【基础】初识Python：基本语法与编程环境

# 2.1 Python变量和数据类型

### 2.1.1 变量定义和赋值

在Python中，变量用于存储数据。变量的定义使用`=`赋值号，变量名遵循Python标识符命名规则。

# 定义变量并赋值
name = "John Doe"
age = 30

变量名可以包含字母、数字和下划线，但不能以数字开头。变量名对大小写敏感。

### 2.1.2 常用数据类型和转换方式

Python支持多种数据类型，包括：

* **整数 (int)**：整数，如 10, -20
* **浮点数 (float)**：浮点数，如 3.14, -5.2
* **字符串 (str)**：字符串，如 "Hello World", 'Python'
* **布尔值 (bool)**：布尔值，如 True, False
* **列表 (list)**：有序的元素集合，如 [1, 2, 3, "a"]
* **元组 (tuple)**：不可变的有序元素集合，如 (1, 2, 3, "a")
* **字典 (dict)**：键值对集合，如 {"name": "John Doe", "age": 30}

数据类型转换可以通过内置函数实现，如`int()`、`float()`、`str()`。

# 2. Python编程技巧

### 2.1 Python变量和数据类型

#### 2.1.1 变量定义和赋值

Python中变量定义使用`=`赋值运算符，变量名可以包含字母、数字和下划线，但不能以数字开头。变量赋值后，变量名将指向该值在内存中的地址。

# 定义变量并赋值
name = "John Doe"
age = 30

#### 2.1.2 常用数据类型和转换方式

Python支持多种数据类型，包括：

| 数据类型 | 描述 | 转换方式 |
|---|---|---|
| 整数 | 整数 | `int()` |
| 浮点数 | 小数 | `float()` |
| 字符串 | 文本 | `str()` |
| 布尔值 | True或False | `bool()` |
| 列表 | 有序集合 | `list()` |
| 元组 | 不可变有序集合 | `tuple()` |
| 字典 | 键值对集合 | `dict()` |

数据类型转换可以通过相应的内置函数实现。例如：

# 将字符串转换为整数
number = int("123")

# 将整数转换为浮点数
pi = float(3.14)

### 2.2 Python流程控制

#### 2.2.1 条件语句

Python使用`if`、`elif`和`else`语句进行条件判断。

# 检查是否大于18岁
if age > 18:
    print("成年人")
elif age >= 13:
    print("青少年")
else:
    print("儿童")

#### 2.2.2 循环语句

Python支持`for`和`while`循环语句。

# 遍历列表
for item in [1, 2, 3]:
    print(item)

# 执行循环直到满足条件
while age < 18:
    age += 1

#### 2.2.3 函数和参数传递

Python函数可以接受参数并返回值。参数传递方式有：

* **按位置传递：**函数调用时，参数的顺序与函数定义时的参数顺序一致。
* **按关键字传递：**函数调用时，参数名称与函数定义时的参数名称一致。

# 定义函数并按位置传递参数
def sum(a, b):
    return a + b

# 按关键字传递参数
sum(b=2, a=1)

### 2.3 Python调试和优化

#### 2.3.1 常见问题及解决方式

Python调试常见问题包括：

* **语法错误：**代码中存在语法错误，无法编译。
* **运行时错误：**代码执行时出现错误，例如除零错误。
* **逻辑错误：**代码逻辑不正确，导致错误的结果。

解决方法包括：

* **使用调试器：**使用`pdb`调试器逐行执行代码，检查变量值和错误信息。
* **打印输出：**在代码中添加`print()`语句，输出中间结果，帮助定位错误。
* **使用断言：**使用`assert`语句检查条件，如果条件不满足，则引发错误。

#### 2.3.2 性能优化方法

优化Python代码性能的方法包括：

* **使用适当的数据结构：**选择适合任务的数据结构，例如使用列表而不是元组进行可变集合。
* **避免不必要的复制：**尽量避免创建不必要的变量或对象副本。
* **使用缓存：**将经常使用的结果存储在缓存中，避免重复计算。
* **使用并行处理：**利用多核CPU并行执行任务。

