 删除当前命名空间中的全部变量、名称 %run 源程序文件 执行Python源程序 %prun statement 通过cProfile执行statement,并打印分析器的输出结果 %time statement 报告statement的执行时间 %timeit statement 多次执行statement以计算其平均执行时间，适合测试执行时间非常短的代码 %who、%who_ls、whos 显示命名空间中定义的变量 前导符%默认也可以省略。这些命令只能在Ipython中使用，不要写入.py的普通python程序中。 35 1.5 Anaconda开发环境 【例】 magic命令的使用 1.使用%run运行Python程序文件 In: %run d:\pythonspace\FirstPython.py Hello,Python! 10 2.使用%timeit测试运行时间 In: %timeit list(range(100)) # 测试 list(range(100))的运行时间 914 ns ± 6.09 ns per loop (mean ± std. dev. of 7 runs, 1000000 loops each) 36 1.5 Anaconda开发环境 1.5.5 Spyder集成开发环境 Spyder是一个用于科学计算的Python集成开发环境。它结合了集成开发工具的高级编辑、分析、调试功能，以及数据探索、交互执行和数据可视化功能，为用户带来了很大的便利。 Spyder集成开发环境窗口主要包含程序编辑区、控制台窗格区、帮助、变量和文件浏览区等。 37 1.5 Anaconda开发环境 1. 新建程序文件 启动Spyder集成开发环境窗口后，在程序编辑区默认打开的程序文件为“temp.py”。如果要新建一个程序文件，有下列方法： 方法1：选择菜单栏的File New file命令； 方法2：单击工具栏中的“新建文件”按钮; 2. 打开程序文件 步骤1：选择菜单栏的File Open命令，或单击工具栏中的“打开文件”按钮，或按快捷键“Ctrl+O”键，弹出“打开文件”对话框。 步骤2：在对话框中选择需要打开的程序文件后单击“打开”按钮。 38 1.5 Anaconda开发环境 3. 编辑程序文件 在程序编辑区可以按照1.4.3节介绍的程序书写规范对源程序进行编辑。 a = [10, 80, 20, 5, 6] print('排序前:', a) a.sort() # 排序 print('排序后:', a) 4. 运行程序文件 选择RunRun菜单命令，或单击工具栏的“执行文件”按钮 ，或按快捷键F5键。 39 1.6 Jupyter Notebook介绍 Jupyter Notebook是一款基于网页的python编程平台，在网页的单元格中可编写和运行代码，运行结果显示在单元格下方。其最突出的优点就是将代码、输出结果和笔记(图片、数学公式、图形等)存于同一文件中(扩展名.ipynb)，便于查阅和重现程序结果。 1.6.1 安装与启动Jupyter Notebook anaconda中已包含Notebook, 可直接在程序组中启动。启动后自动弹出服务器终端窗口(见教材图1.22,此窗口不能关闭)，同时浏览器将自动启动Jupyter Notebook主页(见下图)。 40 1.6 Jupyter Notebook介绍 如果是从"开始"菜单项启动Jupyter，则工作目录默认为Windows个人目录，例如用户Administrator 的个人目录为C:\Users\Administrator。用户可先将.ipynb文件复制到此目录，或用Upload按钮加载到该目录中。 选择上图的“New / Python 3(ipykernel)" 将创建一个新文件。 41 1.6 Jupyter Notebook介绍 另一种启动方式是先进入Anaconda Prompt窗口，切换到要操作的.ipynb文件所在的目录，然后在命令行输入jupyter notebook启动。 如下命令启动后将把D:\mywork作为工作目录，浏览器中将显示该目录的文件。 (base) C:\Users\admin>d: (base) D:\>cd mywork (base) D:\mywork>jupyter notebook 42 1.6 Jupyter Notebook介绍 1.6.2 程序的编辑与运行 Notebook网页中的单元格分两类：代码格和Markdown标记格。代码格中存放可运行的Python代码，Markdown标记格存放标记文本，这些文本可设置格式，例如标题、上标、颜色等，见下页示图。格式设置方法详见本书配套的“Jupyter配置.ipynb”文档。 工作模式分为: 命令模式和编辑模式。例如，单击单元格左侧边栏(或按Esc键)将进入命令模式。按A键在当前单元格前面插入新单元格；按B键在后面插入新单元格；连按两次D键删除当前单元格。更多快捷键参见Help菜单下的"Keyboard Shortcuts"。如果在单元格上单击或按回车键则进入编辑模式，可修改其内容。 单击工具栏上的"运行"按钮将执行单元格代码，并在下方显示结果。按 Shift + Enter键也可执行，执行后光标移到下一单元格; 按 Ctrl + Enter 键执行单元格且保持光标不变。 43 1.6 Jupyter Notebook介绍 图1.25 第4章配套的.ipynb代码截图 44 $$