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函数和模块的使用

在讲解本章节的内容之前，我们先来研究一道数学题，请说出下面的方程有多少组正整数解。

$$x_1 + x_2 + x_3 + x_4 = 8$$

事实上，上面的问题等同于将8个苹果分成四组每组至少一个苹果有多少种方案。想到这一点问题的答案就呼之欲出了。

$$C_M^N =\frac{M!}{N!(M-N)!}, \text{(M=7, N=3)} $$

可以用Python的程序来计算出这个值，代码如下所示。

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"""
输入M和N计算C(M,N)
"""

m = int(input('m = '))
n = int(input('n = '))
fm = 1
for num in range(1, m + 1):
    fm *= num
fn = 1
for num in range(1, n + 1):
    fn *= num
fmn = 1
for num in range(1, m - n + 1):
    fmn *= num
print(fm // fn // fmn)

函数的作用

不知道大家是否注意到，在上面的代码中，我们做了3次求阶乘，这样的代码实际上就是重复代码。编程大师Martin Fowler先生曾经说过：“代码有很多种坏味道，重复是最坏的一种！”，要写出高质量的代码首先要解决的就是重复代码的问题。对于上面的代码来说，我们可以将计算阶乘的功能封装到一个称之为“函数”的功能模块中，在需要计算阶乘的地方，我们只需要“调用”这个“函数”就可以了。

定义函数

在Python中可以使用def关键字来定义函数，和变量一样每个函数也有一个响亮的名字，而且命名规则跟变量的命名规则是一致的。在函数名后面的圆括号中可以放置传递给函数的参数，这一点和数学上的函数非常相似，程序中函数的参数就相当于是数学上说的函数的自变量，而函数执行完成后我们可以通过return关键字来返回一个值，这相当于数学上说的函数的因变量。

在了解了如何定义函数后，我们可以对上面的代码进行重构，所谓重构就是在不影响代码执行结果的前提下对代码的结构进行调整，重构之后的代码如下所示。

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def factorial(num):
    """
    求阶乘
    
    :param num: 非负整数
    :return: num的阶乘
    """
    result = 1
    for n in range(1, num + 1):
        result *= n
    return result


m = int(input('m = '))
n = int(input('n = '))
# 当需要计算阶乘的时候不用再写循环求阶乘而是直接调用已经定义好的函数
print(factorial(m) // factorial(n) // factorial(m - n))

说明： Python的math模块中其实已经有一个factorial函数了，事实上要计算阶乘可以直接使用这个现成的函数而不用自己定义。下面例子中的某些函数其实Python中也是内置了，我们这里是为了讲解函数的定义和使用才把它们又实现了一遍，实际开发中不建议做这种低级的重复性的工作。

函数的参数

函数是绝大多数编程语言中都支持的一个代码的“构建块”，但是Python中的函数与其他语言中的函数还是有很多不太相同的地方，其中一个显著的区别就是Python对函数参数的处理。在Python中，函数的参数可以有默认值，也支持使用可变参数，所以Python并不需要像其他语言一样支持函数的重载，因为我们在定义一个函数的时候可以让它有多种不同的使用方式，下面是两个小例子。

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from random import randint


def roll_dice(n=2):
    """
    摇色子
    
    :param n: 色子的个数
    :return: n颗色子点数之和
    """
    total = 0
    for _ in range(n):
        total += randint(1, 6)
    return total


def add(a=0, b=0, c=0):
    return a + b + c


# 如果没有指定参数那么使用默认值摇两颗色子
print(roll_dice())
# 摇三颗色子
print(roll_dice(3))
print(add())
print(add(1))
print(add(1, 2))
print(add(1, 2, 3))
# 传递参数时可以不按照设定的顺序进行传递
print(add(c=50, a=100, b=200))

我们给上面两个函数的参数都设定了默认值，这也就意味着如果在调用函数的时候如果没有传入对应参数的值时将使用该参数的默认值，所以在上面的代码中我们可以用各种不同的方式去调用add函数，这跟其他很多语言中函数重载的效果是一致的。

其实上面的add函数还有更好的实现方案，因为我们可能会对0个或多个参数进行加法运算，而具体有多少个参数是由调用者来决定，我们作为函数的设计者对这一点是一无所知的，因此在不确定参数个数的时候，我们可以使用可变参数，代码如下所示。

