认识Python

1.1.1　程序设计和编程语言

如今，我们的生活已经离不开计算机。写文章、做PPT、打电子游戏、QQ聊天、上网购物等都离不开计算机，甚至手机里的各种应用，如微信、GPS导航等，背后也都离不开计算机的支持。可你是否想过，计算机是怎么能够帮助我们完成各种各样的任务的呢？

其实计算机是通过程序来完成具体的任务的。计算机程序（Program）是一组计算机能识别和执行的指令，运行于电子计算机上，以满足人们某种需求的信息化工具。更加直白地说，计算机程序是一种软件，是使用计算机编程语言编写的指令，它告诉计算机如何一步一步执行任务，从而达到最终的目的。而使用某种计算机编程语言，经过分析、设计、编码、测试、调试等各个步骤，编写出程序以解决特定的问题的过程，就叫作程序设计或编程（Porgramming）。因此，要控制计算机方便快捷地实现各种功能，我们必须要学习程序设计，也就是编程。而要编写程序代码，我们必须讲计算机的语言，为此，我们首先要选择并学习一种计算机编程语言。

计算机编程语言的发展大概有几十年的历史。在这期间，编程语言经历了从低级语言向高级语言发展的过程。这里所说的低级语言和高级语言，并不是指语言的功能和水平等，而且是指编程语言与人类自身语言的接近程度上的区别。低级语言更加接近于机器语言，计算机理解起来比较容易，人类理解起来比较困难，这是比较底层的语言。而高级语言的语法和表达方式，更加接近于人类自身的语言，需要通过一种称为编译器和解释器的东西（你可以把编译器和解释器想象成翻译人员）将其转换为计算机比较容易理解的机器语言，然后机器才能执行。

计算机程序正是使用诸如Python、C++、Ruby或JavaScript这样的编程语言来编写的。这些语言允许我们和计算机“对话”，并且向它们发布命令。打一个比方，我们是如何训练一只狗的呢？当我们说“坐下”的时候，它蹲着；当我们说“说话”的时候，它叫两声。这只狗能够理解这些简单的命令，但是，对于你所说的其他的大多数话，它就不懂了。

类似的，计算机也有局限性，但是，它们确实能够执行你用它们的语言发布的指令。在本书中，我们将学习Python语言，这是一种简单而强大的编程语言。未来，在高中和大学阶段，Python语言将作为计算机科学课程的入门课来教授。因此，我们通过现在的学习，可以给将来打下一个较好的基础。

1.1.2　Python简介

Python是吉多?范罗苏姆（Guido Van Rossum）在20世纪80年代后期开发的一种过程式的、面向对象的、功能强大而完备的编程语言。Python这个名字来自于一个名为Monty Python的戏剧团体。

人们使用Python语言进行各种应用开发，包括游戏软件开发、Web开发、桌面GUI开发、教育和科学计算应用开发。近年来，Python甚至成为最受欢迎的开发人工智能应用的语言之一，在图像处理、自然语言处理和神经网络等众多领域一展身手。因此，实际上Python已经涉足了所有的开发领域。当前，Python已经成为最流行的编程语言之一，在各种编程语言排行榜中位居前列。Python之所以很流行，主要是归功于它的简单性和健壮性，当然，还有很多其他的因素，后面我们还会一一介绍。

对于初学者来说，Python是一款既容易学又相当有用的编程语言。相对于其他语言，Python的代码相当易读，并且它有命令行程序，你可以直接输入指令并运行程序。Python的一些功能对于辅助学习过程很有效，用户可以把一些简单的动画组织起来制作自己的游戏。其中之一是turtle模块，该模块的灵感来自于海龟绘图（20世纪60年代由Logo语言使用），专门用于教育。还有tkinter模块，它是Tk图形界面的接口，可以用来很容易地创建一些图形和动画程序。简单易学使得Python成为青少年学习计算机编程的首选语言。在本书中，我们也将带领读者学习Python turtle模块的使用，并且会用Python编写一款有趣的游戏，相信这会让你体会到学习Python编程的乐趣和成就感！

