Python语言元素

作为一个程序员，可能经常会被外行人问到两个问题，其一是“什么是（计算机）程序”，其二是“写（计算机）程序能做什么”，这里我们先对两个问题做一个回答。程序是指令的集合，写程序就是用指令控制计算机做我们想让它做的事情。那么，为什么要用Python语言来写程序呢？因为Python语言简单优雅，相比C、C++、Java这样的编程语言，Python对初学者更加友好，当然这并不是说Python不像其他语言那样强大，Python几乎是无所不能的，在第一节课的时候，我们就说到了Python可以用于服务器程序开发、云平台开发、数据分析、机器学习等各个领域。当然，Python语言还可以用来粘合其他语言开发的系统，所以也经常被戏称为“胶水语言”。

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一些计算机常识

在开始系统的学习编程之前，我们先来科普一些计算机的基础知识。计算机的硬件系统通常由五大部件构成，包括：运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。其中，运算器和控制器放在一起就是我们常说的中央处理器，它的功能是执行各种运算和控制指令。刚才我们提到过程序是指令的集合，写程序就是将一系列的指令按照某种方式组织到一起，然后通过这些指令去控制计算机做我们想让它做的事情。目前，我们使用的计算机基本都是“冯·诺依曼体系结构”的计算机，这种计算机有两个关键点：一是要将存储设备与中央处理器分开；二是将数据以二进制方式编码。

 
二进制是一种“逢二进一”的计数法，跟我们人类使用的“逢十进一”的计数法本质是一样的。人类因为有十根手指所以使用了十进制，因为在计数时十根手指用完之后就只能用进位的方式来表示更大的数值。当然凡事都有例外，玛雅人可能是因为长年光着脚的原因，把脚趾头也都用上了，于是他们使用了二十进制的计数法。在这种计数法的指导下，玛雅人的历法就与我们平常使用的历法并不相同。按照玛雅人的历法，2012年是上一个所谓的“太阳纪”的最后一年，而2013年则是新的“太阳纪”的开始，后来这件事情被以讹传讹的方式误传为”2012年是玛雅人预言的世界末日“的荒诞说法。今天很多人都在猜测，玛雅文明之所以发展缓慢跟使用了二十进制是有关系的。对于计算机来说，二进制在物理器件上最容易实现的，因为可以用高电压表示1，用低电压表示0。不是所有写程序的人都需要知道十进制与二进制如何转换，大多数时候我们即便不了解这些知识也能写出程序，但是我们必须要知道计算机是使用二进制计数的，不管什么数据到了计算机内存中都是以二进制形式存在的。

变量和类型

要想在计算机内存中保存数据，首先就得说一说变量这个概念。在编程语言中，变量是数据的载体，简单的说就是一块用来保存数据的内存空间，变量的值可以被读取和修改，这是所有计算和控制的基础。计算机能处理的数据有很多种类型，最常见的就是数值，除了数值之外还有文本、图形、音频、视频等各种各样的数据。虽然数据在计算机中都是以二进制形态存在的，但是我们可以用不同类型的变量来表示数据类型的差异。Python中的数据类型很多，而且也允许我们自定义新的数据类型（这一点在后面会讲到），这里我们需要先了解几种常用的数据类型。

• 整型（int）：Python中可以处理任意大小的整数，而且支持二进制（如0b100，换算成十进制是4）、八进制（如0o100，换算成十进制是64）、十进制（100）和十六进制（0x100，换算成十进制是256）的表示法。
• 浮点型（float）：浮点数也就是小数，之所以称为浮点数，是因为按照科学记数法表示时，一个浮点数的小数点位置是可变的，浮点数除了数学写法（如123.456）之外还支持科学计数法（如1.23456e2）。
• 字符串型（str）：字符串是以单引号或双引号括起来的任意文本，比如'hello'和"hello"。
• 布尔型（bool）：布尔值只有True、False两种值，要么是True，要么是False。
• 复数型：形如3+5j，跟数学上的复数表示一样，唯一不同的是虚部的i换成了j。实际上，这个类型并不常用，大家了解一下就可以了。