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# 在参数名前面的*表示args是一个可变参数
# 即在调用add函数时可以传入0个或多个参数
def add(*args):
    total = 0
    for val in args:
        total += val
    return total


print(add())
print(add(1))
print(add(1, 2))
print(add(1, 2, 3))
print(add(1, 3, 5, 7, 9))

用模块管理函数

对于任何一种编程语言来说，给变量、函数这样的标识符起名字都是一个让人头疼的问题，因为我们会遇到命名冲突这种尴尬的情况。最简单的场景就是在同一个.py文件中定义了两个同名函数，由于Python没有函数重载的概念，那么后面的定义会覆盖之前的定义，也就意味着两个函数同名函数实际上只有一个是存在的。

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def foo():
    print('hello, world!')


def foo():
    print('goodbye, world!')


# 下面的代码会输出什么呢？
foo()

当然上面的这种情况我们很容易就能避免，但是如果项目是由多人协作进行团队开发的时候，团队中可能有多个程序员都定义了名为foo的函数，那么怎么解决这种命名冲突呢？答案其实很简单，Python中每个文件就代表了一个模块（module），我们在不同的模块中可以有同名的函数，在使用函数的时候我们通过import关键字导入指定的模块就可以区分到底要使用的是哪个模块中的foo函数，代码如下所示。

module1.py

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def foo():
    print('hello, world!')

module2.py

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def foo():
    print('goodbye, world!')

test.py

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from module1 import foo

# 输出hello, world!
foo()

from module2 import foo

# 输出goodbye, world!
foo()

也可以按照如下所示的方式来区分到底要使用哪一个foo函数。

test.py

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import module1 as m1
import module2 as m2

m1.foo()
m2.foo()

但是如果将代码写成了下面的样子，那么程序中调用的是最后导入的那个foo，因为后导入的foo覆盖了之前导入的foo。

test.py

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from module1 import foo
from module2 import foo

# 输出goodbye, world!
foo()

test.py

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from module2 import foo
from module1 import foo

# 输出hello, world!
foo()

需要说明的是，如果我们导入的模块除了定义函数之外还中有可以执行代码，那么Python解释器在导入这个模块时就会执行这些代码，事实上我们可能并不希望如此，因此如果我们在模块中编写了执行代码，最好是将这些执行代码放入如下所示的条件中，这样的话除非直接运行该模块，if条件下的这些代码是不会执行的，因为只有直接执行的模块的名字才是“__main__”。

module3.py

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def foo():
    pass


def bar():
    pass


# __name__是Python中一个隐含的变量它代表了模块的名字
# 只有被Python解释器直接执行的模块的名字才是__main__
if __name__ == '__main__':
    print('call foo()')
    foo()
    print('call bar()')
    bar()

test.py

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import module3

# 导入module3时 不会执行模块中if条件成立时的代码 因为模块的名字是module3而不是__main__

练习

练习1：实现计算求最大公约数和最小公倍数的函数。

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def gcd(x, y):
    (x, y) = (y, x) if x > y else (x, y)
    for factor in range(x, 0, -1):
        if x % factor == 0 and y % factor == 0:
            return factor


def lcm(x, y):
    return x * y // gcd(x, y)

练习2：实现判断一个数是不是回文数的函数。

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def is_palindrome(num):
    temp = num
    total = 0
    while temp > 0:
        total = total * 10 + temp % 10
        temp //= 10
    return total == num

练习3：实现判断一个数是不是素数的函数。

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def is_prime(num):
    for factor in range(2, num):
        if num % factor == 0:
            return False
    return True if num != 1 else False

练习4：写一个程序判断输入的正整数是不是回文素数。

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if __name__ == '__main__':
    num = int(input('请输入正整数: '))
    if is_palindrome(num) and is_prime(num):
        print('%d是回文素数' % num)

通过上面的程序可以看出，当我们将代码中重复出现的和相对独立的功能抽取成函数后，我们可以组合使用这些函数来解决更为复杂的问题，这也是我们为什么要定义和使用函数的一个非常重要的原因。

最后，我们来讨论一下Python中有关变量作用域的问题。

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def foo():
    b = 'hello'

    def bar():  # Python中可以在函数内部再定义函数
        c = True
        print(a)
        print(b)
        print(c)

    bar()
    # print(c)  # NameError: name 'c' is not defined


if __name__ == '__main__':
    a = 100
    # print(b)  # NameError: name 'b' is not defined
    foo()

