Python系列（2）- Python 基本概念、内置模块、基础语法
1. 基本概念
模块 (Module)：
在 Python 中，有三种方式创建模块：
(1) 创建一个 Python 文件；
(2) 用 C 语言实现，然后在运行时动态加载，比如常用的正则表达式模块 re；
(3) 内置模块，直接 import；
包 (package)：
包就是多个模块的集合。当项目较大，模块较多时，就可以把模块放在包中，便于管理。
Python 的包有 Regular packages 和 Namespace packages。
Regular packages 指目录下有__init__.py文件，并且允许嵌套，即目录下可以嵌套一个同样是 package 的子目录。Namespace packages 也是有层次结构的模块组织，不过它不必须存在于文件夹，可以存在 Zip、网络上等，且子包与父包也不必存于同一个地方。
Python 提供的内置模块，可以直接使用 import 导入，比如 math、os、sys 等。
库（library）：
严格来说，Python 中没有库 (library) 的概念，模块 (module) 和包 (package) 才是 Python 语法中有的概念。
这个库的概念是从其他编程语言引进来的，库的概念是具有相关功能模块和包的集合，只是一个通俗的说法。
Python 标准库是指在 Python 安装目录的 Lib 目录下的模块和包，它是安装 Python 程序时自带的。第三方库也是 Python 库，一般通过 pip 安装到 site-packages 目录 。
import 语句：
想使用 Python 源文件（模块），只需在另一个源文件（模块）里执行 import 语句，语法如下：
import module
当解释器遇到 import 语句，如果模块在当前的搜索路径就会被导入，搜索路径是一个解释器会先进行搜索的所有目录的列表。
一个模块只会被导入一次，不管执行了多少次 import。
from … import 语句：
使用 from package import item 这种形式的时候，对应的 item 既可以是包里面的子模块（子包），也可以是模块下的函数、类或者变量。
命名：
每个变量都拥有一个名字，这个就是命名，给变量命名。变量命名也是让很多程序员头疼的一件事情，怎么样能起一些有意义，又高大上的名字。在 Python 中，一切皆对象，我们甚至可以给一个函数一个命名，命名就可以理解为所有对象的一个引用的名称。
命名空间：
命名空间就是用来保证命名之间不发生冲突的规则，分为：
(1) 局部命名空间：在一个程序中为每个函数创建的命名空间，当函数执行完毕就失效；
(2) 全局命名空间：在程序中为所有模块创建的命名空间，当程序执行完毕失效；
(3) 内置命名空间：也就是默认的一些命名，退出程序失效；
迭代器 (Iterator)：
迭代器是一个可以记住遍历的位置的对象。迭代器对象从集合的第一个元素开始访问，直到所有的元素被访问完结束。迭代器只能往前不会后退。
Python 中使用迭代器的地方很多，大多数的容器对象都是可迭代对象，如列表、元组、字典、字符串等，均可以使用 for 语句进行迭代循环。
生成器 (Generator)：
生成器 (Generator) 是 Python 中用来生成迭代器 Iterator 的一种特殊函数。
生成器是 Python 中实现迭代器的一种高效且优雅的方法，它利用 yield 关键字来简化迭代过程，并带来内存效率和代码可读性的双重提升。
装饰器 (decorator):
装饰器（decorators）是 Python 中的一种高级功能，它允许你动态地修改函数或类的行为。
装饰器是一种函数，它接受一个函数作为参数，并返回一个新的函数或修改原来的函数。
装饰器的语法使用 @decorator_name 来应用在函数或方法上。
2. 内置模块（包）
1) os 模块
os 模块提供操作系统相关联的函数。
示例，进入 Python 交互模式：
>>> import os
>>> os.getcwd() # 返回当前的工作目录
'C:\\'
>>> os.chdir('/temp') # 修改当前的工作目录
>>> os.system('mkdir today') # 执行系统命令 mkdir
0
建议使用 "import os" 风格而非 "from os import *"。这样可以保证随操作系统不同而有所变化的 os.open() 不会覆盖内置函数 open()。
2) sys 模块
sys 是 system 的缩写，可以用来获取操作系统和编译器的一些配置，设置及操作。
示例：
>>> import sys
>>> s = sys.stdin.read()
Hello world
^Z # Windows 下 Python 交互模式，^Z 表示同时按下 Ctrl + z 键，然后按回车键，Linux 下使用 Ctrl + d 键
>>> s
'Hello world'
3) time 模块
time 模块提供了处理时间的函数，例如获取当前时间、格式化日期和时间、计时等。
示例：
>>> import time
>>> t = time.ctime()
>>> t
'Wed Aug 28 17:12:19 2022'
4) datetime 模块
datetime 模块为日期和时间处理同时提供了简单和复杂的方法。
支持日期和时间算法的同时，实现的重点放在更有效的处理和格式化输出。
示例：
>>> from datetime import date
>>> now = date.today()
>>> now
datetime.date(2022, 10, 24)
>>> now.strftime("%Y-%m-%d is a %A on the %d day of %B.")
