python学习笔记

一. python基础

1.1. 数据类型和变量

1.1.1.整数

Python可以处理任意大小的整数,当然包括负整数,在程序中的表示方法和数学上的写法一模一样,例如:1,100,-8080,0,等等

计算机由于使用二进制,所以,有时候用十六进制表示整数比较方便,十六进制用0x前缀和0-9,a-f表示,例如:0xff00,0xa5b4c3d2,等等。

对于很大的数,例如10000000000,很难数清楚0的个数。Python允许在数字中间以_分隔,因此,写成10_000_000_00010000000000是完全一样的。十六进制数也可以写成0xa1b2_c3d4

1.1.2. 浮点数

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,比如,1.23x109和12.3x108是完全相等的。浮点数可以用数学写法,如1.23,3.14,-9.01,等等。但是对于很大或很小的浮点数,就必须用科学计数法表示,把10用e替代,1.23x109就是1.23e9,或者12.3e8,0.000012可以写成1.2e-5,等等。

整数和浮点数在计算机内部存储的方式是不同的,整数运算永远是精确的(除法难道也是精确的?是的!),而浮点数运算则可能会有四舍五入的误差。

1.1.3. 字符串

字符串是以单引号'或双引号"括起来的任意文本,比如'abc',"xyz"等等。请注意,''""本身只是一种表示方式,不是字符串的一部分,因此,字符串'abc'只有a,b,c这3个字符。如果'本身也是一个字符,那就可以用""括起来,比如"I'm OK"包含的字符是I,',m,空格,O,K这6个字符。

如果字符串内部既包含'又包含"怎么办?可以用转义字符\来标识,比如:

'I\'m \"OK\"!'

表示的字符串内容是:

I'm "OK"!

转义字符\可以转义很多字符,比如\n表示换行,\t表示制表符,字符\本身也要转义,所以\\表示的字符就是\,可以在Python的交互式命令行用print()打印字符串看看:

>>> print('I\'m ok.')
I'm ok.
>>> print('I\'m learning\nPython.')
I'm learning
Python.
>>> print('\\\n\\')
\
\

如果字符串里面有很多字符都需要转义,就需要加很多\,为了简化,Python还允许用r''表示''内部的字符串默认不转义,可以自己试试:

>>> print('\\\t\\')
\       \
>>> print(r'\\\t\\')
\\\t\\

如果字符串内部有很多换行,用\n写在一行里不好阅读,为了简化,Python允许用'''...'''的格式表示多行内容,例如:

>>> print('''line1
... line2
... line3''')
line1
line2
line3

上面是在交互式命令行内输入,注意在输入多行内容时,提示符由>>>变为…,提示你可以接着上一行输入,注意…是提示符,不是代码的一部分:

┌────────────────────────────────────────────────────────┐
│Command Prompt - python                           _ □ x │
├────────────────────────────────────────────────────────┤
│>>> print('''line1                                      │
│... line2                                               │
│... line3''')                                           │
│line1                                                   │
│line2                                                   │
│line3                                                   │
│                                                        │
│>>> _                                                   │
│                                                        │
│                                                        │
│                                                        │
└────────────────────────────────────────────────────────┘
# 当输入完结束符```和括号)后,执行该语句并打印结果。

如果写成程序并存为.py文件,就是:

print('''line1
line2
line3''')

多行字符串'''...'''还可以在前面加上r使用:

print(r'''hello,\n
world''')

1.4.布尔值

布尔值和布尔代数的表示完全一致,一个布尔值只有True、False两种值,要么是True,要么是False,在Python中,可以直接用True、False表示布尔值(请注意大小写),也可以通过布尔运算计算出来:

>>> True
True
>>> False
False
>>> 3 > 2
True
>>> 3 > 5
False

布尔值可以用and、or和not运算。

  • and运算是与运算,只有所有都为True,and运算结果才是True:
    >>> True and True
    True
    >>> True and False
    False
    >>> False and False
    False
    >>> 5 > 3 and 3 > 1
    True
  • or运算是或运算,只要其中有一个为True,or运算结果就是True:
    >>> True or True
    True
    >>> True or False
    True
    >>> False or False
    False
    >>> 5 > 3 or 1 > 3
    True
  • not运算是非运算,它是一个单目运算符,把True变成False,False变成True:
    >>> not True
    False
    >>> not False
    True
    >>> not 1 > 2
    True

    布尔值经常用在条件判断中,比如:

    if age >= 18:
      print('adult')
    else:
      print('teenager')

1.5. 空值

空值是Python里一个特殊的值,用None表示。None不能理解为0,因为0是有意义的,而None是一个特殊的空值。

1.6.变量

变量的概念基本上和初中代数的方程变量是一致的,只是在计算机程序中,变量不仅可以是数字,还可以是任意数据类型。
变量在程序中就是用一个变量名表示,变量名必须是大小写英文、数字和_的组合,且不能用数字开头,比如:

a = 1
#变量a是一个整数。

t_007 = 'T007'
#变量t_007是一个字符串。

Answer = True
#变量Answer是一个布尔值True。

在Python中,等号=是赋值语句,可以把任意数据类型赋值给变量,同一个变量可以反复赋值,而且可以是不同类型的变量,例如:

a = 123 # a是整数
print(a)
a = 'ABC' # a变为字符串
print(a)

这种变量本身类型不固定的语言称之为动态语言,与之对应的是静态语言。静态语言在定义变量时必须指定变量类型,如果赋值的时候类型不匹配,就会报错。例如Java是静态语言,赋值语句如下(// 表示注释):

int a = 123; // a是整数类型变量
a = "ABC"; // 错误:不能把字符串赋给整型变量

和静态语言相比,动态语言更灵活,就是这个原因。

1.7. 常量

所谓常量就是不能变的变量,比如常用的数学常数π就是一个常量。在Python中,通常用全部大写的变量名表示常量:

PI = 3.14159265359

但事实上PI仍然是一个变量,Python根本没有任何机制保证PI不会被改变,所以,用全部大写的变量名表示常量只是一个习惯上的用法,如果你一定要改变变量PI的值,也没人能拦住你。

最后解释一下整数的除法为什么也是精确的。在Python中,有两种除法,一种除法是/:

>>> 10 / 3
3.3333333333333335
#/除法计算结果是浮点数,即使是两个整数恰好整除,结果也是浮点数:

>>> 9 / 3
3.0

还有一种除法是//,称为地板除,两个整数的除法仍然是整数:

>>> 10 // 3
3
#你没有看错,整数的地板除//永远是整数,即使除不尽。要做精确的除法,使用/就可以。
#因为//除法只取结果的整数部分,所以Python还提供一个余数运算,可以得到两个整数相除的余数:
>>> 10 % 3
1
#无论整数做//除法还是取余数,结果永远是整数,所以,整数运算结果永远是精确的。

1.8. 注意

Python的整数没有大小限制,而某些语言的整数根据其存储长度是有大小限制的,例如Java对32位整数的范围限制在-2147483648-2147483647。
Python的浮点数也没有大小限制,但是超出一定范围就直接表示为inf(无限大)。

2. Python的字符串

2.1. 字符编码

在最新的Python 3版本中,字符串是以Unicode编码的,也就是说,Python的字符串支持多语言,例如:

>>> print('包含中文的str')
包含中文的str

对于单个字符的编码,Python提供了ord()函数获取字符的整数表示,chr()函数把编码转换为对应的字符:

>>> ord('A')
65
>>> ord('中')
20013
>>> chr(66)
'B'
>>> chr(25991)
'文'

如果知道字符的整数编码,还可以用十六进制这么写str:

>>> '\u4e2d\u6587'
'中文'