Python的语法很简单，因而学习和理解Python编程很容易。和其他编程语言相比，Python代码更简短易懂。此外，Python中的一些任务很容易实现。例如，要交换两个数字，用Python很容易编写：(a, b)=(b, a)。学习某种新的东西，是一项耗费精力且复杂的任务。然而，Python语法的简单性大大降低了它的学习难度。此外，用Python编写的项目也很容易为人们所理解。Python的代码精炼而高效，因而易于理解和管理。

Python的另一个非常显著的特点是，它拥有大量的第三方模块和库，这是Python拥有非常广泛的应用领域的一个重要原因。Python有很多第三方的模块用于完成Web开发。例如，基于Python的Django是一款非常流行的Web开发框架，支持干净而快速地开发，支持HTML、Email、FTP等应用，因此，成为Web开发的不错的选择。结合第三方模块和库的功能和支持，Python也可以广泛地用于GUI开发和移动应用开发，例如，Kivy可以用于开发多触点的应用程序。Python还拥有强大的支持科学计算和分析的库——SciPy用于工程和数学，IPython用于并行计算等。此外，SciPy还提供了和MATLAB类似的功能，并且能够用于处理多维数组。

Python还具有其他的一些特点和优点：

Python有自己的管理内存和相关对象的方式。当在Python中创建一个对象的时候，内存动态地分配给它。当对象的生命周期结束的时候，其占用的内存会被收回。Python的内存管理使得程序更加高效，我们不用为此操心。Python具有很强的可移植性，使用Python编写的程序几乎可以在所有已知的平台（如Windows、Linux或Mac等）上运行。Python是免费的。Python并不是专有的软件。任何人都可以下载各种各样可用的Python编译器。此外，在发布用Python编写的代码的时候，不会有任何的法律问题。Python拥有一个庞大的用户群体。Python开发者和使用者已经形成了一个活跃的专业社群，世界各地（包括中国）的程序员在一起探讨、交流学习和使用Python的经验。互联网上有很多与Python有关的信息，有许多Python讨论组。这些都促进了Python语言的学习和传播。

既然Python有这么多的好处，那还等什么呢？我们先开始第一步，下载和安装Python吧！

要安装Python，通常我们要去Python的官方网站下载所需版本的安装文件。Python的官网是python，如图1-1所示。

图1-1

1.2.1　Windows下的Python安装

当点击导航中的“Downloads”菜单，可以看到适合各种操作系统的下载链接，如图1-2所示。我们可以看到，适合Windows系统的最新正式版是3.7.4。我们可以直接点击按钮“Python3.7.4”下载。

图1-2

也可以点击左边“Windows”菜单，在下载页面中选择需要下载的Python版本，如图1-3所示。

图1-3

在这里，选择下载（写作本书时的）最新版本Python 3.7.4，下载完成后，可以看到一个安装文件，如图1-4所示。

提示　Python 仅支持微软所支持的生命周期内的Windows 版本。这意味着 Python 3.7.4支持Windows Vista和更新版本。如果需要支持Windows XP，请安装Python 3.4。

图1-4

双击 “python-3.7.4.exe”，弹出安装界面。简单起见，勾选“Install launcher for all users (recommended)”和“Add　Python 3.7 to PATH”选项，然后直接点击“Install Now”按钮。如图1-5所示。

图1-5

提示　选择“自定义安装”（Customize installation）将允许您选择：要安装的功能、安装位置、其他选项或安装后的操作。

提示　安装时最好勾选“Add Python 3.7 to PATH”，这是因为Windows会根据环境变量path设置的路径去查找python.exe以及本书后面要用到的一些相关安装工具。所以，如果在安装时没有勾选这个选项，后面还得手动把这些路径添加到path的环境变量中。

然后会看到安装的进度条一直在往下走，如图1-6所示。

图1-6

这里什么也不需要做，直到程序安装成功，安装成功的界面如图1-7所示。

图1-7

可以点击“documentation”链接去打开Python的帮助文档，如图1-8所示。

图1-8

当Python安装好后 。只需要在Windows的命令行窗口中输入“python”命令，就可以打开Python的Shell命令行窗口，启动交互式解释器，如图1-9所示。