变量命名

对于每个变量我们需要给它取一个名字，就如同我们每个人都有自己的名字一样。在Python中，变量命名需要遵循以下这些规则，这些规则又分为必须遵守的硬性规则和建议遵守的非硬性规则。

 
硬性规则：

1. 变量名由字母、数字和下划线构成，数字不能开头。需要说明的是，这里说的字母指的是Unicode字符，Unicode称为万国码，囊括了世界上大部分的文字系统，这也就意味着中文、日文、希腊字母等都可以作为变量名中的字符，但是像!、@、#这些特殊字符是不能出现在变量名中的，而且我们强烈建议大家尽可能使用英文字母。
2. 大小写敏感，简单的说就是大写的A和小写的a是两个不同的变量。
3. 变量名不要跟Python语言的关键字（有特殊含义的单词，后面会讲到）和保留字（如函数、模块等的名字）发生重名的冲突。

 
非硬性规则：

1. 变量名通常使用小写英文字母，多个单词用下划线进行连接。
2. 受保护的变量用单个下划线开头（后面会讲到）。
3. 私有的变量用两个下划线开头（后面会讲到）。

当然，作为一个专业的程序员，给变量（事实上应该是所有的标识符）命名时做到见名知意也非常重要。

变量的使用

下面通过几个例子来说明变量的类型和变量使用。

"""
使用变量保存数据并进行加减乘除运算
"""
a = 45          # 变量a保存了45
b = 12          # 变量b保存了12
print(a + b)    # 57
print(a - b)    # 33
print(a * b)    # 540
print(a / b)    # 3.75

在Python中可以使用type函数对变量的类型进行检查。

"""
使用type()检查变量的类型
"""
a = 100
b = 12.345
c = 'hello, world'
d = True
print(type(a))    # <class 'int'>
print(type(b))    # <class 'float'>
print(type(c))    # <class 'str'>
print(type(d))    # <class 'bool'>

不同类型的变量可以相互转换，这一点可以通过Python的内置函数来实现。

• int()：将一个数值或字符串转换成整数，可以指定进制。
• float()：将一个字符串转换成浮点数。
• str()：将指定的对象转换成字符串形式，可以指定编码。
• chr()：将整数转换成该编码对应的字符串（一个字符）。
• ord()：将字符串（一个字符）转换成对应的编码（整数）。

下面的例子为大家演示了Python中的类型转换。

"""
Python中的类型转换
"""
a = 100
b = 12.345
c = 'hello, world'
d = True
# 整数转成浮点数
print(float(a))    # 100.0
# 浮点型转成字符串 (输出字符串时不会看到引号哟)
print(str(b))      # 12.345
# 字符串转成布尔型 (有内容的字符串都会变成True)
print(bool(c))     # True
# 布尔型转成整数 (True会转成1，False会转成0)
print(int(d))      # 1
# 将整数变成对应的字符 (97刚好对应字符表中的字母a)
print(chr(97))     # a
# 将字符转成整数 (Python中字符和字符串表示法相同)
print(ord('a'))    # 97

运算符

Python支持多种运算符，下表大致按照优先级从高到低的顺序列出了所有的运算符，运算符的优先级指的是多个运算符同时出现时，先做什么运算然后再做什么运算。

说明： 在实际开发中，如果搞不清楚运算符的优先级，可以使用括号来确保运算的执行顺序。

算术运算符

Python中的算术运算符非常丰富，除了大家最为熟悉的加减乘除之外，还有整除运算符、求模（求余数）运算符和求幂运算符。下面的例子为大家展示了算术运算符的使用。

"""
算术运算符
"""
print(321 + 123)     # 加法运算 444
print(321 - 123)     # 减法运算 198
print(321 * 123)     # 乘法运算 39483
print(321 / 123)     # 除法运算 2.6097560975609757
print(321 % 123)     # 求模运算 75
print(321 // 123)    # 整除运算 2
print(321 ** 2)      # 求幂运算 103041

赋值运算符

赋值运算符应该是最为常见的运算符，它的作用是将右边的值赋给左边的变量。下面的例子演示了赋值运算符和复合赋值运算符的使用。

"""
赋值运算符和复合赋值运算符
"""
a = 10
b = 3
a += b        # 相当于：a = a + b 13
a *= a + 2    # 相当于：a = a * (a + 2) 13*(13+2)
print(a)      # 算一下这里会输出什么 

