Python入门：基础数据结构与函数

# 1. Python简介与安装

## 1.1 Python的历史与特点

Python是一种高级编程语言，由Guido van Rossum于1989年圣诞节期间创造。Python的设计具有简洁、易读易写的特点，非常适合新手学习编程。它被广泛用于Web开发、科学计算、人工智能等领域。Python的主要特点包括：

- 易读易写：使用简洁而清晰的语法，使得代码易读易懂。
- 高级语言：提供了许多高级的数据结构和内置函数，能够快速实现复杂的功能。
- 可移植性：Python可以在几乎所有的操作系统中运行，包括Windows、Linux、MacOS等。

Python的历史可以追溯到上世纪80年代末和90年代初，在此期间，Guido von Rossum就开始着手开发Python。Python语言的设计和开发强调代码的可读性和简洁的语法，常常被形象地称为“优美的语言”。

## 1.2 安装Python环境

要在计算机中使用Python，首先需要安装Python的解释器。目前有两个版本的Python：Python 2和Python 3。由于Python 2于2020年停止更新，新手应该选择Python 3。

安装Python的常用方法是从官方网站 [python.org](https://www.python.org) 下载安装程序，根据操作系统的不同选择对应的安装包进行安装。安装完成后，可以在命令行中输入`python`来验证安装是否成功。

# 2. 基本数据类型与变量

#### 2.1 数字类型
数字类型是Python中最基本的数据类型之一，用于表示数值。Python中常见的数字类型有整数（int），浮点数（float）和复数（complex）。

##### 2.1.1 整数类型
在Python中，整数类型用于表示没有小数部分的数值。可以进行加（+）、减（-）、乘（\*）、除（/）等基本的数学运算。

# 整数类型的示例代码
num1 = 10
num2 = 5
sum = num1 + num2 # 加法运算
difference = num1 - num2 # 减法运算
product = num1 * num2 # 乘法运算
quotient = num1 / num2 # 除法运算

print("和：", sum)
print("差：", difference)
print("积：", product)
print("商：", quotient)

运行结果：

和： 15
差： 5
积： 50
商： 2.0

##### 2.1.2 浮点数类型
浮点数类型用于表示带有小数部分的数值。同样可以进行加、减、乘、除等运算。

# 浮点数类型的示例代码
num1 = 3.14
num2 = 2.718

sum = num1 + num2
difference = num1 - num2
product = num1 * num2
quotient = num1 / num2

print("和：", sum)
print("差：", difference)
print("积：", product)
print("商：", quotient)

运行结果：

和： 5.858
差： 0.4220000000000002
积： 8.53352
商： 1.157893530880167

##### 2.1.3 复数类型
复数类型用于表示具有实部和虚部的数值。

# 复数类型的示例代码
num1 = 1 + 2j
num2 = 3 + 4j

sum = num1 + num2
difference = num1 - num2
product = num1 * num2
quotient = num1 / num2

print("和：", sum)
print("差：", difference)
print("积：", product)
print("商：", quotient)

运行结果：

和： (4+6j)
差： (-2-2j)
积： (-5+10j)
商： (0.44+0.08j)

#### 2.2 字符串类型
字符串类型用于表示一串字符。在Python中，字符串需要使用单引号或双引号进行包裹。

# 字符串类型的示例代码
str1 = 'Hello'
str2 = "World"

concatenated_str = str1 + " " + str2
print(concatenated_str)

repeated_str = str1 * 3
print(repeated_str)

运行结果：

Hello World
HelloHelloHello

#### 2.3 列表类型
列表类型用于存储一组有序的元素。可以通过索引访问和修改列表中的元素，也可以通过一些特定的方法对列表进行操作。

# 列表类型的示例代码
fruits = ['apple', 'banana', 'orange']

# 访问列表元素
print(fruits[0]) # 输出 'apple'

# 修改列表元素
fruits[1] = 'grape'
print(fruits) # 输出 ['apple', 'grape', 'orange']

# 添加元素到列表末尾
fruits.append('pear')
print(fruits) # 输出 ['apple', 'grape', 'orange', 'pear']

# 删除列表中的元素
del fruits[2]
print(fruits) # 输出 ['apple', 'grape', 'pear']

运行结果：

apple
['apple', 'grape', 'orange']
['apple', 'grape', 'orange', 'pear']
['apple', 'grape', 'pear']

