程序设计基础 PYTHON语言

1.1 计算机的概念

计算机，不可否认，是人类至今朵伟大的发明之

一

。

计算机的英文C

ompute

r,最初指专门负责计算的人，到了20世纪中期演变成为

计算设备。

计算机的故事要从人类久远但延续至今的计算需求说起。人类为何需要计算？很

显然，人类在敬畏自然

、

认识自然甚至想驾驭自然的过程中，为了分析自然规律，需

要对问题进行最化计算。人类社会对有限资源的分配、对人类活动的有效管理，需要

规划和计算。人类探索思维空间的数学、逻辑和哲学问题，需要推理和计算。到了

21

世纪，计算需求已经深入到现代人的日常生活中，无处不在。

计算需求的方法问题由计算科学来解决，具体的计算由计算设备来实现。广义上

讲，计算设备包含计算机，但不限于此。

计算机的定义有很多种，如下定义更为符合计算机的本质：“计算机

是能够根据

指令操作数据的设备

(Acomputer is a machine that manipulates data acco呻ngto a list of

instructions

)

。

从定义可以看出

，

计算机有两个显著特性：功能性和可编程性。计算机的功能性

指对数据的操作，表现为数据计算

、

输入输出处理和结果保存等。计算机的可编程性

指它可以根据

一

系列指令自动地

、

可预测地

、

准确地完成操作者的意图。

理解计算机应该结合计算机定义中的两个特征，只要设备具备了计算的功能性和

操作的可编程性，就可以看成是计算机的

一

种。区分计算设备是否是计算机并不依靠

其制造材质，计算机不

一

定是电子的，例如光计算机、扭子计算机、超导计算机、生

物计算机，这些都不是建立在电子学基础上，但都是计算机概念的延伸。除特殊说明

外，本书后续内容中

”

”

计算机

”

均指电子计算机。

计算机技术发展主要围绕计算机的功能性和可编程性展开。

一

方面，计算机硬件

所依赖的集成电路规模按照摩尔定律以指数方式增长，计算机运行速度也接近几何级

数快速增加。另

一

方面

，

表达计算机可编程性的程序设计语言也经历了机器语言、汇

编语言和高级语言3个阶段。

1.2

程序设

计语

言

I.2. I

程序设计诏

言概述

程序设计语言是计算机能够理解和识别操作的一种交互体系，它按照特定的规则

组织计算机指令，使计算机能够自动进行各种操作处理。按照程序设计语言规则组织

起来的一组计算机指令称为计算机程序。

程序设计语言包括3个大类，即机器语言

、

汇编语言和高级语言。机器语言是

一

种二进制语言，它直接使用二进制代码表达指令，是计算机硬件可以直接识别和执行

的程序设计语言。汇编语言使用助记符与机器语言中的指令进行

一一

对应。由千这两

类语言都直接针对计算机硬件，所以统称为低级语言。高级语言区别于低级语言，是

接近千自然语言的

一

种计算机语言，可以更容易地描述计算问题，并利用计算机解决

计算问题。如果能像科幻电影演绎的那样用母语（人类语言）驱动计算机将是最完美

的事情。遗憾的是，尽管许多

一

流的计算机科学家为此做过很多努力，仍然无法在可

预见的未来设计出能完全理解人类语言的计算机。

诚然，即使计算机能理解人类语言，人类语言也不适合描述复杂算法。人类语言

具有不严密和模糊的缺点。例如，

“我

”

“

我看见

一

个人在公园，带着望远镜

”