上面的代码能够顺利的执行并且打印出100和“hello”，但我们注意到了，在bar函数的内部并没有定义a和b两个变量，那么a和b是从哪里来的。我们在上面代码的if分支中定义了一个变量a，这是一个全局变量（global variable），属于全局作用域，因为它没有定义在任何一个函数中。在上面的foo函数中我们定义了变量b，这是一个定义在函数中的局部变量（local variable），属于局部作用域，在foo函数的外部并不能访问到它；但对于foo函数内部的bar函数来说，变量b属于嵌套作用域，在bar函数中我们是可以访问到它的。bar函数中的变量c属于局部作用域，在bar函数之外是无法访问的。事实上，Python查找一个变量时会按照“局部作用域”、“嵌套作用域”、“全局作用域”和“内置作用域”的顺序进行搜索，前三者我们在上面的代码中已经看到了，所谓的“内置作用域”就是Python内置的那些隐含标识符min、len等都属于内置作用域）。

再看看下面这段代码，我们希望通过函数调用修改全局变量a的值，但实际上下面的代码是做不到的。

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def foo():
    a = 200
    print(a)  # 200


if __name__ == '__main__':
    a = 100
    foo()
    print(a)  # 100

在调用foo函数后，我们发现a的值仍然是100，这是因为当我们在函数foo中写a = 200的时候，是重新定义了一个名字为a的局部变量，它跟全局作用域的a并不是同一个变量，因为局部作用域中有了自己的变量a，因此foo函数不再搜索全局作用域中的a。如果我们希望在foo函数中修改全局作用域中的a，代码如下所示。

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def foo():
    global a
    a = 200
    print(a)  # 200


if __name__ == '__main__':
    a = 100
    foo()
    print(a)  # 200

我们可以使用global关键字来指示foo函数中的变量a来自于全局作用域，如果全局作用域中没有a，那么下面一行的代码就会定义变量a并将其置于全局作用域。同理，如果我们希望函数内部的函数能够修改嵌套作用域中的变量，可以使用nonlocal关键字来指示变量来自于嵌套作用域，请大家自行试验。

在实际开发中，我们应该尽量减少对全局变量的使用，因为全局变量的作用域和影响过于广泛，可能会发生意料之外的修改和使用，除此之外全局变量比局部变量拥有更长的生命周期，可能导致对象占用的内存长时间无法被垃圾回收。事实上，减少对全局变量的使用，也是降低代码之间耦合度的一个重要举措，同时也是对迪米特法则的践行。减少全局变量的使用就意味着我们应该尽量让变量的作用域在函数的内部，但是如果我们希望将一个局部变量的生命周期延长，使其在函数调用结束后依然可以访问，这时候就需要使用闭包，这个我们在后续的内容中进行讲解。

说明： 很多人经常会将“闭包”一词和“匿名函数”混为一谈，但实际上它们是不同的概念，如果想提前了解这个概念，推荐看看维基百科或者知乎上对这个概念的讨论。

说了那么多，其实结论很简单，从现在开始我们可以将Python代码按照下面的格式进行书写，这一点点的改进其实就是在我们理解了函数和作用域的基础上跨出的巨大的一步。

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def main():
    # Todo: Add your code here
    pass


if __name__ == '__main__':
    main()

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本文字数： 277 阅读时长 ≈ 1 分钟

构造程序逻辑

分支和循环结构会帮助我们将程序中逻辑建立起来，将来我们的程序无论简单复杂，都是由顺序结构、分支结构、循环结构构成的。对于编程语言的初学者来说，首先要锻炼的是将人类自然语言描述的解决问题的步骤和方法翻译成代码的能力，其次就是熟练的运用之前学过的运算符、表达式以及最近的两个章节讲解的分支结构和循环结构的知识。有了这些基本的能力才能够通过计算机程序去解决各种各样的现实问题。所以，开始做练习吧！