两种写法完全是等价的。

由于Python的字符串类型是str,在内存中以Unicode表示,一个字符对应若干个字节。如果要在网络上传输,或者保存到磁盘上,就需要把str变为以字节为单位的bytes。
Python对bytes类型的数据用带b前缀的单引号或双引号表示:

x = b'ABC'
#要注意区分'ABC'和b'ABC',前者是str,后者虽然内容显示得和前者一样,但bytes的每个字符都只占用一个字节。

以Unicode表示的str通过encode()方法可以编码为指定的bytes,例如:

>>> 'ABC'.encode('ascii')
b'ABC'
>>> '中文'.encode('utf-8')
b'\xe4\xb8\xad\xe6\x96\x87'
>>> '中文'.encode('ascii')
Traceback (most recent call last):
  File "<stdin>", line 1, in <module>
UnicodeEncodeError: 'ascii' codec can't encode characters in position 0-1: ordinal not in range(128)
#纯英文的str可以用ASCII编码为bytes,内容是一样的,含有中文的str可以用UTF-8编码为bytes。含有中文的str无法用ASCII编码,因为中文编码的范围超过了ASCII编码的范围,Python会报错。

在bytes中,无法显示为ASCII字符的字节,用\x##显示。
反过来,如果我们从网络或磁盘上读取了字节流,那么读到的数据就是bytes。要把bytes变为str,就需要用decode()方法:

>>> b'ABC'.decode('ascii')
'ABC'
>>> b'\xe4\xb8\xad\xe6\x96\x87'.decode('utf-8')
'中文'

#如果bytes中包含无法解码的字节,decode()方法会报错:
>>> b'\xe4\xb8\xad\xff'.decode('utf-8')
Traceback (most recent call last):
  ...
UnicodeDecodeError: 'utf-8' codec can't decode byte 0xff in position 3: invalid start byte

#如果bytes中只有一小部分无效的字节,可以传入errors='ignore'忽略错误的字节:
>>> b'\xe4\xb8\xad\xff'.decode('utf-8', errors='ignore')
'中'

#要计算str包含多少个字符,可以用len()函数:
>>> len('ABC')
3
>>> len('中文')
2

#len()函数计算的是str的字符数,如果换成bytes,len()函数就计算字节数:
>>> len(b'ABC')
3
>>> len(b'\xe4\xb8\xad\xe6\x96\x87')
6
>>> len('中文'.encode('utf-8'))
6
#可见,1个中文字符经过UTF-8编码后通常会占用3个字节,而1个英文字符只占用1个字节。
#在操作字符串时,我们经常遇到str和bytes的互相转换。为了避免乱码问题,应当始终坚持使用UTF-8编码对str和bytes进行转换。

由于Python源代码也是一个文本文件,所以,当你的源代码中包含中文的时候,在保存源代码时,就需要务必指定保存为UTF-8编码。当Python解释器读取源代码时,为了让它按UTF-8编码读取,我们通常在文件开头写上这两行:

#!/usr/bin/env python3
# -*- coding: utf-8 -*-

#第一行注释是为了告诉Linux/OS X系统,这是一个Python可执行程序,Windows系统会忽略这个注释;
#第二行注释是为了告诉Python解释器,按照UTF-8编码读取源代码,否则,你在源代码中写的中文输出可能会有乱码。

申明了UTF-8编码并不意味着你的.py文件就是UTF-8编码的,必须并且要确保文本编辑器正在使用UTF-8 without BOM编码:

如果.py文件本身使用UTF-8编码,并且也申明了# -- coding: utf-8 --,打开命令提示符测试就可以正常显示中文:

2.2. 格式化

最后一个常见的问题是如何输出格式化的字符串。我们经常会输出类似'亲爱的xxx你好!你xx月的话费是xx,余额是xx'之类的字符串,而xxx的内容都是根据变量变化的,所以,需要一种简便的格式化字符串的方式。
在Python中,采用的格式化方式和C语言是一致的,用%实现,举例如下:

>>> 'Hello, %s' % 'world'
'Hello, world'
>>> 'Hi, %s, you have $%d.' % ('Michael', 1000000)
'Hi, Michael, you have $1000000.'

