本文是Python语言程序设计的学习笔记，涵盖了Python基本语法、开发环境配置、数据类型、程序控制结构、图形绘制、文件操作等内容。从程序设计的基本方法到Python的高级特性，详细解读了Python的使用方法，包括数据类型、流程控制、函数和代码复用，以及第三方库的使用。笔记适合初学者，强调实践应用，旨在帮助读者深入理解和掌握Python编程。
Python学习笔记
声明：
1、本文依据Mooc课程“Python语言程序设计”，北理工嵩天老师的课程。
2、推荐这门课作为一些非计算机专业学习，内容深入浅出，而且结合简单的实际应用进行讲解。
3、课程笔记，学习专用，未完，持续更新，后续学习进阶版也会更新。
4、欢迎学习交流，转载请先联系作者，盗版必究，尊重知识。
第一章 Python基本语法元素
1.1 程序设计的基本方法
1、计算机
#功能性：对数据的操作表现为数据计算、输入、输出和结果储存等
#可编程性：根据一系列指令自动地、可预测的、准确的完成操作者的意图。
2、摩尔定律Moore‘s Law
计算机史上最重要的预测法则：单位面积集成电路上可容纳晶体管的数量约每两年翻一番。
计算机发展是以指数方式的发展。
3、python
python诞生于1990年，是当今最好用的语言。
4、程序执行的两种方式
将源代码（人类可读）与目标代码（机器和某些顶尖专家可读）相互转换
#编译：将源代码一次性转换成目标代码的过程，使用编译执行的编程语言，如c、c++、Java等静态语言
静态语言 编译器一次性生成目标代码，优化充分，运行快
#解释：将源代码逐条转换为目标代码并同时逐条运行的过程，使用解释执行的编程语言称为脚本语言，如Python、js、php
脚本语言 执行程序时需要源代码，维护更灵活，可以跨多个操作系统平台
5、程序的基本编写方法
#IPO
I–input输入，程序的输入：文件、网络、控制台、交互界面、程序内部输入等
P–Process处理，程序的主要逻辑：算法
O–output输出，程序的输出：展示运算结果的方式
1.2 python开发环境配置
Python意为忙着，属于PSF，PSF是一个致力于保护Python语言开放、开源和发展的非营利组织。python的创始者是Guido。
网上方法很多，自己去学学即可。
1、python的两种编程方式
交互式和文件式
#交互式
对每个输入语句即时运行结果，适合语法练习
#文件式
批量执行一组语句并运行结果，编程的主要方式
1.3 摄氏度和华氏温度转换
输入输出格式：82F–华氏82度，28C–摄氏28度
算法设计：根据转换公式：C=(F-32)/1.8，F=C*1.8+32
#TempConvert.py
TempStr = input("请输入温度值：")
if TempStr[-1] in ['F','f']:
C = (eval(TempStr[0:-1])-32/1.8)
print("转换后温度是{:.2f}C".format(C))
elif TempStr[-1] in ['C','c']:
F = 1.8*eval(TempStr[0:-1]+32)
print("转换后温度是{:.2f}F".format(F))
else:
print("输入格式有误")
1.4 1.3代码解析
#缩进
表达程序的格式框架，表达代码间包含和层次关系的唯一手段，单一程序内锁紧长度相同即可，一般用4个空格或者1个tab
#注释
#开头，其后内容为注释，单行注释；’’'开头和结尾表示多行注释
#变量
用来保存和表示数据的占位符号
#命名
大小写字母、数字、下划线、汉字等字符的组合
注意事项：大小写敏感、首字母不能是数字，不与保留字相同
#保留字
编程语言内部定义的并保留使用的标识符，即关键词
| and | elif | import | raise | global |
|---|---|---|---|---|
| as | else | in | return | nonlocal |
| assert | except | is | try | True |
| break | finally | lambda | while | False |
| class | for | not | with | None |
| continue | from | or | yield | |
| def | if | pass | del |
#数据类型
供计算机程序理解的数据形式
-整数类型 10011101
-字符串类型 “10,011,101”
-列表类型 [10,011,101]
#字符串的序号
正向增序序号：从0开始
反向递减序号：-12，-11.。。，-1，保证最后一个为-1
#分支语句
有判断条件决定程序运行方向的语句，例如if，elif，else
#语句和函数
根据输入参数不同输出结果
#python输入和输出
#输入函数input()
从控制台输入
#输出函数print()
以字符串型是向控制台输出结果
print()函数的格式化