这句话，基千

常识和经验，交谈双方大多数情况下能理解彼此表达的意思，但深究

一

下，究竟是

带着望远镜，还是

“

那个人

“

带着望远镜呢？这种模糊性也经常产生错误理解

和歧义。相比人类语言，程序设计语言的结构在语法上十分精密，在语义上定义准确。

第

一

个广泛应用的高级语言是C语言，诞生千1972年。随看程序设计语言40余

年的发展，已经出现了很多种高级语言，也有很多高级语言退出了历史舞台。下面这

C#、FORTRAN、Java、JavaScript、PHP、Py­

C++

、

些是常用的程序设计语言：C

、

thon、SQL、Go、Delphi、HTML、Verilo

g等

。

1.2. 2 编详和解释

高级语言按照执行方法的不同可以分成2个类别：静态语言和脚本语言。这两种

类型语言采用不同的执行方式，静态语言采用编译执行，脚本语言采用解释执行。

编译是

一

个将源代码转换成目标代码的过程，通常，源代码是高级语言，目标代

码是机器语言，执行编译的计算机程序称为编译器。图I.1展示了程序的编译过程，

其中，虚线表示目标代码被计算机运行。编译器将源代码转换成目标代码，计算机可

以立即或稍后运行这个目标代码。

解释是

一

个将源代码逐条转换成目标代码同时逐条运行目标代码的过程。执行解

释的计算机程序称为解释器。图I.2展示了程序的解释过程，其中，高级语言源代码

与输入数据

一

同输入给解释器，然后输出运行结果。

图II N厅的谝计过伟

l

一

图I.2

，

f',厅的韶释过竹'

解释和编译的区别在于编译是

一

次性地翻译，

旦程序被编译，不再需要编译程

序或者源代码。解释则在每次运行时都需要源代码和解释器。

编译过程只进行

一

次，所以，编译执行速度并不是关键，目标代码的运行速度是

关键。为此，可以在编译器中集成一些优化技术，使生成的目标代码具备更好的执行

效率。然而，解释器中却不能集成太多优化技术，因为优化技术会消耗运行时间，使

得整个程序的执行速度受到影响。

采用编译方法有如下好处。

·对于相同源代码，编译所产生的目标代码执行速度更快。

·目标代码不需要编译器就可以运行，在相同操作系统上使用灵活。

采用解释方法有如下好处。

·解释执行需要保留源代码，使得程序纠错和维护十分灵活。

·只要存在解释器，源代码可以在任何操作系统上运行，可移植性好。

简单说，解释执行尽管牺牲了一定的执行性能，但可以支持跨硬件或操作系统平

台，保留源代码对升级维护十分有利，适合非性能关键的程序运行场呆。Python语言

是

一

种典型的脚本语言，采用解释执行的方式，但它的解释器也保留了编译器的功能，

随着程序运行，解释器也会生成一个完整的目标代码。这种将解释器和编译器结合的

新解释器也是现代脚本语言为了提升计算性能的

一

种有益演进。

]. 2. 3 计究机编程

随着计算机科学技术的发展，计算机已经成为社会活动的普通工具，掌握一定编

程技术有助于更好地利用计算机解决所面对的问题。此外，计算机已经无处不在，不

懂程序设计的人经常感觉好像被计算机控制或绑架，学会编程可以驾驭计算机，提升

心理满足感和安全感。

计算机编程是一项富有挑战性的体力和脑力运动，尤其在面对复杂计算问题和苛

刻运算要求的情况下。它要求编程者不仅具有规划全局的能力，还要具备处理细节的

技术。很多程序语言，例如CIC+＋等，包含了复杂的语法，掌握并灵活运用这些编程

语言需要刻苦和深入的学习。诚然，做任何事情需要认真与刻苦，但学习程序设计真

的那么难吗？

或许学习其他语言会非常困难，使相当部分人退缩。但对于Python语言，本书将

开启一个全新的程序设计学习历程。这里没有大量枯燥的概念和语法，只有通过实例

展示的程序设计的魅力和力蜇。

编写程序的过程可以获得很多快乐，它也是一项具有创造性、可以带来价值的活

动。它不仅能解决实实在在的问题，也提供了表现自我的平台。

1.