#### 2.4 元组类型
元组类型与列表类型类似，用于存储一组有序的元素。与列表不同的是，元组的元素不能被修改。

# 元组类型的示例代码
fruits = ('apple', 'banana', 'orange')

# 访问元组元素
print(fruits[0]) # 输出 'apple'

# 尝试修改元组元素（会报错）
fruits[1] = 'grape'

运行结果：

apple
TypeError: 'tuple' object does not support item assignment

#### 2.5 集合类型
集合类型用于存储一组互不相同的元素。可以对集合进行交、并、差等操作。

# 集合类型的示例代码
fruits = {'apple', 'banana', 'orange'}

# 添加元素到集合
fruits.add('pear')
print(fruits) # 输出 {'apple', 'banana', 'orange', 'pear'}

# 从集合中移除元素
fruits.remove('banana')
print(fruits) # 输出 {'apple', 'orange'}

# 集合的交、并、差操作
fruits1 = {'apple', 'banana', 'orange'}
fruits2 = {'banana', 'pear'}
intersection = fruits1.intersection(fruits2) # 交集
union = fruits1.union(fruits2) # 并集
difference = fruits1.difference(fruits2) # 差集

print("交集：", intersection)
print("并集：", union)
print("差集：", difference)

运行结果：

{'apple', 'banana', 'orange', 'pear'}
{'apple', 'orange'}
交集： {'banana'}
并集： {'pear', 'banana', 'apple', 'orange'}
差集： {'orange', 'apple'}

#### 2.6 字典类型
字典类型用于存储键值对的数据。通过键来访问字典中的值。

# 字典类型的示例代码
person = {'name': 'Alice', 'age': 25, 'city': 'New York'}

# 访问字典中的值
print(person['name']) # 输出 'Alice'

# 修改字典中的值
person['age'] = 30
print(person) # 输出 {'name': 'Alice', 'age': 30, 'city': 'New York'}

# 添加键值对到字典
person['gender'] = 'female'
print(person) # 输出 {'name': 'Alice', 'age': 30, 'city': 'New York', 'gender': 'female'}

# 删除字典中的键值对
del person['city']
print(person) # 输出 {'name': 'Alice', 'age': 30, 'gender': 'female'}

运行结果：

Alice
{'name': 'Alice', 'age': 30, 'city': 'New York'}
{'name': 'Alice', 'age': 30, 'city': 'New York', 'gender': 'female'}
{'name': 'Alice', 'age': 30, 'gender': 'female'}

#### 2.7 变量的定义与使用
变量用于临时存储数据，并可以通过变量名来访问和修改数据。在Python中，变量不需要预先声明，可以直接赋值使用。

# 变量的定义与使用示例代码
name = 'Alice'
age = 25

print("姓名：", name)
print("年龄：", age)

# 修改变量的值
name = 'Bob'
age = 30

print("姓名：", name)
print("年龄：", age)

运行结果：

姓名： Alice
年龄： 25
姓名： Bob
年龄： 30

在本章节中，我们介绍了Python中基本的数据类型，包括数字类型、字符串类型、列表类型、元组类型、集合类型和字典类型。我们还讲解了如何定义和使用变量。在下一章节中，我们将学习Python中的条件语句。

# 3. 条件与循环

条件与循环是编程中非常重要的概念，它们可以帮助我们实现程序中的逻辑判断和重复执行。本章将介绍条件语句、循环语句和循环控制语句的基本用法和实际场景应用。

#### 3.1 条件语句

条件语句用于根据不同的条件执行不同的代码块，最常见的形式是 if...elif...else 结构。

# 示例：使用条件语句判断成绩等级
score = 85
if score >= 90:
    print("成绩优秀")
elif score >= 80:
    print("成绩良好")
elif score >= 60:
    print("成绩及格")
else:
    print("不及格")

代码说明：
- 首先定义了一个变量 score，表示学生成绩。
- 然后使用 if...elif...else 结构判断了不同的成绩段，并输出相应的结果。

#### 3.2 循环语句

循环语句用于重复执行特定的代码块，Python中常见的循环有 for 循环和 while 循环。

##### 3.2.1 for 循环

for 循环可以遍历一个序列（如列表、元组、字符串）中的每个元素，并在每次迭代时执行相应的代码。

# 示例：使用 for 循环遍历列表
fruits = ["apple", "banana", "cherry"]
for fruit in fruits:
    print(fruit)

代码说明：
- 首先定义了一个名为 fruits 的列表。
- 然后使用 for 循环遍历了该列表中的每个元素，并分别输出了每个水果的名称。

##### 3.2.2 while 循环

while 循环在条件为真的情况下重复执行特定的代码块，直到条件变为假为止。

# 示例：使用 while 循环计算1到100的整数和
sum = 0
i = 1
while i <= 100:
    sum += i
    i += 1
print("1到100的整数和为：", sum)

代码说明：
- 首先定义了两个变量 sum 和 i，分别用于累加和控制循环次数。
- 然后使用 while 循环计算了1到100的整数和，并输出了结果。

#### 3.3 循环控制语句

循环控制语句用于在循环中控制程序的执行流程，其中包括 break、continue 和 pass 三种常见的控制语句。

##### 3.3.1 break 语句

break 语句用于跳出当前所在的最近循环，终止循环的继续执行。

# 示例：使用 break 语句寻找列表中的特定元素
fruits = ["apple", "banana", "cherry"]
for fruit in fruits:
    if fruit == "banana":
        print("找到了香蕉！")
        break