print("转换后温度是{:.2f}C".format(C))
#eval()
评估函数，去掉参数最外侧引号并执行余下语句的函数
如eval(“1+2”)会得到3
第二章 Python基本图形绘制
2.1 深入理解Python语言
1946-1981年计算机系统结构时代：计算能力问题
1981-2008网络和视窗时代：交互问题
2008-2016安卓系统产生，复杂信息时代：数据问题
2016-？人工智能时代：计算能力问题、人类的问题
#高级语言 接近自然语言，编译器，与cpu幸好无关
#汇编语言 有助记符，汇编器，与cpu型号有关
#机器语言 代码直接执行，与cpu型号有关
#超级语言 Python是目前唯一的超级语言
2.2 Python蟒蛇绘制
#PythonDraw.py
import turtle
turtle.setup(650,350,200,200)
turtle.penup()
turtle.fd(-250)
turtle.pendown()
turtle.pensize(25)
turtle.pencolor("red")
turtle.seth(-40)
for i in range(4):
turtle.circle(40,80)
turtle.circle(-40,80)
turtle.circle(40,80/2)
turtle.fd(40)
turtle.circle(16,100)
turtle.fd(40*2/3)
turtle.done()
2.3 代码解析
#turtle库概述
1969年诞生的海龟库，有一只海龟，在窗体正中心，在画布上游走，走过的轨迹形成了绘制的图形
#turtle绘图窗体
-setup()设置窗体大小及位置
-4个参数中后两个可选，分别表示长、宽、左上角x/y坐标
-setup()不是必须的
#turtle的空间坐标体系
turtle的空间坐标是绝对坐标，窗体中心为海归起始位置（0，0）
turtle.goto(x,y)表示走向
海龟是头朝右的乌龟
turtle.fd(d)朝海龟正前方
turtle.bk(d)朝海龟后方
turtle.circle(r,angle)朝海龟左侧沿距离r的原点绕行
turtle.seth(angle)改变海归方向，但不行进
turtle.colormode(mode)
#import用法
import <库名>
<库名>.<函数名>(<函数参数>)
import <库名> as <库别名>
<库别名>.<函数名>(<函数参数>)
from <库名> import <函数名>
from <库名> import *
<函数名>(<函数参数>)
turtle.penup()#表示画笔抬起，海龟在飞行，别名turtle.pu()
turtle.pendown()#画笔落下，海龟在爬行，别名turtle.pd()
turtle.pensize(25)#画笔的宽度，别名turtle.width()
turtle.pencolor("red")#设置画笔颜色
第三章 基本数据类型
3.1 数字类型及操作
#整数类型
pow(x,y) x的y次方
#4中进制表示形式
十进制：99
二进制，以0b或者0B开头：0b010，-0B101
八进制，以0o或者0O开头：0o123，-0O456
十六进制，以0x或者0X开头：0x9a，-0X89
#浮点类型
浮点数的小数部分二进制与十进制并不是一一对应，存在不确定尾数
例如输入0.1+0.2==0.3会显示false，但可以使用round解决，round（0.1+0.2）==0.3会显示true
round(x,d)对x四舍五入。d是小数截取位数
#复数类型
定义与数学相同
z.real获得实部，z.imag获得虚部，z为复数
#数值运算操作符
+、-、*、/
x//y整数除，得到整数商
%取余
x**y=pow（x，y）但前者x，y为整数，后者不需要
x op=y与x=x op y相同
#数值运算函数
abs(x) 求x的绝对值
divmod(x,y) 同时输出商和余数divmod（10,3）=（3,1）
pow（x,y[,z]） 表示(x**y)%z，例如pow(3,pow(3,9),10000)结果为4587
round(x[,d]) 四舍五入，d是保留小数数位
max/min（1,2,4,3,5）
3.2 天天向上的力量
#DayDayupandDownQ3.py
def dayUp(df):
day = 1
for i in range(365):
if ((i + 1) % 7 == 6 or (i + 1) % 7 == 0):
day *= (1 - df)
else:
day *= (1 + df)
return day
dayfactor = 0.01
while dayUp(dayfactor) < 37.78:
dayfactor += 0.001
print("一年365天：{:.3f}".format(dayfactor))
3.3 字符串类型及操作
1、简介