'2022-10-24 is a Monday on the 24 day of October.'
>>> d1 = date(1980, 1, 1)
>>> age = now - d1
>>> age.days
15637
5) random 模块
random 模块提供了生成随机数的函数，例如生成随机整数、浮点数、序列等。
示例：
>>> import random
>>> a = random.randint(1, 10)
>>> a
7
6) math 模块
math 模块是内置模块，包含许多对浮点数的数学运算函数。math 模块下的函数，返回值均为浮点数，除非另有明确说明。如果需要计算复数，请使用 cmath 模块中的同名函数。
示例：
>>> import math
>>> dir(math)
['__doc__', '__loader__', '__name__', '__package__', '__spec__', 'acos',
'acosh', 'asin', 'asinh', 'atan', 'atan2', 'atanh', 'ceil', 'comb', 'copysign', 'cos', 'cosh',
'degrees', 'dist', 'e', 'erf', 'erfc', 'exp', 'expm1', 'fabs', 'factorial', 'floor', 'fmod',
'frexp', 'fsum', 'gamma', 'gcd', 'hypot', 'inf', 'isclose', 'isfinite', 'isinf', 'isnan', 'isqrt',
'ldexp', 'lgamma', 'log', 'log10', 'log1p', 'log2', 'modf', 'nan', 'perm', 'pi', 'pow',
'prod', 'radians', 'remainder', 'sin', 'sinh', 'sqrt', 'tan', 'tanh', 'tau', 'trunc']
7) re 模块
re 模块为高级字符串处理提供了正则表达式工具。对于复杂的匹配和处理，正则表达式提供了简洁、优化的解决方案:
>>> import re
>>> re.findall(r'\bg[a-z]*', 'good morning, go home, get up')
['good', 'go', 'get']
>>> re.sub(r'(\b[a-z]+) \1', r'\1', 'have a nice nice day')
'have a nice day'
如果只需要简单的功能，应该首先考虑字符串方法，因为它们非常简单，易于阅读和调试:
>>> 'go up'.replace('go', 'get')
'get up'
8) json 模块
json 模块提供了对JSON数据的编码和解码功能。
示例：
>>> import json
>>> str = '{"name": "python", "age": 10}'
>>> obj = json.loads(str)
>>> obj['name']
'python'
9) zlib 模块
以下模块直接支持通用的数据打包和压缩格式：zlib，gzip，bz2，zipfile，以及 tarfile。
>>> import zlib
>>> s = b'witch which has which witches wrist watch'
>>> len(s)
41
>>> t = zlib.compress(s)
>>> len(t)
37
>>> zlib.decompress(t)
b'witch which has which witches wrist watch'
>>> zlib.crc32(s)
226805979
10) timeit 模块
Python 提供了一个性能度量工具 timeit，可以度量不同方法之间的性能差异。
例如，使用元组封装和拆封来交换元素相比使用传统的方法，timeit 证明了元组方法更快一些。
>>> from timeit import Timer
>>> Timer('t=a; a=b; b=t', 'a=1; b=2').timeit()
0.0191244000000097
>>> Timer('a,b = b,a', 'a=1; b=2').timeit()
0.015919700000040393
相对于 timeit 的细粒度，:mod:profile 和 pstats 模块提供了针对更大代码块的时间度量工具。
11) 内置函数
Python3 内置函数：
abs() dict() help() min() setattr()
all() dir() hex() next() slice()
any() divmod() id() object() sorted()
ascii() enumerate() input() oct() staticmethod()
bin() eval() int() open() str()
bool() exec() isinstance() ord() sum()
bytearray() filter() issubclass() pow() super()
bytes() float() iter() print() tuple()
callable() format() len() property() type()
chr() frozenset() list() range() vars()
classmethod() getattr() locals() repr() zip()
compile() globals() map() reversed() __import__()
complex() hasattr() max() round() reload()
delattr() hash() memoryview() set()
示例：
>>> print("Hello world!")
Hello world!
3. 基础语法
Python 是一种解释型的脚本编程语言，这样的编程语言一般支持两种代码运行方式：
(1) 交互式编程: 在命令行窗口中直接输入代码，按下回车键就可以运行代码，并立即看到输出结果；执行完一行代码，你还可以继续输入下一行代码，再次回车并查看结果……整个过程就好像我们在和计算机对话，所以称为交互式编程。
(2) 编写源文件: 创建一个源文件，将所有代码放在源文件中，让解释器逐行读取并执行源文件中的代码，直到文件末尾，也就是批量执行代码。这是最常见的编程方式，也是我们要重点学习的。
1) Hello World 程序
(1) 交互式
Python 交互式编程环境，第一种方法是在命令行工具或者终端（Terminal）窗口中输入 python 命令，看到 >>> 提示符就可以开始输入代码，这里以 Windows 终端为例，如下所示：
D:\>python
Python 3.8.1 (tags/v3.8.1:1b293b6, Dec 18 2019, 23:11:46) [MSC v.1916 64 bit (AMD64)] on win32
Type "help", "copyright", "credits" or "license" for more information.
