認識Python
1.1 編程語言和Python
1.1.1 程序設計和編程語言
如今，我們的生活已經離不開計算機。寫文章、做PPT、打電子遊戲、QQ聊天、上網購物等都離不開計算機，甚至手機裡的各種應用，如微信、GPS導航等，背後也都離不開計算機的支持。可你是否想過，計算機是怎麼能夠幫助我們完成各種各樣的任務的呢？
其實計算機是通過程序來完成具體的任務的。計算機程序（Program）是一組計算機能識別和執行的指令，運行於電子計算機上，以滿足人們某種需求的信息化工具。更加直白地說，計算機程序是一種軟件，是使用計算機編程語言編寫的指令，它告訴計算機如何一步一步執行任務，從而達到最終的目的。而使用某種計算機編程語言，經過分析、設計、編碼、測試、調試等各個步驟，編寫出程序以解決特定的問題的過程，就叫作程序設計或編程（Porgramming）。因此，要控制計算機方便快捷地實現各種功能，我們必須要學習程序設計，也就是編程。而要編寫程序代碼，我們必須講計算機的語言，為此，我們首先要選擇並學習一種計算機編程語言。
計算機編程語言的發展大概有幾十年的歷史。在這期間，編程語言經歷了從低級語言向高級語言發展的過程。這裡所說的低級語言和高級語言，並不是指語言的功能和水平等，而且是指編程語言與人類自身語言的接近程度上的區別。低級語言更加接近於機器語言，計算機理解起來比較容易，人類理解起來比較困難，這是比較底層的語言。而高級語言的語法和表達方式，更加接近於人類自身的語言，需要通過一種稱為編譯器和解釋器的東西（你可以把編譯器和解釋器想象成翻譯人員）將其轉換為計算機比較容易理解的機器語言，然後機器才能執行。
計算機程序正是使用諸如Python、C++、Ruby或JavaScript這樣的編程語言來編寫的。這些語言允許我們和計算機“對話”，並且向它們發佈命令。打一個比方，我們是如何訓練一隻狗的呢？當我們說“坐下”的時候，它蹲著；當我們說“說話”的時候，它叫兩聲。這隻狗能夠理解這些簡單的命令，但是，對於你所說的其他的大多數話，它就不懂了。
類似的，計算機也有侷限性，但是，它們確實能夠執行你用它們的語言發佈的指令。在本書中，我們將學習Python語言，這是一種簡單而強大的編程語言。未來，在高中和大學階段，Python語言將作為計算機科學課程的入門課來教授。因此，我們通過現在的學習，可以給將來打下一個較好的基礎。
1.1.2 Python簡介
Python是吉多•範羅蘇姆（Guido Van Rossum）在20世紀80年代後期開發的一種過程式的、面向對象的、功能強大而完備的編程語言。Python這個名字來自於一個名為Monty Python的戲劇團體。
人們使用Python語言進行各種應用開發，包括遊戲軟件開發、Web開發、桌面GUI開發、教育和科學計算應用開發。近年來，Python甚至成為最受歡迎的開發人工智能應用的語言之一，在圖像處理、自然語言處理和神經網絡等眾多領域一展身手。因此，實際上Python已經涉足了所有的開發領域。當前，Python已經成為最流行的編程語言之一，在各種編程語言排行榜中位居前列。Python之所以很流行，主要是歸功於它的簡單性和健壯性，當然，還有很多其他的因素，後面我們還會一一介紹。
對於初學者來說，Python是一款既容易學又相當有用的編程語言。相對於其他語言，Python的代碼相當易讀，並且它有命令行程序，你可以直接輸入指令並運行程序。Python的一些功能對於輔助學習過程很有效，用戶可以把一些簡單的動畫組織起來製作自己的遊戲。其中之一是turtle模塊，該模塊的靈感來自於海龜繪圖（20世紀60年代由Logo語言使用），專門用於教育。還有tkinter模塊，它是Tk圖形界面的接口，可以用來很容易地創建一些圖形和動畫程序。簡單易學使得Python成為青少年學習計算機編程的首選語言。在本書中，我們也將帶領讀者學習Python turtle模塊的使用，並且會用Python編寫一款有趣的遊戲，相信這會讓你體會到學習Python編程的樂趣和成就感！
Python的語法很簡單，因而學習和理解Python編程很容易。和其他編程語言相比，Python代碼更簡短易懂。此外，Python中的一些任務很容易實現。例如，要交換兩個數字，用Python很容易編寫：(a, b)= (b, a)。學習某種新的東西，是一項耗費精力且複雜的任務。然而，Python語法的簡單性大大降低了它的學習難度。此外，用Python編寫的項目也很容易為人們所理解。Python的代碼精煉而高效，因而易於理解和管理。