# 3. Python实践应用

### 3.1 Python文件操作

#### 3.1.1 文件的读写操作

**文件读写操作**

Python提供了丰富的文件操作函数，可以方便地对文件进行读写操作。

**打开文件**

f = open("test.txt", "w")  # 以写入模式打开文件
f = open("test.txt", "r")  # 以读取模式打开文件

**参数说明：**

* filename：要打开的文件名
* mode：打开模式，可以是 "r"（读取）、"w"（写入）、"a"（追加）等

**读写文件**

f.write("Hello world!")  # 写入文件
data = f.read()  # 读取文件

**参数说明：**

* data：要写入或读取的数据

**关闭文件**

f.close()  # 关闭文件

#### 3.1.2 文件的权限和属性

**文件权限**

Python提供了os模块来操作文件的权限。

import os

os.chmod("test.txt", 0o755)  # 设置文件权限为 755

**参数说明：**

* filename：要设置权限的文件名
* mode：权限模式，以八进制表示

**文件属性**

Python提供了stat模块来获取文件的属性。

import stat

st = os.stat("test.txt")
print(st.st_size)  # 获取文件大小
print(st.st_mtime)  # 获取文件修改时间

**参数说明：**

* filename：要获取属性的文件名
* st：文件属性对象

### 3.2 Python网络编程

#### 3.2.1 常用的网络编程命令和函数

Python提供了socket模块进行网络编程。

**创建套接字**

import socket

s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)  # 创建一个 TCP 套接字

**参数说明：**

* family：套接字类型，一般为 socket.AF_INET（IPv4）或 socket.AF_INET6（IPv6）
* type：套接字协议，一般为 socket.SOCK_STREAM（TCP）或 socket.SOCK_DGRAM（UDP）

**绑定套接字**

s.bind(("127.0.0.1", 8000))  # 将套接字绑定到指定的 IP 地址和端口

**参数说明：**

* addr：要绑定的地址和端口，元组形式

**监听套接字**

s.listen(5)  # 开始监听套接字，最多允许 5 个连接排队

**参数说明：**

* backlog：允许排队的最大连接数

#### 3.2.2 Socket编程实例

**服务器端**

import socket

# 创建套接字
s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)

# 绑定套接字
s.bind(("127.0.0.1", 8000))

# 监听套接字
s.listen(5)

# 接受连接
conn, addr = s.accept()

# 接收数据
data = conn.recv(1024)

# 发送数据
conn.send(b"Hello world!")

# 关闭连接
conn.close()

**客户端**

import socket

# 创建套接字
s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)

# 连接到服务器
s.connect(("127.0.0.1", 8000))

# 发送数据
s.send(b"Hello server!")

# 接收数据
data = s.recv(1024)

# 关闭连接
s.close()

### 3.3 Python系统管理

#### 3.3.1 系统信息的获取和监控

**获取系统信息**

Python提供了platform模块获取系统信息。

import platform

print(platform.system())  # 获取系统类型
print(platform.release())  # 获取系统版本
print(platform.machine())  # 获取机器类型

**参数说明：**

* 无

**监控系统资源**

Python提供了psutil模块监控系统资源。

import psutil

print(psutil.cpu_percent())  # 获取 CPU 使用率
print(psutil.virtual_memory().percent)  # 获取内存使用率
print(psutil.disk_usage("/").percent)  # 获取磁盘使用率

**参数说明：**

* path：要获取使用率的磁盘路径

#### 3.3.2 进程管理和资源限制

**进程管理**

Python提供了multiprocessing模块进行进程管理。

import multiprocessing

# 创建进程
p = multiprocessing.Process(target=func, args=(args,))

# 启动进程
p.start()

# 等待进程结束
p.join()

**参数说明：**

* target：要执行的函数
* args：要传递给函数的参数

**资源限制**

Python提供了resource模块设置进程的资源限制。

import resource

# 设置最大内存使用量
resource.setrlimit(resource.RLIMIT_AS, (1024 * 1024 * 1024, 1024 * 1024 * 1024))

# 设置最大 CPU 时间
resource.setrlimit(resource.RLIMIT_CPU, (10, 10))

**参数说明：**

* resource：资源类型，如 resource.RLIMIT_AS（内存）或 resource.RLIMIT_CPU（CPU 时间）
* limits：资源限制，元组形式，第一个元素为软限制，第二个元素为硬限制

# 4. Python进阶应用

### 4.1 Python正则表达式

#### 4.1.1 正则表达式的基本语法和元字符

正则表达式是一种强大的文本匹配工具，它使用模式来匹配字符串中的特定模式。Python中使用`re`模块来处理正则表达式。

基本语法：

import re

pattern = r"模式"
match = re.search(pattern, string)

元字符：

| 元字符 | 描述 |
|---|---|
| `.` | 匹配任何单个字符 |
| `*` | 匹配前面的字符零次或多次 |
| `+` | 匹配前面的字符一次或多次 |
| `?` | 匹配前面的字符零次或一次 |
| `^` | 匹配字符串的开头 |
| `$` | 匹配字符串的结尾 |
| `[]` | 匹配方括号内的任何一个字符 |
| `()` | 分组 |