字符串有2类共4种，表示方法
由一对单引号或双引号表示，仅表示单行字符串
"这里阿拉法凉山大火"或者'C:'
-如果希望在字符串中包含双引号或者单引号的表示方法：
'这里有个双引号(")'或者"这里有个单引号(')"
-如果希望文本中出现单引号和双引号
'''这里既有单引号(')又有双引号(")'''
2、字符串的使用
-索引：返回字符串中单个字符 <字符串>[M]
"请输入带有符号的温度值："[0]或者TempStr[-1]
-切片返回字符串中一段字符子串 <字符串>[M:N]
"请输入带有符号的温度值："[1:3]或者TempStr[0:-1]
#字符串切片高级用法
使用[M:N:K]根据步长对字符串切片
-<字符串>[M:N:K]，根据步长K对字符串切片
"0123456789"[1:8:2]结果是"1357"
-<字符串>[M:N] M缺失表示至开头，N缺失表示至结尾
"01234567"[:3]结果是"012"
#字符串中的特殊字符
#转义符\
-表达特定字符的本意
"这里有个双引号(\")"结果为 这里有个双引号(")
-转义符形成一些组合，表达一些不可打印的含义
“\b” 回退
“\n” 换行，光标移动到下行首
“\r” 回车，光标移动到本行首
3、字符串的操作符+、*、in
x+y表示连接
n*x或者
x*n表示复制n次字符串x
x in s如果x是s的子串，返回True，否则返回False
例子
#WeekNamePrintV2.py
weekStr = "一二三四五六七"
weekId = eval(input("请输入星期数字（1-7）："))
print("星期"+weekStr[weekId-1])
4、字符串处理函数
| 函数及使用 | 描述 |
|---|---|
| len(x) | 长度 |
| str(x) | 任意类型转换为字符串类型，包括列表 |
| hex(x)或者oct(x) | 将十进制整数变成十六进制或八进制小写形式字符串，例如hen(425)=“0x1a9”, oct(425)=“0o651” |
| chr(u) | u为Unicode编码，返回其对应字符，如char(10004)为"√" |
| ord(x) | x为字符，返回其对应的Unicode编码 |
举例：
for i in range(9800,9812):
print(chr(i),end=" ")
输出星座符号：
♈ ♉ ♊ ♋ ♌ ♍ ♎ ♏ ♐ ♑ ♒ ♓
| 方法及使用 | 描述 |
|---|---|
| str.lower()或者str.upper() | 返回字符串的副本，全部字符小写/大写"ahaBJOIHLADShjl".lower()结果为全部小写 |
| str.split(sep=None) | 返回一个列表，由str根据被sep分割的部分组成。“A,B,C”.split(",")结果为[‘A’,‘B’,‘C’] |
| str.count(sub) | 返回子串sub在str中出现的次数。“an apple a day”.count(“a”)结果为4 |
| str.replace(old,new) | 旧字符串替换为新字符串 |
| str.center(width[,fillchar]) | 字符串str根据宽度width居中，fillchar可选"python".center(20,"=")结果为"=python=" |
| str.strip(chars) | 从str中去掉其左侧和右侧chars中列出的字符"= python".strip(" =np")结果为"ytho" |
| str.join(iter) | 在iter变量除最后元素外每一个元素后增加一个str。例如",".join(“12345”)结果为"1,2,3,4,5"，#主要用于字符串分隔等 |
5、字符串的格式化
其使用方法是.format()，具体用法如下：
<模板字符串>.format(<逗号分隔的参数>)
#槽：{}，其两种不同的使用方法
"{}：计算机{}的cpu占用率为{}%".format("2018-10-10","c",10)
"{0}：计算机{1}的cpu占用率为{2}%".format("2018-10-10","c",10)
#format方法的格式控制
槽内部对格式化的配置方法:
{<参数序号>:<格式控制标记>}
| ： | <填充> | <对齐> | <宽度> | <,> | <.精度> | <类型> |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 引导符号 | 用于填充的单个字符 | <左 >右 ^居中对齐 | 槽设定的输出宽度 | 数字的千位分隔符 | 浮点数小数精度或者字符串最大输出长度 | 整数类型b,c,d,o,x,X浮点数类型e,E,f,% |
"{0:=^20}".format("Python")
= 填充符号，空余空间填充
^ 居中对齐
20 长度/宽度20