练习清单

  1. 寻找“水仙花数”。
  2. 寻找“完美数”。
  3. “百钱百鸡”问题。
  4. 生成“斐波拉切数列”。
  5. Craps赌博游戏。

提示：练习的参考答案在code/Day05目录下。

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本文字数： 3.5k 阅读时长 ≈ 3 分钟

循环结构

应用场景

如果在程序中我们需要重复的执行某条或某些指令，例如用程序控制机器人踢足球，如果机器人持球而且还没有进入射门范围，那么我们就要一直发出让机器人向球门方向奔跑的指令。当然你可能已经注意到了，刚才的描述中其实不仅仅有需要重复的动作，还有我们上一个章节讲到的分支结构。再举一个简单的例子，比如在我们的程序中要实现每隔1秒中在屏幕上打印一个"hello, world"这样的字符串并持续一个小时，我们肯定不能够将print('hello, world')这句代码写上3600遍，如果真的需要这样做，那么编程的工作就太无聊了。因此，我们还需要了解一下循环结构，有了循环结构我们就可以轻松的控制某件事或者某些事重复、重复、再重复的去执行。

在Python中构造循环结构有两种做法，一种是for-in循环，一种是while循环。

for-in循环

如果明确的知道循环执行的次数或者要对一个容器进行迭代（后面会讲到），那么我们推荐使用for-in循环，例如下面代码中计算1~100求和的结果（$\displaystyle \sum \limits_{n=1}^{100}n$）。 

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"""
用for循环实现1~100求和

Version: 0.1
Author: 骆昊
"""

sum = 0
for x in range(101):
    sum += x
print(sum)

需要说明的是上面代码中的range类型，range可以用来产生一个不变的数值序列，而且这个序列通常都是用在循环中的，例如：

  • range(101)可以产生一个0到100的整数序列。
  • range(1, 100)可以产生一个1到99的整数序列。
  • range(1, 100, 2)可以产生一个1到99的奇数序列，其中的2是步长，即数值序列的增量。

知道了这一点，我们可以用下面的代码来实现1~100之间的偶数求和。

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"""
用for循环实现1~100之间的偶数求和

Version: 0.1
Author: 骆昊
"""

sum = 0
for x in range(2, 101, 2):
    sum += x
print(sum)

也可以通过在循环中使用分支结构的方式来实现相同的功能，代码如下所示。

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"""
用for循环实现1~100之间的偶数求和

Version: 0.1
Author: 骆昊
"""

sum = 0
for x in range(1, 101):
    if x % 2 == 0:
        sum += x
print(sum)

while循环

如果要构造不知道具体循环次数的循环结构，我们推荐使用while循环。while循环通过一个能够产生或转换出bool值的表达式来控制循环，表达式的值为True循环继续，表达式的值为False循环结束。下面我们通过一个“猜数字”的小游戏（计算机出一个1~100之间的随机数，人输入自己猜的数字，计算机给出对应的提示信息，直到人猜出计算机出的数字）来看看如何使用while循环。

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"""
猜数字游戏
计算机出一个1~100之间的随机数由人来猜
计算机根据人猜的数字分别给出提示大一点/小一点/猜对了

Version: 0.1
Author: 骆昊
"""

import random

answer = random.randint(1, 100)
counter = 0
while True:
    counter += 1
    number = int(input('请输入: '))
    if number < answer:
        print('大一点')
    elif number > answer:
        print('小一点')
    else:
        print('恭喜你猜对了!')
        break
print('你总共猜了%d次' % counter)
if counter > 7:
    print('你的智商余额明显不足')

说明： 上面的代码中使用了break关键字来提前终止循环，需要注意的是break只能终止它所在的那个循环，这一点在使用嵌套的循环结构（下面会讲到）需要引起注意。除了break之外，还有另一个关键字是continue，它可以用来放弃本次循环后续的代码直接让循环进入下一轮。

和分支结构一样，循环结构也是可以嵌套的，也就是说在循环中还可以构造循环结构。下面的例子演示了如何通过嵌套的循环来输出一个九九乘法表。

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"""
输出乘法口诀表(九九表)

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Author: 骆昊
"""

for i in range(1, 10):
    for j in range(1, i + 1):
        print('%d*%d=%d' % (i, j, i * j), end='\t')
    print()

练习

练习1：输入一个数判断是不是素数。

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"""
输入一个正整数判断它是不是素数

Version: 0.1
Author: 骆昊
Date: 2018-03-01
"""
from math import sqrt

num = int(input('请输入一个正整数: '))
end = int(sqrt(num))
is_prime = True
for x in range(2, end + 1):
    if num % x == 0:
        is_prime = False
        break
if is_prime and num != 1:
    print('%d是素数' % num)
else:
    print('%d不是素数' % num)