代码说明：
- 遍历列表 fruits 中的元素，当找到香蕉时使用 break 语句跳出循环。

##### 3.3.2 continue 语句

continue 语句用于跳过当前循环中的剩余代码，直接进入下一次循环的条件判断。

# 示例：使用 continue 语句打印除了某个元素之外的其他元素
fruits = ["apple", "banana", "cherry"]
for fruit in fruits:
    if fruit == "banana":
        continue
    print(fruit)

代码说明：
- 遍历列表 fruits 中的元素，当遇到香蕉时使用 continue 语句跳过该次循环，直接打印其他水果。

##### 3.3.3 pass 语句

pass 语句表示一个空的语句块，通常用作占位符，保持程序结构的完整性。

# 示例：使用 pass 语句作为占位符
for i in range(5):
    if i == 2:
        pass  # 这里暂时不做任何操作，保持程序结构完整
    else:
        print(i)

代码说明：
- 遍历了 0 到 4 的整数，并对每个整数进行条件判断。当 i 等于 2 时，使用 pass 语句作为占位符保持程序结构完整。

以上就是条件与循环章节的详细内容。条件语句、循环语句和循环控制语句是编程中非常常用和重要的部分，掌握好它们的用法对于编写高效的程序至关重要。

# 4. 函数的定义与使用

本章将介绍函数的定义与使用，包括函数的基本概念、函数的定义与调用以及函数的参数与返回值。函数是一种将代码逻辑封装起来，可重复使用的代码块，可以提高程序的可读性和可维护性。

##### 4.1 函数的基本概念

函数通常由函数名、参数和返回值组成。函数名用于调用函数，参数是函数用于接收外部数据的变量，返回值是函数执行后的结果。函数可以接收多个参数，也可以没有返回值。通过使用函数，我们可以将程序分解成多个更小的、可复用的部分。

##### 4.2 函数的定义与调用

函数的定义使用`def`关键字，后跟函数名、参数列表和冒号。函数体由缩进的代码块组成。调用函数时，只需使用函数名和对应的参数即可。

下面是一个简单的示例，演示了如何定义一个函数并调用它：

def greet(name):
    print("Hello, " + name + "!")

greet("Alice")
greet("Bob")

**代码说明：**
- `def greet(name):`定义了一个名为`greet`的函数，它接受一个参数`name`。
- `print("Hello, " + name + "!")`是函数的实际代码，打印出包含参数`name`的问候语。
- `greet("Alice")`和`greet("Bob")`是对函数的两次调用，分别传递了不同的参数。

执行以上代码，将输出以下结果：

Hello, Alice!
Hello, Bob!

##### 4.3 函数的参数与返回值

函数可以接收多个参数，参数之间使用逗号分隔。调用函数时，按照参数列表的顺序提供参数。函数可以有返回值，使用`return`语句表示返回结果。

下面是一个示例，演示了一个带有多个参数和返回值的函数：

def calculate_sum(a, b):
    total = a + b
    return total

result = calculate_sum(3, 5)
print("Sum:", result)

**代码说明：**
- `def calculate_sum(a, b):`定义了一个名为`calculate_sum`的函数，它接受两个参数`a`和`b`。
- `total = a + b`将两个参数相加，结果保存在变量`total`中。
- `return total`使用`return`语句将结果返回给函数调用者。
- `result = calculate_sum(3, 5)`调用函数，并将返回值赋值给变量`result`。
- `print("Sum:", result)`输出结果。

执行以上代码，将输出以下结果：

Sum: 8

本章介绍了函数的基本概念、定义与调用以及参数与返回值的使用。函数是编程中非常重要的概念，合理地使用函数可以提高程序的效率和可维护性。在后续章节中，我们将继续学习函数的高级用法和相关概念。

# 5. 模块与包

### 5.1 模块的概念与使用

Python中的模块是一组包含函数、类等定义的代码的文件。通过将相关的代码放在一个模块中，可以提高代码的可维护性和复用性。在使用模块之前，需要通过`import`语句将模块导入到当前的代码环境中。

下面是一个使用模块的示例：

import math

radius = 5
area = math.pi * radius ** 2
print("圆的面积为：", area)