输出 =======Python=======
print("{0:b},{0:c},{0:d},{0:o},{0:x},{0:X}".format(425))
110101001,Ʃ,425,651,1a9,1A9
3.4 time库
time库是Python中处理时间的标准库：
-计算机时间的表达
-提供获取系统时间并格式化输出的功能
-提供系统精确计时功能，用于程序性能分析
1、time库的使用
| 函数 | 描述 |
|---|---|
| time() | 获取当前时间戳，即计算机内部时间值，浮点数 |
| ctime() | 获取当前时间并以易读方式表示，返回字符串 |
| gmtime() | 获取当前时间表示为计算机可以处理的时间格式 |
import time
print(time.time())
print(time.ctime())
print(time.gmtime())
#输出结果：1599469094.3461773
#输出结果：Mon Sep 7 17:05:08 2020
#输出结果：time.struct_time(tm_year=2020, tm_mon=9, tm_mday=7, tm_hour=9, tm_min=2, tm_sec=26, tm_wday=0, tm_yday=251, tm_isdst=0)
时间戳表示的是1970年1月1日到当前这一时刻为止以秒为单位的时间
2、时间格式化
-格式化：类似于字符串格式化，需要由展示模板
-展示模板由特定的格式化控制符组成
| 函数 | 描述 |
|---|---|
| strftime(tpl,ts) | tpl是格式化模板字符串，用来定义输出效果。ts是计算机内部时间类型变量 |
| strptime(tpl,ts) | str是字符串形式的时间值，tpl是格式化模板字符串，用来定义输入效果 |
import time
t = time.gmtime()
print(time.strftime("%Y-%m-%d-%H:%M:%S",t))
timestr = '2020-09-07 09:16:51'
print(time.strptime(timestr,"%Y-%m-%d %H:%M:%S"))
#输出结果：2020-09-07-09:15:50
#输出结果：time.struct_time(tm_year=2020, tm_mon=9, tm_mday=7, tm_hour=9, tm_min=16, tm_sec=51, tm_wday=0, tm_yday=251, tm_isdst=-1)
| 格式化字符串 | 日期/时间说明 | 值范围和实例 |
|---|---|---|
| %Y | 年份 | 0000~9999，例如2020 |
| %m | 月份 | 01~12 |
| %B | 月份名称 | January~December |
| %b | 月份名称缩写 | Jan~Dec |
| %d | 日期 | 01~31 |
| %A | 星期 | Monday~Sunday |
| %a | 星期缩写 | Mon~Sun |
| %H | 24小时制 | 00~23 |
| 12小时制 | 01~12 | |
| 上/下午 | AM，PM，例如：PM | |
| %M | 分钟 | 00~59 |
| %S | 秒 | 00~59 |
3、程序计时
sleep() 产生时间
perf_counter() 测量时间
| 函数 | 描述 |
|---|---|
| perf_counter() | 返回一个CPU级别的精确时间计数值，单位为秒，其起点不确定，需连续调用差值才有意义 |
import time
start = time.perf_counter()
time.sleep(2.2)
end = time.perf_counter()
print(end - start)
#输出：2.1999606000000003
3.5 文本进度条
#TextProBarV1.py
import time
scale = 10
print("{0:-^20}".format("执行开始"))
for i in range(scale+1):
a = '*'*i
b = '.'*(scale-i)
c = (i/scale)*100
print("{:3.0f}%[{}->{}]".format(c,a,b)) time.sleep(0.5)
print("{0:-^20}".format("执行结束"))
#输出结果：
--------执行开始--------
0%[->..........]
10%[*->.........]
20%[**->........]
30%[***->.......]
40%[****->......]
50%[*****->.....]
60%[******->....]
70%[*******->...]
80%[********->..]
90%[*********->.]
