Python的背景知识

Python的由来

吉多•范罗苏姆（Guido van Rossum）是一个荷兰程序员，因为他名字的前三个字母是Gui，所以大家都叫他龟叔。

龟叔在1989年圣诞节的时候（当时33岁），因为在家里呆着无聊，为了打发时间于是开始了Python的开发，Python的第一个正式版本发布于1991年。1991年是一个神奇的年份，Python、万维网、Vim、Qt、第一台笔记本电脑，都诞生于1991年。

Python的使用场景

Python的使用场景非常广泛，常见的有如下几个：

• 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

Python的优点：

• 表达能力比较强，并且语法简单，容易上手。
• 功能强大，用途广泛。
• 生态丰富，具有海量成熟的第三方库供程序员使用。
• 方便调用C/C++编写的代码进行高性能或系统级操作。

Python的缺点：

• 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。

注意：Python采用的是动态类型系统，因此一个变量的类型在程序运行的时候是可以发生改变的。

常量和表达式

print是Python中的一个内置函数，使用print函数可以将数据打印到控制台上。比如：

print(1 + 2 - 3)  # 0
print(1 + 2 * 3)  # 7
print(1 + 2 / 3)  # 1.6666666666666665

其中，形如1+2-3这样的算式，在编程语言中称为表达式，表达式的运算结果称为表达式的返回值，而像1，2，3这样的数字称为字面值常量。

说明一下：

• 与C/C++等其他语言不同的是，Python中两个整数相除后得到的结果是一个浮点数。
• Python中浮点数在内存中的存储遵循IEEE754标准，这套标准在表示浮点数时可能会存在微小的误差，但这个误差在实际开发中不会造成太大的影响。

变量和类型

变量的语法

定义变量

创建变量的语句非常简单，比如：

a = 10

说明：

• a为变量名，当需要创建多个变量时，可以通过名字来进行区分。
• =为赋值运算符，表示把=右侧的数据放到=左侧的空间中。

变量的命名规则

硬性规则（务必遵守）：

• 变量名由数字、字母、下划线构成。
• 变量名不能以数字开头。
• 变量名不能和Python的“关键字”重复。
• 变量名大小写敏感，比如num和Num是两个不同的变量名。

软性规则（建议遵守）：

• 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。
• 当一个单词无法表述清楚变量的作用时，可以用多个单词进行命名。
• 当变量名包含多个单词时，常见的命名规范有驼峰命名法或蛇形命名法。

说明一下：

• 驼峰命名法：除第一个单词的首字母外，后续每个单词的首字母都大写。
• 蛇形命名法：每个单词之间使用下划线进行分隔。

使用变量

读取变量的值，常见的就是用print函数对变量进行打印。比如：

a = 10
print(a)  # 10

修改变量的值，就是对以存在的变量进行重新赋值。比如：

a = 10
a = 20  # 重新赋值
print(a)  # 20

当然，也可以将一个变量的值赋值给另一个变量。比如：

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

注意：

• 首次使用赋值运算符设置变量的值，这个过程是创建变量（初始化）。
• 对已存在的变量进行赋值操作，则是在修改这个变量的值（重新赋值）。

变量的类型

变量里面不仅能存储数字，还可以存储其他种类的数据，为了区分不同种类的数据，于是引入了“类型”的概念。

需要注意的是，与C/C++等其他语言不同的是，Python中变量的类型不需要在定义的时候显式声明，而是根据初始化的值的类型来进行确定的。

整数

整数的类型为int，比如：

a = 10
print(type(a))  # <class 'int'>

注意：

• type和print类似，也是Python中的一个内置函数，可以使用type函数来查看一个变量的类型。
• 与C/C++等其他语言不同的是，Python中int类型的变量能够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的数据。

浮点数（小数）

浮点数（小数）的类型为float，比如：

a = 0.5
print(type(a))  # <class 'float'>

注意： 与C/C++等其他语言不同的是，Python中的浮点数只有float一种类型，没有double类型，实际上Python中的float就相当于C/C++等语言中的double类型，表示双精度浮点数。

Python开发者的哲学：用一种方法，最好只有一种方法来做一件事。

字符串

字符串的类型为str，比如：

a = 'dragon'
print(type(a))  # <class 'str'>

字符串可以是用“单引号”、“双引号”、“三单引号”或者“三双引号”引起来的一串字符序列，比如：

a = "dragon"
b = 'dragon'
c = """dragon"""
d = '''dragon'''
print(a)  # dragon
print(b)  # dragon
print(c)  # dragon
print(d)  # dragon

此外，使用“三单引号”或“三双引号”可以将多行字符串赋值给变量。比如：

a = """
first line
second line
third line
"""

可以使用len函数来获取字符串的长度，比如：

a = 'dragon'
print(len(a))  # 6

可以使用+对两个字符串进行拼接，比如：

a = '2021'
b = 'dragon'
c = a + b
print(a + b)  # 2021dragon

布尔

表示真假的类型为bool，比如：

a = True
print(type(a))  # <class 'bool'>

注意： 布尔类型的取值只有两种，True（真）和False（假）。

其他

除了上述类型之外，Python中还有list、dict、自定义类型等等，我们后续再做介绍。

动态类型特性

动态类型与静态类型：

• 动态类型： 在运行时，解释器基于变量值的类型决定变量的类型。
• 静态类型： 在编译时，编译器基于所声明的数据类型确定变量的类型。

C/C++等大多数语言都是静态类型语言，在编写静态类型语言的代码时，必须声明变量的数据类型，而Python则是一种动态类型语言， 因此在编写Python代码时不用声明变量的数据类型。