练习2：输入两个正整数，计算最大公约数和最小公倍数。

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"""
输入两个正整数计算最大公约数和最小公倍数

Version: 0.1
Author: 骆昊
Date: 2018-03-01
"""

x = int(input('x = '))
y = int(input('y = '))
if x > y:
    x, y = y, x
for factor in range(x, 0, -1):
    if x % factor == 0 and y % factor == 0:
        print('%d和%d的最大公约数是%d' % (x, y, factor))
        print('%d和%d的最小公倍数是%d' % (x, y, x * y // factor))
        break

练习3：打印三角形图案。

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"""
打印各种三角形图案

*
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*****

    *
   **
  ***
 ****
*****

    *
   ***
  *****
 *******
*********

Version: 0.1
Author: 骆昊
"""

row = int(input('请输入行数: '))
for i in range(row):
    for _ in range(i + 1):
        print('*', end='')
    print()


for i in range(row):
    for j in range(row):
        if j < row - i - 1:
            print(' ', end='')
        else:
            print('*', end='')
    print()

for i in range(row):
    for _ in range(row - i - 1):
        print(' ', end='')
    for _ in range(2 * i + 1):
        print('*', end='')
    print()

发表于 更新于 分类于 Valine：
本文字数： 4.1k 阅读时长 ≈ 4 分钟

分支结构

应用场景

迄今为止，我们写的Python代码都是一条一条语句顺序执行，这种代码结构通常称之为顺序结构。然而仅有顺序结构并不能解决所有的问题，比如我们设计一个游戏，游戏第一关的通关条件是玩家获得1000分，那么在完成本局游戏后，我们要根据玩家得到分数来决定究竟是进入第二关，还是告诉玩家“Game Over”，这里就会产生两个分支，而且这两个分支只有一个会被执行。类似的场景还有很多，我们将这种结构称之为“分支结构”或“选择结构”。给大家一分钟的时间，你应该可以想到至少5个以上这样的例子，赶紧试一试。

if语句的使用

在Python中，要构造分支结构可以使用if、elif和else关键字。所谓关键字就是有特殊含义的单词，像if和else就是专门用于构造分支结构的关键字，很显然你不能够使用它作为变量名（事实上，用作其他的标识符也是不可以）。下面的例子中演示了如何构造一个分支结构。

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用户身份验证

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Author: 骆昊
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username = input('请输入用户名: ')
password = input('请输入口令: ')
# 如果希望输入口令时 终端中没有回显 可以使用getpass模块的getpass函数
# import getpass
# password = getpass.getpass('请输入口令: ')
if username == 'admin' and password == '123456':
    print('身份验证成功!')
else:
    print('身份验证失败!')

唯一需要说明的是和C/C++、Java等语言不同，Python中没有用花括号来构造代码块而是使用了缩进的方式来设置代码的层次结构，如果if条件成立的情况下需要执行多条语句，只要保持多条语句具有相同的缩进就可以了，换句话说连续的代码如果又保持了相同的缩进那么它们属于同一个代码块，相当于是一个执行的整体。

当然如果要构造出更多的分支，可以使用if…elif…else…结构，例如下面的分段函数求值。

$$f(x)=\begin{cases} 3x-5&\text{(x>1)}\\x+2&\text{(-1}\leq\text{x}\leq\text{1)}\\5x+3&\text {(x<-1)}\end{cases}$$

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"""
分段函数求值

        3x - 5  (x > 1)
f(x) =  x + 2   (-1 <= x <= 1)
        5x + 3  (x < -1)

Version: 0.1
Author: 骆昊
"""

x = float(input('x = '))
if x > 1:
    y = 3 * x - 5
elif x >= -1:
    y = x + 2
else:
    y = 5 * x + 3
print('f(%.2f) = %.2f' % (x, y))

当然根据实际开发的需要，分支结构是可以嵌套的，例如判断是否通关以后还要根据你获得的宝物或者道具的数量对你的表现给出等级（比如点亮两颗或三颗星星），那么我们就需要在if的内部构造出一个新的分支结构，同理elif和else中也可以再构造新的分支，我们称之为嵌套的分支结构，也就是说上面的代码也可以写成下面的样子。

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"""
分段函数求值
		3x - 5	(x > 1)
f(x) =	x + 2	(-1 <= x <= 1)
		5x + 3	(x < -1)