100%[**********->]
--------执行结束--------
import time
for i in range(101): print("\r{:3}%".format(i),end="")
time.sleep(0.1)
#TextProBarV2.py
import time
scale = 50
print("执行开始".center(scale//2, "-"))
start = time.perf_counter()
for i in range(scale+1):
a = '*'*i
b = '.'*(scale-i)
c = (i/scale)*100
dur = time.perf_counter()-start print("\r{:^3.0f}%[{}-{}]{:.2f}s".format(c, a, b, dur), end='')
time.sleep(0.1)
print("\n执行结束".center(scale//2, '-'))
第四章 程序控制
4.1分支结构
1、单分支结构
根据判断条件结果而选择不同的前进路径的运行方式
if <条件>:
<语句块>
2、二分支结构
根据条件判断结果而选择不同进行的方式
if <条件>:
<语句块1>
else:
<语句块2>
#紧凑形式
<表达式1> if <条件> else <表达式2>
3、多分支结构
if <条件1>:
<语句块1>
elif <条件2>:
<语句块2>
.......
else:
<语句块n>
#条件组合
and、or、not
4、程序的异常处理
#异常的简单处理
try:
<语句块1>
except:
<语句块2>
or
try:
<语句块1>
except <异常类型>:
<语句块2>
#异常的高级処理
try:
<语句块1>
except:
<语句块2>
else:
<语句块3> #此语句在不发生异常时执行
finally:
<语句块4> #此语句一定会执行
4.2 身体的BMI指数
#CalBMI_V1.py
height, weight = eval(input("请输入身高（米）和体重（kg），并使用逗号隔开："))
bmi = weight/pow(height,2)
print("BMI数值为：{0:.2f}".format(bmi))
if bmi <18.5:
who1 = "偏瘦"
who2 = "偏瘦"
elif 18.5<=bmi<24:
who1 = "正常"
who2 = "正常"
elif 24<=bmi<25:
who1 = "正常"
who2 = "偏胖"
elif 25<=bmi<28:
who1 = "偏胖"
who2 = "偏胖"
elif 28<=bmi<30:
who1 = "偏胖"
who2 = "肥胖"
else:
who1 = "肥胖"
who2 = "肥胖"
print("BMI指标为：国际{},国内{}".format(who1,who2))
#输出结果：
请输入身高（米）和体重（kg），并使用逗号隔开：1.81,85
BMI数值为：25.95
BMI指标为：国际偏胖,国内偏胖
4.3 程序的循环结构
1、遍历循环
for <循环遍历> in <遍历结构>:
<语句块>
for c in s: #s是字符串，c表示一个可以装字母的容器，此句话意思是遍历字符串每一个字符
<语句块>
for item in []:
<语句块>
for line in file:
<语句块>
2、无限循环
while <条件>:
<语句块>
一直运行，直到不满足while条件
3、循环控制保留字
break 和 continue
break跳出并结束当前循环，执行循环后的语句，break只能跳出一层循环
continue跳出当次循环，继续执行后续次数循环
4、循环的高级用法else
for <> in <>:
<>
else:
<>
or
while <>:
<>
else:
<>
上述语句表示，如果没有执行break，程序正常执行，则会继续执行else，否则不会执行
4.4 random库
random库是使用随机数的Python标准库，无需安装
-其产生的随机数并不随机，而是一种伪随机数，是采用梅森旋转算大生成的（伪）随机序列中的元素
1、基本随机数函数
| 函数 | 描述 |
|---|---|
| seed(a=None) | 初始化给定的随机数种子，默认为当前系统时间，random.seed(10)#产生种子10的对应的序列 |
| random() | 生成一个(0.0,1.0)之间的随机小数 |
| randint(a,b) | 生成一个[a,b]之间的整数 |
| randrange(m,n[,k]) | 生成一个[m,n)之间以k为步长的随机整数 |
| getrandbits(k) | 生成一个k bit长的随机整数 |
| uniform(a,b) | 生成一个[a,b]之间的随机小数 |
| choice(seq) | 从列表seq[]中随机选择一个元素 |
| shuffle(seq) | 将列表seq[]中元素随机排列，返回打乱后的序列 |
import random
random.seed(10)
print(random.random())
#输出结果：0.5714025946899135
默认种子为当前系统时间，如果设定种子，则随机过程可以再现
4.5 圆周率的计算
数学家们给出了圆周率的计算公式：
公式太长，请自己百度一下，本次编程采用此公式
工程上的蒙特卡罗方法：
直径为d的圆与边长为d的正方形的1/4中撒点，那么数量足够多时可算出圆与正方形的面积比，进而计算出圆周率
#公式法
#CalPiV1.py
pi = 0
N = 100
for k in range(N):
pi += 1/pow(16,k)*(\ #\表示在公式过长时可以换行
4/(8*k+1)-2/(8*k+4)-\
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