图1-9

接下来，我们就可以在这个命令行窗口直接输入要执行的程序代码。

1.2.2　MAC下的Python安装

当点击导航中的“Downloads”菜单，我们可以看到，适合Mac系统的最新正式版同样是3.7.4版。我们可以直接点击按钮“Python3.7.4”下载，如图1-10所示。

图1-10

下载完成后，可以看到一个安装文件，如图1-11所示。

图1-11

双击安装文件，弹出安装界面，直接点击“Continue”按钮，如图1-12所示。

图1-12

然后会看到安装的进度条一直在往下走，如图1-13所示。

图1-13

这里什么也不需要做，直到程序安装成功，界面如图1-14所示。

图1-14

当Python安装好后。只需要在命令行窗口，输入“python”命令就可以打开Python的Shell命令行窗口，启动交互式解释器，如图1-15所示。你也可以参照1.4.2节的介绍打开IDLE来启动Python。

图1-15

安装好了Python之后，让我们先通过命令行窗口编写第一个Python程序并尝试运行一下。

在窗口中输入了一行代码“print(“Hello World！”)”，如图1-16所示。这行代码表达的含义是要将一行字“Hello World！”打印到屏幕上。因为这里我们只是介绍代码是什么样子的，所以大家可以不用太在意具体语句的含义。

图1-16

当按下回车键，可以看到屏幕上显示出了“Hello World！”，如图1-17所示。

图1-17

简单吧！我们的一个程序就这样实现了。

提示　Python是区分大小写的语言，所以关键字或者自考证书函数名都不能写错。例如print是打印函数，而Print则不是。

1.4.1　IDLE简介

对于简单的程序，我们可以在命令行中完成，并且可以非常直观地得到了想要的结果。可是，当我们关闭Python并重新打开它时，就会发现之前的代码都丢失了。怎样才能让计算机记住我们输入的内容呢？

在实际开发程序的时候，我们总是要使用某个集成开发环境来写代码，然后将写好的代码保存到一个文件中。当我们想要使用这些代码的时候，就可以打开这个文件并对这个文件运行Python，这样一来，程序就可以反复执行了。

集成开发环境（Integrated Development Environment，IDE）是一种工具软件，它包含程序员编写和测试程序所需的所有基本工具。集成开发环境通常包含源代码编辑器、编译器或解释器以及调试器。

在学习Python编程的过程中，我们也少不了要接触IDE。这些Python开发工具可以帮助开发者加快开发速度，提高效率。IDLE是Python自带的集成开发环境，具备基本的IDE功能，包括交互式命令行、编辑器、调试器等基本组件，已经足以应付大多数简单应用的开发。当我们安装好Python以后，IDLE就自动安装好了，不再需要另外去安装。

IDLE为初学者提供了一个非常简单的开发环境，可以轻松地编写和执行Python程序。IDLE有两个主要的窗口，分别是命令行窗口和编辑器窗口。接下来，我们看一下如何使用IDLE来编写程序。

1.4.2　用IDLE编写程序

在Windows环境下，有多种方法可以启动IDLE。既可以像前面介绍的在Windows的命令行窗口，直接输入“python”命令打开Python的Shell命令行窗口，也可以通过快捷菜单或桌面图标等方式启动IDLE，如图1-18所示。

图1-18

IDLE启动后的界面如图1-19所示。

图1-19

在IDLE窗口中，可以选择“File”菜单下的“New File”命令，打开一个新的文件窗口，如图1-20所示。

图1-20

这时会弹出一个新的空白窗口，如图1-21所示。

图1-21

可以看到这个窗口中没有任何内容，它在等待我们输入命令。我们把这个窗口称为“程序”窗口，以区别于编译器窗口。我们可以在程序窗口中输入需要的指令。这里还是输入和前面我们在命令行窗口所输入的相同的代码，“print(“Hello World！”)”，如图1-22所示。