Python的另一個非常顯著的特點是，它擁有大量的第三方模塊和庫，這是Python擁有非常廣泛的應用領域的一個重要原因。Python有很多第三方的模塊用於完成Web開發。例如，基於Python的Django是一款非常流行的Web開發框架，支持乾淨而快速地開發，支持HTML、Email、FTP等應用，因此，成為Web開發的不錯的選擇。結合第三方模塊和庫的功能和支持，Python也可以廣泛地用於GUI開發和移動應用開發，例如，Kivy可以用於開發多觸點的應用程序。Python還擁有強大的支持科學計算和分析的庫——SciPy用於工程和數學，IPython用於並行計算等。此外，SciPy還提供了和MATLAB類似的功能，並且能夠用於處理多維數組。
Python還具有其他的一些特點和優點：
- Python有自己的管理內存和相關對象的方式。當在Python中創建一個對象的時候，內存動態地分配給它。當對象的生命週期結束的時候，其佔用的內存會被收回。Python的內存管理使得程序更加高效，我們不用為此操心。
- Python具有很強的可移植性，使用Python編寫的程序幾乎可以在所有已知的平臺（如Windows、Linux或Mac等）上運行。
- Python是免費的。Python並不是專有的軟件。任何人都可以下載各種各樣可用的Python編譯器。此外，在發佈用Python編寫的代碼的時候，不會有任何的法律問題。
- Python擁有一個龐大的用戶群體。Python開發者和使用者已經形成了一個活躍的專業社群，世界各地（包括中國）的程序員在一起探討、交流學習和使用Python的經驗。互聯網上有很多與Python有關的信息，有許多Python討論組。這些都促進了Python語言的學習和傳播。
既然Python有這麼多的好處，那還等什麼呢？我們先開始第一步，下載和安裝Python吧！
1.2 Python的安裝
要安裝Python，通常我們要去Python的官方網站下載所需版本的安裝文件。Python的官網是http://www.python.org，如圖1-1所示。
圖1-1
1.2.1 Windows下的Python安裝
當點擊導航中的“Downloads”菜單，可以看到適合各種操作系統的下載鏈接，如圖1-2所示。我們可以看到，適合Windows系統的最新正式版是3.7.4。我們可以直接點擊按鈕“Python3.7.4”下載。
圖1-2
也可以點擊左邊“Windows”菜單，在下載頁面中選擇需要下載的Python版本，如圖1-3所示。
圖1-3
在這裡，選擇下載（寫作本書時的）最新版本Python 3.7.4，下載完成後，可以看到一個安裝文件，如圖1-4所示。
提示 Python 僅支持微軟所支持的生命週期內的Windows 版本。這意味著 Python 3.7.4支持Windows Vista和更新版本。如果需要支持Windows XP，請安裝Python 3.4。
圖1-4
雙擊 “python-3.7.4.exe”，彈出安裝界面。簡單起見，勾選“Install launcher for all users (recommended)”和“Add Python 3.7 to PATH”選項，然後直接點擊“Install Now”按鈕。如圖1-5所示。
圖1-5
提示 選擇“自定義安裝”（Customize installation）將允許您選擇：要安裝的功能、安裝位置、其他選項或安裝後的操作。
提示 安裝時最好勾選“Add Python 3.7 to PATH”，這是因為Windows會根據環境變量path設置的路徑去查找python.exe以及本書後面要用到的一些相關安裝工具。所以，如果在安裝時沒有勾選這個選項，後面還得手動把這些路徑添加到path的環境變量中。
然後會看到安裝的進度條一直在往下走，如圖1-6所示。
圖1-6
這裡什麼也不需要做，直到程序安裝成功，安裝成功的界面如圖1-7所示。
圖1-7
可以點擊“documentation”鏈接去打開Python的幫助文檔，如圖1-8所示。