3

P

y

thon

语

言

1.3. 1

Python

j什言概

述

Python语

言

诞

生

千1990年前后，由Guidovan Rossum设计并领导开发。该语言以

Python

命名

源

千Guido的兴趣

。也

许Python语言的

诞

生是个偶然，但2

0多年来的发展

将这个偶然变成了计算机科学与技术发展过程中的一次标志性事件。

2

000年10月，Python2. 0正式发布，标志若Python语言完成了自身涅梁，解决了

其解释器和运行环境中的众多问题，开启了Python广泛应用的新时代。至今，Python

2.0

系列

发布

了

最

后一个

稳定版本Python2. 7. 6,且不再更新。

2008年12月

，Python

3.

0

正式发布，这个版本在语法层面和解释器内部做了很多

修改。很可惜，这个版本不能兼容Python

2

.

0

系列的既有语法，因此，所有基千Python

2.0

系列版本编写的库函数都必须修改后才能被Python3. 0系列

解释器运行。Python

3.0

系列的版本号已经到

3.4

。

由于目前大部分Python库仍然更好地支待Python2.

0系列版本，本书也采用2.0

系列版本作为示例平台。随着整个Python社区对

3.

0

系列版本的不断推动，不久将来，

Python

3. 0系列的通用性将会有显著提升，并最终取代

2.0

系列版本。这两个系列版本

在大部分语法结构上保持一致，只有细节上的不同。本书中大部分例子均

可以在

3

.

0

系列版本中正确运行。

Pyhon语言是一个脚

本语言，具有如下特点

。

•

P

y

hon语言通过强制缩进保证程序的可读性。

•

Python程序不需要一个主函数，儿条语句的组合也可以运行。

·尽管

Python

语言是脚本语言，但可以同时被解释和编译执行。

•

Python语言很简洁，只有少拭的语法约束。

•

Python语言可以面向过程，也可以面向对象，支持灵活的编程模式。

本书后续章节将会一步步揭开Python语言的面纱，并带领读者采用这个语言解决

一

个个有趣又实用的问题。本书后续章节的行文中除个别地方外将用

“

Pytho

"Pylhon语言

”

n"代替

。

I.3

.

2 使川Python语占编写Hello程序

学习编程语言有一个惯例，即运行最简单的Hello程序，该程序功能是在屏幕上打

印出

“

HelloWorld"。这个程序虽小，但却是初学者接触语言的第一步。使用Python编

写的Hello程序只包含一行代码，如下：

print "Hello World•

上述代码中，print表示将后面引号中的信息输出到屏幕上。该代码显示效果如下：

>»print "Hello World"

Hello World

其中，第一行

“

>>＞

”

是Python语言运行环境的提示符，表示可以在这个符号后面输

入Python语句或者包含Python语句的文件。第二行是Python语句的执行结果。

Python语言的Hello程序似乎与人类语言类似，通过一行语句就把打印的事情解决

了。其他语言的Hello程序并不这样简洁，下面是C语言的Hello程序，对比一下：

#include< s七dio.h >

int main (void)

论

一

printf ("Hello World n ");

return O;

其中

include、int、main的

具体含义就不具体介绍了。上述C语言代码与之前的Pytho

n

代码功能一样，也只是打印一个

“

HelloWorld"。这个最小的例子也许不能说明更多情

况，但Python的简洁是公认的。同样功能的程序

，Python

实现的代码行数也许仅相当

于C语言的

l/10至l/

5（取决于程序的复杂度和规模）。更少的代码行数、更简洁的表

达方式将带来更少的程序错误、更快的程序开发速度和更好的可读性。

1. 3. 3 Python诏言的丿r发坏埮配',

忙

t

本节介绍如何安装配笠Python的开发和运行环境。

首先， 到Python主页下载并安装 Python基本开发和运行环境

。

这里

，

根据操作系统版本选择下载相应的Python2. 7. 6版本

作系统用户，可下载

“

程序。

对

于Windo

ws

操

Python2. 7. 6 Windo

w

s Installer"安装包。安装包下载后，请跟

随提示安装。

其次，在程序顺利安装后，可以通过以下几种方式启动Python解释器或运行环境。

下面以Win

do

ws操作系统为例说明。

第一种方法，启动Windo

w

s操作系统命令行工具()，输入命令python,

在命令提示符＞＞＞后面输入语句print" Hello World

”