你可能猜到了,%运算符就是用来格式化字符串的。在字符串内部,%s表示用字符串替换,%d表示用整数替换,有几个%?占位符,后面就跟几个变量或者值,顺序要对应好。如果只有一个%?,括号可以省略。

常见的占位符有:
占位符 |替换内容
—— | —–
%d |整数
%f |浮点数
%s |字符串
%x |十六进制整数

其中,格式化整数和浮点数还可以指定是否补0和整数与小数的位数:

>>> print('%2d-%02d' % (3, 1))
 3-01
>>> print('%.2f' % 3.1415926)
3.14

如果你不太确定应该用什么,%s永远起作用,它会把任何数据类型转换为字符串:

>>> 'Age: %s. Gender: %s' % (25, True)
'Age: 25. Gender: True'

有些时候,字符串里面的%是一个普通字符怎么办?这个时候就需要转义,用%%来表示一个%:

>>> 'growth rate: %d %%' % 7
'growth rate: 7 %'

2.3. format()

另一种格式化字符串的方法是使用字符串的format()方法,它会用传入的参数依次替换字符串内的占位符{0}、{1}……,不过这种方式写起来比%要麻烦得多:

>>> 'Hello, {0}, 成绩提升了 {1:.1f}%'.format('小明', 17.125)
'Hello, 小明, 成绩提升了 17.1%'

2.4. f-string

最后一种格式化字符串的方法是使用以f开头的字符串,称之为f-string,它和普通字符串不同之处在于,字符串如果包含{xxx},就会以对应的变量替换:

>>> r = 2.5
>>> s = 3.14 * r ** 2
>>> print(f'The area of a circle with radius {r} is {s:.2f}')
The area of a circle with radius 2.5 is 19.62
#上述代码中,{r}被变量r的值替换,{s:.2f}被变量s的值替换,并且:后面的.2f指定了格式化参数(即保留两位小数),因此,{s:.2f}的替换结果是19.62。

3. 使用list和tuple

3.1. list

Python内置的一种数据类型是列表:list。list是一种有序的集合,可以随时添加和删除其中的元素。
比如,列出班里所有同学的名字,就可以用一个list表示:

>>> classmates = ['Michael', 'Bob', 'Tracy']
>>> classmates
['Michael', 'Bob', 'Tracy']

变量classmates就是一个list。用len()函数可以获得list元素的个数:

>>> len(classmates)
3

用索引来访问list中每一个位置的元素,记得索引是从0开始的:

>>> classmates[0]
'Michael'
>>> classmates[1]
'Bob'
>>> classmates[2]
'Tracy'
>>> classmates[3]
Traceback (most recent call last):
  File "<stdin>", line 1, in <module>
IndexError: list index out of range
#当索引超出了范围时,Python会报一个IndexError错误,所以,要确保索引不要越界,记得最后一个元素的索引是len(classmates) - 1。

如果要取最后一个元素,除了计算索引位置外,还可以用-1做索引,直接获取最后一个元素:

>>> classmates[-1]
'Tracy'

#以此类推,可以获取倒数第2个、倒数第3个:
>>> classmates[-2]
'Bob'
>>> classmates[-3]
'Michael'
>>> classmates[-4]
Traceback (most recent call last):
  File "<stdin>", line 1, in <module>
IndexError: list index out of range
#当然,倒数第4个就越界了。

list是一个可变的有序表,所以,可以往list中追加元素到末尾(append()方法):

>>> classmates.append('Adam')
>>> classmates
['Michael', 'Bob', 'Tracy', 'Adam']

#也可以把元素插入到指定的位置,比如索引号为1的位置:
>>> classmates.insert(1, 'Jack')
>>> classmates
['Michael', 'Jack', 'Bob', 'Tracy', 'Adam']