在上述代码中，我们使用了`math`模块，该模块包含了许多数学相关的函数和常量。通过导入该模块，我们可以直接使用其提供的函数和常量。在这个例子中，我们计算了一个半径为5的圆的面积，并将结果打印出来。

### 5.2 标准库与第三方库的导入

Python中有许多已经内置的模块，这些模块通常被称为标准库。通过导入标准库中的模块，我们可以使用这些模块提供的功能。

另外，还有许多由其他开发者编写的扩展模块，称为第三方库。这些库可以通过安装包管理工具如pip来获取，并且可以在程序中导入并使用。

下面是一个使用标准库和第三方库的示例：

import random
from datetime import datetime
from bs4 import BeautifulSoup

# 使用random模块生成一个随机数
number = random.randint(1, 10)
print("生成的随机数是：", number)

# 使用datetime模块获取当前时间
current_time = datetime.now()
print("当前时间是：", current_time)

# 使用BeautifulSoup模块解析HTML文档
html_doc = "<html><body><h1>标题</h1></body></html>"
soup = BeautifulSoup(html_doc, 'html.parser')
title = soup.h1.string
print("HTML文档的标题是：", title)

在上述代码中，我们分别导入了`random`、`datetime`和`BeautifulSoup`模块，并使用了它们提供的功能。`random`模块用来生成随机数，`datetime`模块用来获取当前时间，`BeautifulSoup`模块用来解析HTML文档。

### 5.3 自定义模块与包的使用

除了使用标准库和第三方库，我们还可以自定义模块来组织和管理代码。一个模块可以包含多个函数、类等定义，并且可以被其他模块导入和使用。

在Python中，将多个相关的模块组织在一起形成一个包。包是一种特殊的模块，它可以包含多个子模块和子包，并且可以有一个特殊的`__init__.py`文件。

下面是一个使用自定义模块和包的示例：

# mymodule.py
def add(a, b):
    return a + b

def multiply(a, b):
    return a * b

# main.py
import mymodule

sum_result = mymodule.add(2, 3)
print("两数之和：", sum_result)

product_result = mymodule.multiply(2, 3)
print("两数之积：", product_result)

在上述代码中，我们定义了一个名为`mymodule`的模块，其中包含了`add`和`multiply`两个函数。然后在`main.py`中，我们导入了`mymodule`模块，并使用了其中的函数。

总结：模块和包是Python中组织和管理代码的重要机制。通过导入标准库、第三方库和自定义模块，我们可以方便地使用各种功能。良好的模块划分和包管理可以提高代码的可读性和可维护性。

# 6. 文件的读写操作

在本章中，我们将讨论Python中文件的读写操作。我们会学习如何打开和关闭文件、读取和写入文件内容，以及文件操作的高级技巧和异常处理。

#### 6.1 打开与关闭文件

在Python中，可以使用`open()`函数来打开一个文件。`open()`函数接受文件名和打开模式作为参数，打开模式包括：
- "r": 读取模式
- "w": 写入模式
- "a": 追加模式
- "b": 二进制模式
- "t": 文本模式（默认）

# 以读取模式打开文件
file = open("example.txt", "r")

# 以写入模式打开文件
file = open("example.txt", "w")

# 在使用完文件后，要记得关闭文件
file.close()

#### 6.2 读取文件内容

一旦文件被打开，便可以使用`read()`、`readline()`或`readlines()`方法来读取文件内容。

# 使用read()方法读取整个文件内容
file = open("example.txt", "r")
content = file.read()
print(content)
file.close()

# 使用readline()方法逐行读取文件内容
file = open("example.txt", "r")
line = file.readline()
while line:
    print(line)
    line = file.readline()
file.close()

# 使用readlines()方法按行读取文件内容到列表中
file = open("example.txt", "r")
lines = file.readlines()
for line in lines:
    print(line)
file.close()

#### 6.3 写入文件内容

除了读取文件内容，还可以使用`write()`方法向文件中写入内容。

# 使用write()方法向文件中写入内容
file = open("example.txt", "w")
file.write("Hello, World!")
file.close()

#### 6.4 文件的异常处理

在文件操作中，可能会出现各种异常情况，因此需要进行异常处理，以确保程序的稳定性。

# 使用try-except-finally进行文件操作的异常处理
try:
    file = open("example.txt", "r")
    content = file.read()
    print(content)
except FileNotFoundError:
    print("File not found")
finally:
    file.close()

#### 6.5 文件操作的高级技巧

Python还提供了一些高级的文件操作技巧，比如使用`with`语句管理文件的上下文，自动调用`close()`方法，避免忘记关闭文件。

# 使用with语句管理文件的上下文
with open("example.txt", "r") as file:
    content = file.read()
    print(content)