并按

“

回车

”

键，显示结果如

图1.3所示。在＞＞＞提示符后输入exit()或者quit()可以退出Python运行环境。

图I.3 通过命令行1;]动1

)

｝

IIlOl1

，

已ii环培

．

第二种方法，通过调用Windo

w

s系统中安装的IDLE来启动Python运行环境

。

IDLE

是Python软件包自带的集成开发环境，在其中输入Hello程序的效果如图I.4所示。

恺

"-2.7.6ll

I

l

．

Python 2. 7. 6 (de!邕ul.e,Nov 10 2013, 19:24:18)［!'.SC v.1500 32 b土e(Ineel) I on.,止-

32

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w，

心归心P

，归代，置一

h......

l

一”

霎酮

图I. 4 通过IDLE启动Python运行环垃

第三种方法， 按照Python的语法格式编写 代码， 并保存为文件。 以Hello程序为

例， 可以将 代码保存成文件 hello.

p

y。Python 代码可以在任意编辑器中编写， 对于几百

行以下规模的代码可以使用W

indows自带的notepad

.

exe工具或者开源记事本增强工具

Notepad+＋。 然后， 打开W

indows的命令行(cmd. exe)， 通过执行下列语句运行Py­

thon

文件

：

p

y

thon hello.

PY

第四种方法， 按照第二种方法， 打开IDLE, 使用快捷键Ctrl + N打开一个新窗口

，

在其中可以输入Python 语句， 例如Hello程序， 并保存为 hello.

p

y文件， 如

图1.

5所

示。 使用快捷键F

5

即可运行该程序。

当然， 还有第五种方法， 可以将Python

集成到Eclipse等

面向较大规模项目开发的

集成开发环境中。

本书所有例子采用前四种方法均可以很好地编写并调试， 并不需要

集成开发环境。 建议初学者采用第四种方法。

由泣b叩如9志…M叫叩．

prin

．

lloW3r1d·

b

它

＂．

心

e.

图I.5 通过IDLE编巧作序并保存为文件

在其他操作系统上配置

Python

环境与上述

在

Windows

系统上的配置方法相似。

本章

小结

本章介绍了计算机的基本概念、程序设计语言和

Python

语言。重点阐述了计算机

的功能性和可编程性、程序设计语言分类、编译和解释、

Python

语言的历史和发展。

通过使用

Python

语言编写的

Hello

程序实例，给出了

Python

开发环境配翌方法。

习

题

、判断题

1.

2.

3.

高级语言可以直接在计算机上运行。

解释是对源程序进行编译，然后运行编译后的目标文件。

Py

小

on

是一个动态语言

。

执行的时

候需要

一

个主函数

。

要求保存的文件

以

PY

4.

Python

5.

Python

为扩展名，

否则文件无法被执

行。

一、选

择题

l.下

列哪些不是辅助存储器：

.硬盘

2.

一条语

句可以

理解为：

A.

对机器语言的翻译

C.对问题的精确描述

3.编译器与解释器的区别是：

A.

编译

器是

一

个程

序

闪

存

驱动

器

-ROM

B.

一

条完

整的计

算机命

令

D.

一

段

算

法

B.编译器用千将高级语言翻译成机器语言

C.在程序解释完成后，便不再需要解释器

D.编译器处理源代码

4.

下面哪些是对注释的不正确理解：

A.注释使程序更加高效

B.

注释的目的是便千人们阅读源代码

C.

注释

在

Python

中是被忽

略的

D.

Pytho

n

中

的

注释

以＃开

头

Python

语言的

特点不

包含哪

个

：

A.

Pyth

on

语言

十分

简洁

B.

Pytho

n

语言

可以

跨平

台运

行

C.

Pyth

on

5.

语言

采用

解释

执

行

D.

Python

语言是

面向对

象的编

程语言