要删除list末尾的元素,用pop()方法

>>> classmates.pop()
'Adam'
>>> classmates
['Michael', 'Jack', 'Bob', 'Tracy']

#要删除指定位置的元素,用pop(i)方法,其中i是索引位置:
>>> classmates.pop(1)
'Jack'
>>> classmates
['Michael', 'Bob', 'Tracy']

要把某个元素替换成别的元素,可以直接赋值给对应的索引位置:

>>> classmates[1] = 'Sarah'
>>> classmates
['Michael', 'Sarah', 'Tracy']

list里面的元素的数据类型也可以不同,比如:

>>> L = ['Apple', 123, True]

list元素也可以是另一个list,比如:

>>> s = ['python', 'java', ['asp', 'php'], 'scheme']
>>> len(s)
4

#要注意s只有4个元素,其中s[2]又是一个list,如果拆开写就更容易理解了:
>>> p = ['asp', 'php']
>>> s = ['python', 'java', p, 'scheme']

#要拿到'php'可以写p[1]或者s[2][1],因此s可以看成是一个二维数组,类似的还有三维、四维……数组,不过很少用到。

如果一个list中一个元素也没有,就是一个空的list,它的长度为0:

>>> L = []
>>> len(L)
0

3.2. tuple

另一种有序列表叫元组:tuple。tuple和list非常类似,但是tuple一旦初始化就不能修改,比如同样是列出同学的名字:

>>> classmates = ('Michael', 'Bob', 'Tracy')

现在,classmates这个tuple不能变了,它也没有append(),insert()这样的方法。其他获取元素的方法和list是一样的,你可以正常地使用classmates[0],classmates[-1],但不能赋值成另外的元素。

不可变的tuple有什么意义?因为tuple不可变,所以代码更安全。如果可能,能用tuple代替list就尽量用tuple。

tuple的陷阱:当你定义一个tuple时,在定义的时候,tuple的元素就必须被确定下来,比如:

>>> t = (1, 2)
>>> t
(1, 2)

如果要定义一个空的tuple,可以写成():

>>> t = ()
>>> t
()

但是,要定义一个只有1个元素的tuple,如果你这么定义:

>>> t = (1)
>>> t
1

定义的不是tuple,是1这个数!这是因为括号()既可以表示tuple,又可以表示数学公式中的小括号,这就产生了歧义,因此,Python规定,这种情况下,按小括号进行计算,计算结果自然是1。
所以,只有1个元素的tuple定义时必须加一个逗号,,来消除歧义:

>>> t = (1,)
>>> t
(1,)
#Python在显示只有1个元素的tuple时,也会加一个逗号,,以免你误解成数学计算意义上的括号。

最后来看一个“可变的”tuple:

>>> t = ('a', 'b', ['A', 'B'])
>>> t[2][0] = 'X'
>>> t[2][1] = 'Y'
>>> t
('a', 'b', ['X', 'Y'])

这个tuple定义的时候有3个元素,分别是’a’,’b’和一个list。不是说tuple一旦定义后就不可变了吗?怎么后来又变了?
别急,我们先看看定义的时候tuple包含的3个元素:

当我们把list的元素’A’和’B’修改为’X’和’Y’后,tuple变为:

表面上看,tuple的元素确实变了,但其实变的不是tuple的元素,而是list的元素。tuple一开始指向的list并没有改成别的list,所以,tuple所谓的“不变”是说,tuple的每个元素,指向永远不变。即指向’a’,就不能改成指向’b’,指向一个list,就不能改成指向其他对象,但指向的这个list本身是可变的!