图1-22

需要注意的是，这里没有命令行窗口那些“>>>”提示符号，因为这些符号并不是程序的组成部分。编译器窗口通过这些提示符号，就知道我们当前是在编译器窗口工作，但是当我们编辑一个独立的文件时，就需要去掉这些由编译器导入的辅助符号。

接下来，选择“File”菜单的“Save”命令，保存这个文件，如图1-23所示。因为是新文件，会弹出“Save As”对话框，我们可以在该对话框中指定文件名和保存位置。保存后，文件名会自动显示在屏幕顶部的蓝色标题栏中。如果文件中存在尚未保存的内容，标题栏的文件名前后会有星号（*）出现。

图1-23

将文件保存到指定目录下，我们选择的路径是“D:\Python Programs\ch01”，文件名为“1.1”，如图1-24所示。

图1-24

我们已经保存了这个程序，接下来怎样运行这个程序呢？选择“Run”菜单中的“Run Module”命令，如图1-25所示。

图1-25

可以得到这个程序的运行结果，编译器窗口可以看到打印出来的“Hello World！”，如图1-26所示。

图1-26

1.4.3　IDLE的其他功能

IDLE具有非常丰富的功能，其中的一些很值得我们去了解和体验一下，因为在编写程序的时候，很可能会用到。

IDLE支持语法高亮显示。所谓语法高亮显示，就是针对代码的不同元素，使用不同的颜色进行显示，我们从图1-16中已经看到了其应用效果。默认情况下，关键字显示为橙色，字符串为绿色，定义和解释器的输出显示为蓝色，控制台输出显示为棕色。当我们输入代码时，IDLE会自动应用这些颜色进行突出显示。语法高亮显示的好处是，用户可以更容易区分不同的语法元素，从而提高可读性；与此同时，语法高亮显示还降低了出错的可能性。比如，如果输入的变量名显示为橙色，那么你就需要注意了，这说明该名称与预留的关键字有冲突，所以必须给变量更换名称。

IDLE还可以实现关键字自动完成。当用户输入关键字的一部分后，例如输入一个P，可以从“Edit”菜单选择“Expand Word”命令（或者直接按Alt+/组合键），如图1-27所示。这个关键字就可以自动完成，在这里，我们得到的是print，如图1-28所示。

图1-27

图1-28

有时候，我们只记住了函数的开头几个字母，而不记得完整的函数名称，这该怎么办？例如，我们有个input()函数，它可以接收标准输入数据，返回值为string类型。如果我们只是隐约记住了in，而忘记了后边的put，这个时候，我可以选择“Edit”菜单的“Show Completions”命令（或者直接按下Ctrl+space组合键），如图1-29所示。

图1-29

这时IDLE就会给出一些提示，如图1-30所示。

图1-30

现在只要按下回车键，IDLE就会自动完成此函数名。如果当前选定的函数不是我们想要的函数的话，还可以使用向上、向下的方向键进行查找。

IDLE还有一些其他的功能，这里就不一一详述，在本书后面用到的时候再进一步介绍。读者如果对IDLE的更多功能感兴趣，可以自行查询一下帮助。

这是本书的第1章。在这一章中，我们的主要任务是认识Python，了解如何安装Python，以及其自带的IDE——IDLE的功能和用法。

我们首先学习了程序设计和编程语言的概念，然后认识了Python这种编程语言，并且详细介绍了Python的特点。有了这些知识，我们就能理解为什么要学习Python编程。

接下来，本章针对Windows和Mac平台，介绍了如何下载和安装Python当前最新的版本。编写Python程序的方式包括使用命令行和使用IDE，本章分别介绍和展示了这两种方式。IDE是专业程序员编写较大的程序时必不可少的工具。我们进一步学习了Python自带的IDE——IDLE的使用方式，了解了IDLE的功能和特点。

通过本章，我们对Python及其编程工具有了一个感性的认识，这为接下来继续学习Python的语法、数据结构、函数等编程知识打下了一个基础。