Version: 0.1
Author: 骆昊
"""

x = float(input('x = '))
if x > 1:
    y = 3 * x - 5
else:
    if x >= -1:
        y = x + 2
    else:
        y = 5 * x + 3
print('f(%.2f) = %.2f' % (x, y))

说明： 大家可以自己感受一下这两种写法到底是哪一种更好。在之前我们提到的Python之禅中有这么一句话“Flat is better than nested.”，之所以提倡代码“扁平化”是因为嵌套结构的嵌套层次多了之后会严重的影响代码的可读性，所以能使用扁平化的结构时就不要使用嵌套。

练习

练习1：英制单位与公制单位互换

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"""
英制单位英寸和公制单位厘米互换

Version: 0.1
Author: 骆昊
"""

value = float(input('请输入长度: '))
unit = input('请输入单位: ')
if unit == 'in' or unit == '英寸':
    print('%f英寸 = %f厘米' % (value, value * 2.54))
elif unit == 'cm' or unit == '厘米':
    print('%f厘米 = %f英寸' % (value, value / 2.54))
else:
    print('请输入有效的单位')

练习2：掷骰子决定做什么

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"""
掷骰子决定做什么事情

Version: 0.1
Author: 骆昊
"""

from random import randint

face = randint(1, 6)
if face == 1:
    result = '唱首歌'
elif face == 2:
    result = '跳个舞'
elif face == 3:
    result = '学狗叫'
elif face == 4:
    result = '做俯卧撑'
elif face == 5:
    result = '念绕口令'
else:
    result = '讲冷笑话'
print(result)

说明： 上面的代码中使用了random模块的randint函数生成指定范围的随机数来模拟掷骰子。

练习3：百分制成绩转等级制

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"""
百分制成绩转等级制成绩
90分以上    --> A
80分~89分    --> B
70分~79分	   --> C
60分~69分    --> D
60分以下    --> E

Version: 0.1
Author: 骆昊
"""

score = float(input('请输入成绩: '))
if score >= 90:
    grade = 'A'
elif score >= 80:
    grade = 'B'
elif score >= 70:
    grade = 'C'
elif score >= 60:
    grade = 'D'
else:
    grade = 'E'
print('对应的等级是:', grade)

练习4：输入三条边长如果能构成三角形就计算周长和面积

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"""
判断输入的边长能否构成三角形
如果能则计算出三角形的周长和面积

Version: 0.1
Author: 骆昊
"""

import math

a = float(input('a = '))
b = float(input('b = '))
c = float(input('c = '))
if a + b > c and a + c > b and b + c > a:
    print('周长: %f' % (a + b + c))
    p = (a + b + c) / 2
    area = math.sqrt(p * (p - a) * (p - b) * (p - c))
    print('面积: %f' % (area))
else:
    print('不能构成三角形')

说明： 上面的代码中使用了math模块的sqrt函数来计算平方根。用边长计算三角形面积的公式叫做海伦公式。

练习5：个人所得税计算器。

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"""
输入月收入和五险一金计算个人所得税

Version: 0.1
Author: 骆昊
"""

salary = float(input('本月收入: '))
insurance = float(input('五险一金: '))
diff = salary - insurance - 3500
if diff <= 0:
    rate = 0
    deduction = 0
elif diff < 1500:
    rate = 0.03
    deduction = 0
elif diff < 4500:
    rate = 0.1
    deduction = 105
elif diff < 9000:
    rate = 0.2
    deduction = 555
elif diff < 35000:
    rate = 0.25
    deduction = 1005
elif diff < 55000:
    rate = 0.3
    deduction = 2755
elif diff < 80000:
    rate = 0.35
    deduction = 5505
else:
    rate = 0.45
    deduction = 13505
tax = abs(diff * rate - deduction)
print('个人所得税: ￥%.2f元' % tax)
print('实际到手收入: ￥%.2f元' % (diff + 3500 - tax))