圖1-8
當Python安裝好後 。只需要在Windows的命令行窗口中輸入“python”命令，就可以打開Python的Shell命令行窗口，啟動交互式解釋器，如圖1-9所示。
圖1-9
接下來，我們就可以在這個命令行窗口直接輸入要執行的程序代碼。
1.2.2 MAC下的Python安裝
當點擊導航中的“Downloads”菜單，我們可以看到，適合Mac系統的最新正式版同樣是3.7.4版。我們可以直接點擊按鈕“Python3.7.4”下載，如圖1-10所示。
圖1-10
下載完成後，可以看到一個安裝文件，如圖1-11所示。
圖1-11
雙擊安裝文件，彈出安裝界面，直接點擊“Continue”按鈕，如圖1-12所示。
圖1-12
然後會看到安裝的進度條一直在往下走，如圖1-13所示。
圖1-13
這裡什麼也不需要做，直到程序安裝成功，界面如圖1-14所示。
圖1-14
當Python安裝好後。只需要在命令行窗口，輸入“python”命令就可以打開Python的Shell命令行窗口，啟動交互式解釋器，如圖1-15所示。你也可以參照1.4.2節的介紹打開IDLE來啟動Python。
圖1-15
1.3 第一個程序Hello World
安裝好了Python之後，讓我們先通過命令行窗口編寫第一個Python程序並嘗試運行一下。
在窗口中輸入了一行代碼“print("Hello World！")”，如圖1-16所示。這行代碼表達的含義是要將一行字“Hello World！”打印到屏幕上。因為這裡我們只是介紹代碼是什麼樣子的，所以大家可以不用太在意具體語句的含義。
圖1-16
當按下回車鍵，可以看到屏幕上顯示出了“Hello World！”，如圖1-17所示。
圖1-17
簡單吧！我們的一個程序就這樣實現了。
提示 Python是區分大小寫的語言，所以關鍵字或者函數名都不能寫錯。例如print是打印函數，而Print則不是。
1.4 開發工具IDLE
1.4.1 IDLE簡介
對於簡單的程序，我們可以在命令行中完成，並且可以非常直觀地得到了想要的結果。可是，當我們關閉Python並重新打開它時，就會發現之前的代碼都丟失了。怎樣才能讓計算機記住我們輸入的內容呢？
在實際開發程序的時候，我們總是要使用某個集成開發環境來寫代碼，然後將寫好的代碼保存到一個文件中。當我們想要使用這些代碼的時候，就可以打開這個文件並對這個文件運行Python，這樣一來，程序就可以反覆執行了。
集成開發環境（Integrated Development Environment，IDE）是一種工具軟件，它包含程序員編寫和測試程序所需的所有基本工具。集成開發環境通常包含源代碼編輯器、編譯器或解釋器以及調試器。
在學習Python編程的過程中，我們也少不了要接觸IDE。這些Python開發工具可以幫助開發者加快開發速度，提高效率。IDLE是Python自帶的集成開發環境，具備基本的IDE功能，包括交互式命令行、編輯器、調試器等基本組件，已經足以應付大多數簡單應用的開發。當我們安裝好Python以後，IDLE就自動安裝好了，不再需要另外去安裝。
IDLE為初學者提供了一個非常簡單的開發環境，可以輕鬆地編寫和執行Python程序。IDLE有兩個主要的窗口，分別是命令行窗口和編輯器窗口。接下來，我們看一下如何使用IDLE來編寫程序。
1.4.2 用IDLE編寫程序
在Windows環境下，有多種方法可以啟動IDLE。既可以像前面介紹的在Windows的命令行窗口，直接輸入“python”命令打開Python的Shell命令行窗口，也可以通過快捷菜單或桌面圖標等方式啟動IDLE，如圖1-18所示。
圖1-18
IDLE啟動後的界面如圖1-19所示。
圖1-19
在IDLE窗口中，可以選擇“File”菜單下的“New File”命令，打開一個新的文件窗口，如圖1-20所示。
圖1-20
這時會彈出一個新的空白窗口，如圖1-21所示。
圖1-21
可以看到這個窗口中沒有任何內容，它在等待我們輸入命令。我們把這個窗口稱為“程序”窗口，以區別於編譯器窗口。我們可以在程序窗口中輸入需要的指令。這裡還是輸入和前面我們在命令行窗口所輸入的相同的代碼，“print("Hello World！")”，如圖1-22所示。
圖1-22