比较运算符和逻辑运算符

比较运算符有的地方也称为关系运算符，包括==、!=、<、>、<=、>=，我相信没有什么好解释的，大家一看就能懂，需要提醒的是比较相等用的是==，请注意这里是两个等号，因为=是赋值运算符，我们在上面刚刚讲到过，==才是比较相等的运算符；比较不相等用的是!=，这不同于数学上的不等号，Python 2中曾经使用过<>来表示不等关系，大家知道就可以了。比较运算符会产生布尔值，要么是True要么是False。

 
逻辑运算符有三个，分别是and、or和not。

and字面意思是“而且”，所以and运算符会连接两个布尔值，如果两个布尔值都是True，那么运算的结果就是True；左右两边的布尔值有一个是False，最终的运算结果就是False。相信大家已经想到了，如果and左边的布尔值是False，不管右边的布尔值是什么，最终的结果都是False，所以在做运算的时候右边的值会被跳过（短路处理），这也就意味着在and运算符左边为False的情况下，右边的表达式根本不会执行。

 
or字面意思是“或者”，所以or运算符也会连接两个布尔值，如果两个布尔值有任意一个是True，那么最终的结果就是True。当然，or运算符也是有短路功能的，在它左边的布尔值为True的情况下，右边的表达式根本不会执行。

 
not运算符的后面会跟上一个布尔值，它的作用是得到与该布尔值相反的值，也就是说，not后面的布尔值如果是True，运算结果就是False；而not后面的布尔值如果是False，运算结果就是True。

"""
比较运算符和逻辑运算符的使用
"""
flag0 = 1 == 1
flag1 = 3 > 2
flag2 = 2 < 1
flag3 = flag1 and flag2
flag4 = flag1 or flag2
flag5 = not (1 != 2)
print('flag0 =', flag0)    # flag0 = True
print('flag1 =', flag1)    # flag1 = True
print('flag2 =', flag2)    # flag2 = False
print('flag3 =', flag3)    # flag3 = False
print('flag4 =', flag4)    # flag4 = True
print('flag5 =', flag5)    # flag5 = False

说明：比较运算符的优先级高于赋值运算符，所以flag0 = 1 == 1
先做1 == 1，产生布尔值True，再将这个值赋值给变量flag0。print函数可以输出多个值，多个值之间可以用,进行分隔，输出的内容之间默认以空格分开。

例子1：华氏温度转换为摄氏温度

提示：华氏温度到摄氏温度的转换公式为：$C=(F-32)/18$。

"""
将华氏温度转换为摄氏温度
"""
f = float(input('请输入华氏温度: '))
c = (f - 32) / 1.8
print('%.1f华氏度 = %.1f摄氏度' % (f, c))

说明：在使用print函数输出时，也可以对字符串内容进行格式化处理，上面print函数中的字符串%.1f是一个占位符，稍后会由一个float类型的变量值替换掉它。同理，如果字符串中有%d，后面可以用一个int类型的变量值替换掉它，而%s会被字符串的值替换掉。除了这种格式化字符串的方式外，还可以用下面的方式来格式化字符串，其中{f:.1f}和{c:.1f}可以先看成是{f}和{c}，表示输出时会用变量f和变量c的值替换掉这两个占位符，后面的:.1f表示这是一个浮点数，小数点后保留1位有效数字。

print(f'{f:.1f}华氏度 = {c:.1f}摄氏度')

例子2：输入圆的半径计算周长和面积

"""
输入半径计算圆的周长和面积
"""
radius = float(input('请输入圆的半径: '))
perimeter = 2 * 3.1416 * radius
area = 3.1416 * radius * radius
print('周长: %.2f' % perimeter)
print('面积: %.2f' % area)

例子3：输入年份判断是不是闰年。

"""
输入年份 如果是闰年输出True 否则输出False
"""
year = int(input('请输入年份: '))
is_leap = year % 4 == 0 and year % 100 != 0 or year % 400 == 0
print(is_leap)

说明：比较运算符会产生布尔值，而逻辑运算符and和or会对这些布尔值进行组合，最终也是得到一个布尔值，闰年输出True，平年输出False。