说明： 上面的代码中使用了Python内置的abs()函数取绝对值来处理-0的问题。

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语言元素

指令和程序

计算机的硬件系统通常由五大部件构成，包括：运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。其中，运算器和控制器放在一起就是我们通常所说的中央处理器，它的功能是执行各种运算和控制指令以及处理计算机软件中的数据。我们通常所说的程序实际上就是指令的集合，我们程序就是将一系列的指令按照某种方式组织到一起，然后通过这些指令去控制计算机做我们想让它做的事情。今天我们大多数时候使用的计算机，虽然它们的元器件做工越来越精密，处理能力越来越强大，但究其本质来说仍然属于“冯·诺依曼结构”的计算机。“冯·诺依曼结构”有两个关键点，一是指出要将存储设备与中央处理器分开，二是提出了将数据以二进制方式编码。二进制是一种“逢二进一”的计数法，跟我们人类使用的“逢十进一”的计数法没有实质性的区别，人类因为有十根手指所以使用了十进制（因为在数数时十根手指用完之后就只能进位了，当然凡事都有例外，玛雅人可能是因为长年光着脚的原因把脚趾头也算上了，于是他们使用了二十进制的计数法，在这种计数法的指导下玛雅人的历法就与我们平常使用的历法不一样，而按照玛雅人的历法，2012年是上一个所谓的“太阳纪”的最后一年，而2013年则是新的“太阳纪”的开始，后来这件事情被以讹传讹的方式误传为”2012年是玛雅人预言的世界末日“这种荒诞的说法，今天我们可以大胆的猜测，玛雅文明之所以发展缓慢估计也与使用了二十进制有关）。对于计算机来说，二进制在物理器件上来说是最容易实现的（高电压表示1，低电压表示0），于是在“冯·诺依曼结构”的计算机都使用了二进制。虽然我们并不需要每个程序员都能够使用二进制的思维方式来工作，但是了解二进制以及它与我们生活中的十进制之间的转换关系，以及二进制与八进制和十六进制的转换关系还是有必要的。如果你对这一点不熟悉，可以自行使用维基百科或者百度百科科普一下。

提示：近期关于量子计算机的研究已经被推倒了风口浪尖，量子计算机基于量子力学进行运算，使用量子瞬移的方式来传递信息。2018年6月，Intel宣布开发出新款量子芯片并通过了在接近绝对零度环境下的测试；2019年1月，IBM向全世界发布了首款商业化量子计算机。

变量和类型

在程序设计中，变量是一种存储数据的载体。计算机中的变量是实际存在的数据或者说是存储器中存储数据的一块内存空间，变量的值可以被读取和修改，这是所有计算和控制的基础。计算机能处理的数据有很多种类型，除了数值之外还可以处理文本、图形、音频、视频等各种各样的数据，那么不同的数据就需要定义不同的存储类型。Python中的数据类型很多，而且也允许我们自定义新的数据类型（这一点在后面会讲到），我们先介绍几种常用的数据类型。

  • 整型：Python中可以处理任意大小的整数（Python 2.x中有int和long两种类型的整数，但这种区分对Python来说意义不大，因此在Python 3.x中整数只有int这一种了），而且支持二进制（如0b100，换算成十进制是4）、八进制（如0o100，换算成十进制是64）、十进制（100）和十六进制（0x100，换算成十进制是256）的表示法。
  • 浮点型：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，浮点数除了数学写法（如123.456）之外还支持科学计数法（如1.23456e2）。
  • 字符串型：字符串是以单引号或双引号括起来的任意文本，比如'hello'和"hello",字符串还有原始字符串表示法、字节字符串表示法、Unicode字符串表示法，而且可以书写成多行的形式（用三个单引号或三个双引号开头，三个单引号或三个双引号结尾）。
  • 布尔型：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（例如3 < 5会产生布尔值True，而2 == 1会产生布尔值False）。
  • 复数型：形如3+5j，跟数学上的复数表示一样，唯一不同的是虚部的i换成了j。

变量命名

对于每个变量我们需要给它取一个名字，就如同我们每个人都有属于自己的响亮的名字一样。在Python中，变量命名需要遵循以下这些必须遵守硬性规则和强烈建议遵守的非硬性规则。

  • 硬性规则：
    • 变量名由字母（广义的Unicode字符，不包括特殊字符）、数字和下划线构成，数字不能开头。
    • 大小写敏感（大写的a和小写的A是两个不同的变量）。
    • 不要跟关键字（有特殊含义的单词，后面会讲到）和系统保留字（如函数、模块等的名字）冲突。
  • PEP 8要求：
    • 用小写字母拼写，多个单词用下划线连接。
    • 受保护的实例属性用单个下划线开头（后面会讲到）。
    • 私有的实例属性用两个下划线开头（后面会讲到）。