#### 4.1.2 正则表达式的进阶应用

正则表达式的高级应用包括：

* **贪婪匹配和非贪婪匹配：**`*`、`+`、`?`默认使用贪婪匹配，即尽可能多地匹配字符。使用`*?`、`+?`、`??`可以进行非贪婪匹配。
* **分组和反向引用：**使用`()`分组可以捕获匹配的子字符串，并使用`\n`（其中n为组号）进行反向引用。
* **条件模式：**使用`|`可以匹配多个模式中的任何一个。
* **替换和分割：**`re.sub`函数可以替换匹配的子字符串，`re.split`函数可以根据模式分割字符串。

### 4.2 Python数据库编程

#### 4.2.1 数据库的连接和操作

Python可以使用`pymysql`或`psycopg2`等库连接和操作数据库。

连接数据库：

import pymysql

db = pymysql.connect(host="localhost", user="root", password="password", database="database_name")

执行SQL语句：

cursor = db.cursor()
cursor.execute("SELECT * FROM table_name")
results = cursor.fetchall()

#### 4.2.2 SQL语句的执行和结果处理

SQL语句包括：

* **SELECT：**查询数据
* **INSERT：**插入数据
* **UPDATE：**更新数据
* **DELETE：**删除数据

结果处理：

* `cursor.fetchall()：`获取所有查询结果
* `cursor.fetchone()：`获取第一行查询结果
* `cursor.rowcount：`获取受影响的行数

### 4.3 Python GUI编程

#### 4.3.1 常见的GUI工具和库

Python GUI编程可以使用`Tkinter`或`PyQt`等库。

* **Tkinter：**Python标准库中的GUI工具，简单易用。
* **PyQt：**跨平台GUI库，功能强大，但需要单独安装。

#### 4.3.2 实现图形化界面的示例

使用Tkinter实现一个简单的GUI界面：

import tkinter as tk

root = tk.Tk()
root.title("Python GUI")

label = tk.Label(root, text="Hello World!")
label.pack()

root.mainloop()

此代码创建一个带有"Hello World!"标签的窗口。

# 5. Python进阶应用

### 5.1 Python正则表达式

#### 5.1.1 正则表达式的基本语法和元字符

正则表达式是一种用于匹配字符串模式的强大工具。它使用一系列特殊字符和元字符来定义匹配规则。以下是一些常用的元字符：

- `.`：匹配任何单个字符。
- `*`：匹配前面的字符零次或多次。
- `+`：匹配前面的字符一次或多次。
- `?`：匹配前面的字符零次或一次。
- `^`：匹配字符串的开头。
- `$`：匹配字符串的结尾。
- `[]`：匹配方括号内的任何一个字符。
- `()`：将表达式分组。

例如，正则表达式 `^[a-zA-Z0-9_]+$` 匹配由字母、数字或下划线组成的字符串，且必须以字母开头和结尾。

#### 5.1.2 正则表达式的应用

正则表达式在各种应用中都有广泛的应用，包括：

- 文本搜索和替换
- 数据验证
- 数据提取
- 字符串处理

例如，我们可以使用正则表达式从日志文件中提取 IP 地址：

import re

pattern = r"\b\d{1,3}\.\d{1,3}\.\d{1,3}\.\d{1,3}\b"

with open("logfile.txt", "r") as f:
    for line in f:
        match = re.search(pattern, line)
        if match:
            print(match.group())

### 5.2 Python数据库编程

#### 5.2.1 数据库的连接和操作

Python 提供了多种库来连接和操作数据库，其中最常用的库是 `sqlite3` 和 `psycopg2`。

使用 `sqlite3` 连接到 SQLite 数据库：

import sqlite3

conn = sqlite3.connect("mydb.db")
c = conn.cursor()

使用 `psycopg2` 连接到 PostgreSQL 数据库：

import psycopg2

conn = psycopg2.connect(
    host="localhost",
    port=5432,
    database="mydb",
    user="postgres",
    password="mypassword",
)
c = conn.cursor()

#### 5.2.2 SQL语句的执行和结果处理

连接到数据库后，我们可以使用 `execute()` 方法执行 SQL 语句：

c.execute("SELECT * FROM users")

执行查询后，我们可以使用 `fetchall()` 方法获取所有结果行：

results = c.fetchall()

结果行存储在一个元组列表中，每个元组代表一行数据。我们可以通过索引访问元组中的列值：

for row in results:
    print(row[0], row[1], row[2])