由于动态类型语言中，变量的类型是取决于变量值的类型，因此Python中同一个变量在不同时刻的类型可能是不同的。比如：

a = 10
print(type(a))  # <class 'int'>
a = 'hello'
print(type(a))  # <class 'str'>

动态类型特性是一把双刃剑：

• 对于中小型程序，可以大大的减少代码量（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（比如程序员A提供的代码难以被B理解）。

注释

Python中有以下两种风格的注释：

注释行

使用#开头的行都是注释，注释可以单独的写在一行，也可以写在代码的右侧。比如：

# 这是一个注释
print('hello world')  # 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。比如：

"""
这是多行文本注释
第一行
第二行
第三行
...
"""

说明一下：

• Python实际上没有多行注释的语法，能够以三引号的方式添加注释，根本原因是因为Python会忽略未分配给变量的字符串文字。
• 这种三引号引起来的“文档字符串”，通常放在文件、函数、类的开头。

输入输出

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，用户可以通过控制台输入一些字符串传递给程序，程序再通过控制台将其运行结果展示给用户。

通过控制台输出

使用print函数可以将任意类型的变量输出到控制台，比如：

a = 2021
print(a)  # 2021
b = 'dragon'
print(b)  # dragon

如果想要混合输出不同类型的变量，那么就需要对输出的字符串进行格式化。比如：

age = 22
print(f'{name} is {age} years old this year')  # Bob is 22 years old this year

说明一下：

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

通过控制台输入

使用input函数可以从控制台读取用户输入的数据，比如：

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

说明一下：

• 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。

由于input函数的返回值是字符串类型，因此下面代码实际进行的是字符串的拼接操作。

a = input('请输入第一个整数: ')  # 10
b = input('请输入第二个整数: ')  # 20
print(f'{a} + {b} = {a + b}')  # 1020

如果想要进行算术运算，那么需要在运算前对读取到的值进行类型转换。比如：

a = input('请输入第一个整数: ')  # 10
b = input('请输入第二个整数: ')  # 20
a = int(a)
b = int(b)
print(f'{a} + {b} = {a + b}')  # 30

说明一下：

• 通过int()的方式可以将一个变量转换成int类型。
• 类似的，也可以通过float()、bool()、str()等将变量转换成对应的类型。

运算符

算术运算符

Python中的算术运算符，包括+、-、*、/、%、**（幂）、//（地板除）。

注意事项：

• 0不能做除数，否则程序会抛异常。
• 两个整数相除后得到的是一个浮点数。
• **可以求一个数的整数次幂，也可以求一个数的小数次幂。
• //是地板除，整数除以整数得到的结果还是整数（舍弃小数部分，向下取整）。

关系运算符

Python中的关系运算符，包括<、<=、>、>=、==、!=。

判断两个字符串是否相等

与C/C++等其他语言不同的是，Python中使用==或!=即可判断两个字符串的内容是否相等。比如：

a = 'hello'
b = 'hello'
print(a == b)  # True

判断两个浮点数是否相等

不能直接使用==来判断两个浮点数是否相等，因为浮点数在计算机中的表示并不是精确的。比如：

a = 0.1 + 0.2
b = 0.3
print(a)  # 0.30000000000000004
print(b)  # 0.3
print(a == b)  # False

这时正确的比较方式应该是，判定这两个浮点数的差值是否小于允许的误差范围。比如：

a = 0.1 + 0.2
b = 0.3
print(a)  # 0.30000000000000004
print(b)  # 0.3
print(-0.000001 < (a - b) < 0.000001)  # True

逻辑运算符

Python中的逻辑运算符，包括and、or、not。

• and：并且。两侧操作数均为True，则最终结果为True，否则为False（一假则假）
• or：或者。两侧操作数均为False，则最终结果为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。

注意事项：

• 在Python中，a < b and b < c等价于a < b < c，这个设定与其他编程语言都不相同。
• 与其他编程语言类似，Python中也存在短路求值规则：对于and，如果左侧表达式为False，则整体一定为False，因此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，因此右侧表达式不再执行。

赋值运算符

Python中的赋值运算符，包括=、+=、-=、*=、/=、%=、**=、//=、&=、|=、^=、<<=、>>=。

使用 = 同时对多个变量赋值

链式赋值是使用=同时对多个变量进行赋值的常见方式，比如：

a = b = 10
print(a)  # 10
print(b)  # 10

此外，Python还支持多元赋值的方式对多个变量进行赋值。比如：

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

多元赋值能帮我们解决一些特殊问题，比如完成两个变量的交换：

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

复合赋值运算符

对于复合赋值运算符+=来说，a += 1等价于a = a + 1，其他复合赋值运算符也是类似的道理。

注意事项：

• C/C++等某些语言中支持++和--运算符，但Python中不支持这种运算符，如果需要对变量进行自增/自减，则直接进行对应的+= 1/-= 1操作。

其他

除了上述运算符外，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、in not）、位运算符（&、|、^、~、<<、>>）等，本文先不做介绍。