Week 01: Python 简介与开发环境
了解 Python 设计哲学, 配置开发环境, 掌握基本数据类型与输入输出.
1. Python 简介
1.1 Python 是什么
Python 是一门高级、解释型、动态类型的通用编程语言, 由 Guido van Rossum 于 1991 年发布.
核心特点:
- 可读性优先: 使用缩进表示代码块, 强制代码可读
- 动态类型: 变量无需声明类型, 运行时确定
- 自动内存管理: 引用计数 + 垃圾回收
- 丰富的标准库: "Batteries Included"
- 跨平台: 运行在 Windows, Linux, macOS
1.2 Python 设计哲学
Python 之禅 (The Zen of Python):
>>> import this
The Zen of Python, by Tim Peters
Beautiful is better than ugly.
Explicit is better than implicit.
Simple is better than complex.
Complex is better than complicated.
Flat is better than nested.
Sparse is better than dense.
Readability counts.
...关键原则:
- 显式优于隐式: 代码应该清晰表达意图
- 简单优于复杂: 优先选择简单方案
- 可读性很重要: 代码被阅读的次数远多于编写
1.3 Python 应用场景
| 领域 | 典型框架/库 | 示例 |
|---|---|---|
| Web 开发 | Django, Flask, FastAPI | 后端 API, 网站 |
| 数据科学 | NumPy, Pandas, Matplotlib | 数据分析, 可视化 |
| 机器学习 | TensorFlow, PyTorch, scikit-learn | 模型训练, 预测 |
| 自动化运维 | Ansible, Fabric, Paramiko | 服务器管理, 部署 |
| 系统脚本 | os, subprocess, pathlib | 文件处理, 任务调度 |
| 网络爬虫 | Requests, Scrapy, BeautifulSoup | 数据采集 |
1.4 Python 解释器实现
| 实现 | 描述 | 适用场景 |
|---|---|---|
| CPython | 官方实现, C 语言编写 | 通用开发 (默认) |
| PyPy | JIT 编译, 运行更快 | 计算密集型任务 |
| Jython | 运行在 JVM 上 | 与 Java 集成 |
| MicroPython | 嵌入式设备 | IoT, 微控制器 |
本课程使用 CPython, 即标准 Python 解释器.
2. 开发环境配置
2.1 Python 安装
推荐: 使用 pyenv 管理多版本
# macOS/Linux
curl https://pyenv.run | bash
# 添加到 shell 配置
echo 'export PYENV_ROOT="$HOME/.pyenv"' >> ~/.bashrc
echo 'command -v pyenv >/dev/null || export PATH="$PYENV_ROOT/bin:$PATH"' >> ~/.bashrc
echo 'eval "$(pyenv init -)"' >> ~/.bashrc
# 安装 Python
pyenv install 3.12.0
pyenv global 3.12.0
# 验证
python --version
# Python 3.12.0Windows: 从 python.org 下载安装包, 勾选 "Add Python to PATH".
2.2 虚拟环境 (venv)
虚拟环境隔离项目依赖, 避免版本冲突:
# 创建虚拟环境
python -m venv myenv
# 激活
# Linux/macOS
source myenv/bin/activate
# Windows
myenv\Scripts\activate
# 验证
which python
# /path/to/myenv/bin/python
# 退出
deactivate2.3 包管理 (pip)
# 安装包
pip install requests
# 指定版本
pip install requests==2.31.0
# 升级包
pip install --upgrade requests
# 卸载
pip uninstall requests
# 查看已安装
pip list
# 导出依赖
pip freeze > requirements.txt
# 从文件安装
pip install -r requirements.txt2.4 IDE/编辑器配置
推荐: VS Code + Python 扩展
- 安装 VS Code
- 安装 Python 扩展 (Microsoft)
- 配置 Python 解释器:
Ctrl+Shift+P→ "Python: Select Interpreter"
其他选择:
- PyCharm: 功能强大的 Python IDE
- Vim/Neovim: 轻量级, 配合 LSP
3. Python 执行方式
3.1 交互式解释器 (REPL)
$ python
Python 3.12.0 (main, Oct 2 2023, 00:00:00)
>>> 1 + 1
2
>>> print("Hello, World!")
Hello, World!
>>> exit()REPL = Read-Eval-Print Loop, 适合快速测试代码.