4. 条件判断

4.1. if语句

在Python程序中,条件判断用if语句实现:

age = 20
if age >= 18:
    print('your age is', age)
    print('adult')
#根据Python的缩进规则,如果if语句判断是True,就把缩进的两行print语句执行了,否则,什么也不做。

也可以给if添加一个else语句,意思是,如果if判断是False,不要执行if的内容,去把else执行了:

age = 3
if age >= 18:
    print('your age is', age)
    print('adult')
else:
    print('your age is', age)
    print('teenager')
#注意不要少写了冒号:。

4.2. elif语句

我们也可以用elif做更细致的判断:

age = 3
if age >= 18:
    print('adult')
elif age >= 6:
    print('teenager')
else:
    print('kid')

elif是else if的缩写,完全可以有多个elif,所以if语句的完整形式就是:

if <条件判断1>:
    <执行1>
elif <条件判断2>:
    <执行2>
elif <条件判断3>:
    <执行3>
else:
    <执行4>

if语句执行有个特点,它是从上往下判断,如果在某个判断上是True,把该判断对应的语句执行后,就忽略掉剩下的elif和else
if判断条件还可以简写,比如写:

if x:
    print('True')
#只要x是非零数值、非空字符串、非空list等,就判断为True,否则为False。

4.3. input语句

最后看一个有问题的条件判断。很多同学会用input()读取用户的输入,这样可以自己输入,程序运行得更有意思:

birth = input('birth: ')
if birth < 2000:
    print('00前')
else:
    print('00后')

#输入1982,结果报错:
Traceback (most recent call last):
  File "<stdin>", line 1, in <module>
TypeError: unorderable types: str() > int()

#这是因为input()返回的数据类型是str,str不能直接和整数比较,必须先把str转换成整数。Python提供了int()函数来完成这件事情:
s = input('birth: ')
birth = int(s)
if birth < 2000:
    print('00前')
else:
    print('00后')

#再次运行,就可以得到正确地结果。但是,如果输入abc呢?又会得到一个错误信息:
Traceback (most recent call last):
  File "<stdin>", line 1, in <module>
ValueError: invalid literal for int() with base 10: 'abc'
#这是因为int()函数发现一个字符串并不是合法的数字时就会报错,程序就退出了。

5. 循环

5.1. for…in循环

Python的循环有两种,一种是for…in循环,依次把list或tuple中的每个元素迭代出来,看例子:

names = ['Michael', 'Bob', 'Tracy']
for name in names:
    print(name)

#执行这段代码,会依次打印names的每一个元素:
Michael
Bob
Tracy

所以for x in …循环就是把每个元素代入变量x,然后执行缩进块的语句。

再比如我们想计算1-10的整数之和,可以用一个sum变量做累加:

sum = 0
for x in [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10]:
    sum = sum + x
print(sum)

5.2. range()函数

如果要计算1-100的整数之和,从1写到100有点困难,幸好Python提供一个range()函数,可以生成一个整数序列,再通过list()函数可以转换为list。比如range(5)生成的序列是从0开始小于5的整数:

>>> list(range(5))
[0, 1, 2, 3, 4]

#range(101)就可以生成0-100的整数序列,计算如下:
sum = 0
for x in range(101):
    sum = sum + x
print(sum)
#输出5050

5.3. while循环

第二种循环是while循环,只要条件满足,就不断循环,条件不满足时退出循环。比如我们要计算100以内所有奇数之和,可以用while循环实现:

sum = 0
n = 99
while n > 0:
    sum = sum + n
    n = n - 2
print(sum)
#在循环内部变量n不断自减,直到变为-1时,不再满足while条件,循环退出。

5.4. break

在循环中,break语句可以提前退出循环。

5.5. continue

在循环过程中,可以通过continue语句,跳过当前的这次循环,直接开始下一次循环。

注意

要特别注意,不要滥用break和continue语句,break和continue会造成代码执行逻辑分叉过多,容易出错,大多数循环并不需要用到break和continue语句。
有些时候,如果代码写得有问题,会让程序陷入“死循环”,也就是永远循环下去。这时可以用Ctrl+C退出程序,或者强制结束Python进程。


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