当然，作为一个专业的程序员，给变量（事实上应该是所有的标识符）命名时做到见名知意也是非常重要的。

变量的使用

下面通过几个例子来说明变量的类型和变量使用。

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"""
使用变量保存数据并进行算术运算

Version: 0.1
Author: 骆昊
"""

a = 321
b = 123
print(a + b)
print(a - b)
print(a * b)
print(a / b)
print(a // b)
print(a % b)
print(a ** b)
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"""
使用input()函数获取键盘输入
使用int()进行类型转换
用占位符格式化输出的字符串

Version: 0.1
Author: 骆昊
"""

a = int(input('a = '))
b = int(input('b = '))
print('%d + %d = %d' % (a, b, a + b))
print('%d - %d = %d' % (a, b, a - b))
print('%d * %d = %d' % (a, b, a * b))
print('%d / %d = %f' % (a, b, a / b))
print('%d // %d = %d' % (a, b, a // b))
print('%d %% %d = %d' % (a, b, a % b))
print('%d ** %d = %d' % (a, b, a ** b))
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"""
使用type()检查变量的类型

Version: 0.1
Author: 骆昊
Date: 2018-02-27
"""

a = 100
b = 12.345
c = 1 + 5j
d = 'hello, world'
e = True
print(type(a))
print(type(b))
print(type(c))
print(type(d))
print(type(e))

在对变量类型进行转换时可以使用Python的内置函数（准确的说下面列出的并不是真正意义上的函数，而是后面我们要讲到的创建对象的构造方法）。

  • int()：将一个数值或字符串转换成整数，可以指定进制。
  • float()：将一个字符串转换成浮点数。
  • str()：将指定的对象转换成字符串形式，可以指定编码。
  • chr()：将整数转换成该编码对应的字符串（一个字符）。
  • ord()：将字符串（一个字符）转换成对应的编码（整数）。

运算符

Python支持多种运算符，下表大致按照优先级从高到低的顺序列出了所有的运算符，我们会陆续使用到它们。

运算符 描述
[] [:] 下标，切片
** 指数
~ + - 按位取反, 正负号
* / % // 乘，除，模，整除
+ - 加，减
>> << 右移，左移
& 按位与
^ | 按位异或，按位或
<= < > >= 小于等于，小于，大于，大于等于
== != 等于，不等于
is is not 身份运算符
in not in 成员运算符
not or and 逻辑运算符
= += -= *= /= %= //= **= &= ` =^=>>=<<=`

说明： 在实际开发中，如果搞不清楚运算符的优先级，可以使用括号来确保运算的执行顺序。

下面的例子演示了运算符的使用。

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"""
运算符的使用

Version: 0.1
Author: 骆昊
"""

a = 5
b = 10
c = 3
d = 4
e = 5
a += b
a -= c
a *= d
a /= e
print("a = ", a)

flag1 = 3 > 2
flag2 = 2 < 1
flag3 = flag1 and flag2
flag4 = flag1 or flag2
flag5 = not flag1
print("flag1 = ", flag1)
print("flag2 = ", flag2)
print("flag3 = ", flag3)
print("flag4 = ", flag4)
print("flag5 = ", flag5)
print(flag1 is True)
print(flag2 is not False)

练习

练习1：华氏温度转摄氏温度。

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"""
将华氏温度转换为摄氏温度
F = 1.8C + 32

Version: 0.1
Author: 骆昊
"""

f = float(input('请输入华氏温度: '))
c = (f - 32) / 1.8
print('%.1f华氏度 = %.1f摄氏度' % (f, c))

练习2：输入圆的半径计算计算周长和面积。

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"""
输入半径计算圆的周长和面积

Version: 0.1
Author: 骆昊
"""

import math

radius = float(input('请输入圆的半径: '))
perimeter = 2 * math.pi * radius
area = math.pi * radius * radius
print('周长: %.2f' % perimeter)
print('面积: %.2f' % area)

练习3：输入年份判断是不是闰年。

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"""
输入年份 如果是闰年输出True 否则输出False

Version: 0.1
Author: 骆昊
"""

year = int(input('请输入年份: '))
# 如果代码太长写成一行不便于阅读 可以使用\或()折行
is_leap = (year % 4 == 0 and year % 100 != 0 or
           year % 400 == 0)
print(is_leap)