需要注意的是，這裡沒有命令行窗口那些“>>>”提示符號，因為這些符號並不是程序的組成部分。編譯器窗口通過這些提示符號，就知道我們當前是在編譯器窗口工作，但是當我們編輯一個獨立的文件時，就需要去掉這些由編譯器導入的輔助符號。
接下來，選擇“File”菜單的“Save”命令，保存這個文件，如圖1-23所示。因為是新文件，會彈出“Save As”對話框，我們可以在該對話框中指定文件名和保存位置。保存後，文件名會自動顯示在屏幕頂部的藍色標題欄中。如果文件中存在尚未保存的內容，標題欄的文件名前後會有星號（*）出現。
圖1-23
將文件保存到指定目錄下，我們選擇的路徑是“D:\\Python Programs\\ch01”，文件名為“1.1”，如圖1-24所示。
圖1-24
我們已經保存了這個程序，接下來怎樣運行這個程序呢？選擇“Run”菜單中的“Run Module”命令，如圖1-25所示。
圖1-25
可以得到這個程序的運行結果，編譯器窗口可以看到打印出來的“Hello World！”，如圖1-26所示。
圖1-26
1.4.3 IDLE的其他功能
IDLE具有非常豐富的功能，其中的一些很值得我們去了解和體驗一下，因為在編寫程序的時候，很可能會用到。
IDLE支持語法高亮顯示。所謂語法高亮顯示，就是針對代碼的不同元素，使用不同的顏色進行顯示，我們從圖1-16中已經看到了其應用效果。默認情況下，關鍵字顯示為橙色，字符串為綠色，定義和解釋器的輸出顯示為藍色，控制檯輸出顯示為棕色。當我們輸入代碼時，IDLE會自動應用這些顏色進行突出顯示。語法高亮顯示的好處是，用戶可以更容易區分不同的語法元素，從而提高可讀性；與此同時，語法高亮顯示還降低了出錯的可能性。比如，如果輸入的變量名顯示為橙色，那麼你就需要注意了，這說明該名稱與預留的關鍵字有衝突，所以必須給變量更換名稱。
IDLE還可以實現關鍵字自動完成。當用戶輸入關鍵字的一部分後，例如輸入一個P，可以從“Edit”菜單選擇“Expand Word”命令（或者直接按Alt+/組合鍵），如圖1-27所示。這個關鍵字就可以自動完成，在這裡，我們得到的是print，如圖1-28所示。
圖1-27
圖1-28
有時候，我們只記住了函數的開頭幾個字母，而不記得完整的函數名稱，這該怎麼辦？例如，我們有個input()函數，它可以接收標準輸入數據，返回值為string類型。如果我們只是隱約記住了in，而忘記了後邊的put，這個時候，我可以選擇“Edit”菜單的“Show Completions”命令（或者直接按下Ctrl+space組合鍵），如圖1-29所示。
圖1-29
這時IDLE就會給出一些提示，如圖1-30所示。
圖1-30
現在只要按下回車鍵，IDLE就會自動完成此函數名。如果當前選定的函數不是我們想要的函數的話，還可以使用向上、向下的方向鍵進行查找。
IDLE還有一些其他的功能，這裡就不一一詳述，在本書後面用到的時候再進一步介紹。讀者如果對IDLE的更多功能感興趣，可以自行查詢一下幫助。
1.5 小結
這是本書的第1章。在這一章中，我們的主要任務是認識Python，瞭解如何安裝Python，以及其自帶的IDE——IDLE的功能和用法。
我們首先學習了程序設計和編程語言的概念，然後認識了Python這種編程語言，並且詳細介紹了Python的特點。有了這些知識，我們就能理解為什麼要學習Python編程。
接下來，本章針對Windows和Mac平臺，介紹瞭如何下載和安裝Python當前最新的版本。編寫Python程序的方式包括使用命令行和使用IDE，本章分別介紹和展示了這兩種方式。IDE是專業程序員編寫較大的程序時必不可少的工具。我們進一步學習了Python自帶的IDE——IDLE的使用方式，瞭解了IDLE的功能和特點。
通過本章，我們對Python及其編程工具有了一個感性的認識，這為接下來繼續學習Python的語法、數據結構、函數等編程知識打下了一個基礎。
最後，多說一句，小編是一名Python開發工程師，這裡有小編自己整理的一套最新Python系統學習教程，包括從基礎的Python腳本到web開發、爬蟲、數據分析、數據可視化、機器學習等。
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