3.2 脚本执行
# hello.py
print("Hello, World!")python hello.py
# Hello, World!3.3 模块执行
# 以模块方式运行
python -m http.server 8000
# Serving HTTP on 0.0.0.0 port 8000 ...-m 表示从 sys.path 中查找模块并执行.
3.4 脚本 Shebang
#!/usr/bin/env python3
# script.py
print("This is a script")chmod +x script.py
./script.py4. 变量与类型系统
4.1 动态类型
Python 是动态类型语言: 变量可以指向任意类型的值.
x = 10 # x 指向 int
x = "hello" # x 现在指向 str
x = [1, 2] # x 现在指向 list变量只是名称 (name), 绑定到对象 (object) 上.
4.2 一切皆对象
Python 中一切皆对象, 包括函数、类、模块:
>>> type(42)
<class 'int'>
>>> type("hello")
<class 'str'>
>>> type(print)
<class 'builtin_function_or_method'>
>>> type(int)
<class 'type'>4.3 变量命名规则
- 由字母、数字、下划线组成
- 不能以数字开头
- 区分大小写
- 避免使用保留字 (
if,for,class等)
命名约定 (PEP 8):
snake_case: 变量、函数PascalCase: 类名UPPER_CASE: 常量_private: 私有变量__dunder__: 特殊方法
4.4 id() 与 is
a = [1, 2, 3]
b = a
c = [1, 2, 3]
print(id(a)) # 140234567890176
print(id(b)) # 140234567890176 (同一对象)
print(id(c)) # 140234567890240 (不同对象)
print(a is b) # True (同一对象)
print(a is c) # False (不同对象)
print(a == c) # True (值相等)id(): 返回对象的内存地址is: 比较对象身份 (地址)==: 比较对象值
5. 基本数据类型
5.1 数值类型
整数 (int)
x = 42
y = -17
z = 0b1010 # 二进制: 10
w = 0o17 # 八进制: 15
v = 0xFF # 十六进制: 255
# Python 整数没有大小限制
big = 10 ** 100
print(big)
# 10000000000000000000000000000...小整数缓存 (Small Integer Cache):
CPython 预先创建 -5 到 256 的整数对象:
a = 100
b = 100
print(a is b) # True (同一对象, 来自缓存)
a = 1000
b = 1000
print(a is b) # False (不同对象, 超出缓存范围)- 缓存范围:
-5到256(共 262 个对象). - 原因: 这些整数使用频率高, 避免重复创建.
- 源码位置:
Objects/longobject.c中的small_ints数组.
**浮点数 (float)**
```python
pi = 3.14159
e = 2.718e0 # 科学计数法
# 浮点精度问题
print(0.1 + 0.2) # 0.30000000000000004
print(0.1 + 0.2 == 0.3) # False
# 使用 decimal 模块精确计算
from decimal import Decimal
print(Decimal('0.1') + Decimal('0.2')) # 0.3复数 (complex)
z = 3 + 4j
print(z.real) # 3.0
print(z.imag) # 4.0
print(abs(z)) # 5.0 (模)5.2 布尔类型 (bool)
is_valid = True
is_empty = False
# 布尔是 int 的子类
print(True + True) # 2
print(False * 10) # 0
print(isinstance(True, int)) # TrueTruthy 与 Falsy
以下值在布尔上下文中为 False:
FalseNone0,0.0,0j""(空字符串)[],{},set()(空容器)
if []:
print("不会执行")
if [1]:
print("会执行")5.3 字符串 (str)
创建字符串
s1 = 'Hello'
s2 = "World"
s3 = '''多行
字符串'''
s4 = """也可以用
双引号"""字符串操作
s = "Python"
# 索引 (从 0 开始)
print(s[0]) # P
print(s[-1]) # n (负索引从末尾)
# 切片
print(s[0:2]) # Py
print(s[2:]) # thon
print(s[::-1]) # nohtyP (反转)
# 方法
print(len(s)) # 6
print(s.upper()) # PYTHON
print(s.lower()) # python
print(s.startswith("Py")) # True
print("th" in s) # True字符串格式化
name = "Alice"
age = 30
# f-string (推荐, Python 3.6+)
print(f"Name: {name}, Age: {age}")
# format 方法
print("Name: {}, Age: {}".format(name, age))
# % 格式化 (旧式)
print("Name: %s, Age: %d" % (name, age))字符串不可变
s = "hello"
# s[0] = "H" # TypeError: 'str' object does not support item assignment
s = "H" + s[1:] # 创建新字符串
print(s) # Hello5.4 None 类型
None 是唯一的 NoneType 实例, 表示"无值":
result = None
if result is None:
print("没有结果")
# 函数没有 return 语句时返回 None
def no_return():
pass
print(no_return()) # None5.5 二进制类型 (bytes / bytearray)
bytes (不可变)
# 创建
b1 = b"hello" # 字面量
b2 = bytes([72, 101]) # 从整数列表
b3 = "你好".encode("utf-8") # 编码字符串
# 操作
print(b1[0]) # 72 (返回整数)
print(b1[:2]) # b'he'
print(len(b1)) # 5
# 解码
text = b3.decode("utf-8") # "你好"bytearray (可变)
ba = bytearray(b"hello")
ba[0] = 72 # 修改第一个字节
ba.append(33)
ba.extend(b" world")
print(ba) # bytearray(b'Hello! world')
# 常用于网络/文件 I/O 缓冲区
buffer = bytearray(1024)6. 类型转换
# 转整数
int("42") # 42
int(3.9) # 3 (截断)
int("1010", 2) # 10 (二进制)
# 转浮点
float("3.14") # 3.14
float(42) # 42.0
# 转字符串
str(42) # "42"
str(3.14) # "3.14"
# 转布尔
bool(0) # False
bool(1) # True
bool("") # False
bool("hello") # True7. 输入与输出
7.1 print() 函数
print("Hello")
print("Hello", "World") # Hello World
print("Hello", "World", sep="-") # Hello-World
print("Hello", end="") # 不换行
print("World") # HelloWorld
# 格式化输出
name = "Alice"
print(f"Hello, {name}!")7.2 input() 函数
name = input("请输入姓名: ")
print(f"你好, {name}")
# input 返回字符串
age = input("请输入年龄: ")
print(type(age)) # <class 'str'>
age = int(input("请输入年龄: ")) # 转换为整数8. 运算符
8.1 算术运算符
| 运算符 | 描述 | 示例 |
|---|---|---|
+ | 加法 | 3 + 2 → 5 |
- | 减法 | 3 - 2 → 1 |
* | 乘法 | 3 * 2 → 6 |
/ | 除法 (浮点) | 7 / 2 → 3.5 |
// | 整除 | 7 // 2 → 3 |
% | 取余 | 7 % 2 → 1 |
** | 幂运算 | 2 ** 3 → 8 |
8.2 比较运算符
| 运算符 | 描述 |
|---|---|
== | 等于 |
!= | 不等于 |
<, > | 小于, 大于 |
<=, >= | 小于等于, 大于等于 |
8.3 逻辑运算符
| 运算符 | 描述 |
|---|---|
and | 与 |
or | 或 |
not | 非 |
短路求值:
# and: 第一个 False 就返回
result = False and print("不执行") # 不打印
# or: 第一个 True 就返回
result = True or print("不执行") # 不打印8.4 成员运算符
"a" in "abc" # True8.5 赋值表达式 := (Python 3.8+)
又称"海象运算符" (Walrus Operator), 允许在表达式内部进行赋值:
# 传统写法
line = input()
while line != "quit":
print(line)
line = input()
# 使用 := (更简洁)
while (line := input()) != "quit":
print(line)
# 列表推导式中避免重复计算
data = [1, 2, 3, 4, 5]
results = [y for x in data if (y := x * 2) > 4]
# results = [6, 8, 10]
# 条件表达式 (赋值并返回 n 的值)
if (n := len(data)) > 3:
print(f"List has {n} items")1 in [1, 2, 3] # True "x" not in "abc" # True
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## 9. 练习
### 9.1 Hello World
编写一个程序, 输出 "Hello, World!".
### 9.2 变量交换
不使用临时变量, 交换两个变量的值.
### 9.3 温度转换
编写程序将华氏温度转换为摄氏温度: `C = (F - 32) * 5/9`.
### 9.4 字符串处理
输入一个字符串, 输出其反转、长度、是否全为字母.
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## 10. 思考题
1. Python 是编译型还是解释型语言?
2. 为什么 `0.1 + 0.2 != 0.3`?
3. `is` 和 `==` 有什么区别?
4. 为什么 Python 整数没有溢出问题?
5. 虚拟环境的作用是什么?
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## 11. 本周小结
- **Python 特点**: 可读性优先, 动态类型, 自动内存管理.
- **环境配置**: pyenv 管理版本, venv 隔离依赖, pip 安装包.
- **执行方式**: REPL, 脚本, 模块.
- **类型系统**: 一切皆对象, 动态类型.
- **基本类型**: int, float, bool, str, None.
- **运算符**: 算术, 比较, 逻辑, 成员.
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> Python 的设计哲学是"优雅、明确、简单". 从第一行代码开始, 就要养成 Pythonic 的编码习惯.