>>> print("Hello world!")
Hello world!
>>>
第二种方法是打开 Python 自带的 IDLE 工具，具体操作与第一种方法类似。
(2) 编写源文件
内容如下：
#!/usr/bin/python3 # 注释1 # 注释2 ''' 注释3 注释4 ''' """ 注释5 注释6 """ print("Hello world!")
保存为 D:\hello.py, 打开 cmd 命令窗口，进入 D:\
D:\> python hello.py
Hello World
在 Sublime Text 里运行:
使用 Sublime Text 打开 D:\hello.py 文件，在菜单栏中依次找到 “Tools -> Build System”，然后选择“Python”。然后按 "Ctrl+B" 组合键或者选择 Tools 菜单中的 “Build” 选项，就可以运行 Python 程序。运行结果为：
Hello World!
[Finished in 1.0s]
2) 编码
默认情况下，Python 3 源码文件以 UTF-8 编码，所有字符串都是 unicode 字符串。 当然你也可以为源码文件指定不同的编码：
# -*- coding: cp-1252 -*-
上述定义允许在源文件中使用 Windows-1252 字符集中的字符编码，对应适合语言为保加利亚语、白罗斯语、马其顿语、俄语、塞尔维亚语。
3) 标识符
在 Python 3 中，可以用中文作为变量名，非 ASCII 标识符也是允许的了。标识符的命名规则：
(1) 第一个字符必须是字母表中字母或下划线 _ ；
(2) 标识符的其他的部分由字母、数字和下划线组成；
(3) 标识符对大小写敏感；
4) python 保留字
保留字即关键字，不能把它们用作任何标识符名称。Python 的标准库提供了一个 keyword 模块，可以输出当前版本的所有关键字，进入交互模式输入如下代码：
>>> import keyword
>>> keyword.kwlist
5) 注释
Python 单行注释以 # 开头，多行注释可以用多个 # 号，还有 ''' 和 """。
6) 行与缩进
Python 使用缩进来表示代码块，不需要使用大括号 {} 。
缩进的空格数是可变的，但是同一个代码块的语句必须包含相同的缩进空格数。实例如下：
if True:
print ("True")
else:
print ("False")
以下代码最后一行语句缩进数的空格数不一致，会导致运行错误：
if True:
print ("Answer")
print ("True")
else:
print ("Answer")
print ("False") # 缩进不一致，会导致运行错误
执行后会出现类似以下错误：
File "test.py", line 6
print ("False") # 缩进不一致，会导致运行错误
IndentationError: unindent does not match any outer indentation level
7) 多行语句
Python 通常是一行写完一条语句，但如果语句很长，我们可以使用反斜杠 \ 来实现多行语句，例如：
total = item_one + \
item_two + \
item_three
在 [], {}, 或 () 中的多行语句，不需要使用反斜杠 \，例如：
total = ['item_one', 'item_two', 'item_three',
'item_four', 'item_five']
8) 空行
函数之间或类的方法之间用空行分隔，表示一段新的代码的开始。类和函数入口之间也用一行空行分隔，以突出函数入口的开始。
空行与代码缩进不同，空行并不是 Python 语法的一部分。书写时不插入空行，Python 解释器运行也不会出错。但是空行的作用在于分隔两段不同功能或含义的代码，便于日后代码的维护或重构。
注：空行也是程序代码的一部分。
9) 等待用户输入
执行下面的程序在按回车键后就会等待用户输入：
#!/usr/bin/python3
input("\n\n按下 enter 键后退出。")
以上代码中 ，\n\n 在结果输出前会输出两个新的空行。一旦用户按下 enter 键时，程序将退出。
10) 同一行多条语句
Python 可以在同一行中使用多条语句，语句之间使用分号 ; 分割，以下是一个简单的实例：
#!/usr/bin/python3
import sys; x = 'test'; sys.stdout.write(x + '\n')
11) 多个语句构成代码组
缩进相同的一组语句构成一个代码块，我们称之代码组。
if、while、def 和 class 这样的复合语句，首行以关键字开始，以冒号( : )结束，该行之后的一行或多行代码构成代码组。
将首行及后面的代码组称为一个子句 (clause)。
示例：
if condition :
语句
elif condition :
语句
else :
语句
12) print 输出
print 默认输出是换行的，如果要实现不换行需要在变量末尾加上 end=""。
#!/usr/bin/python3 x="a" y="b" # 换行输出 print( x ) print( y ) print('---------') # 不换行输出 print( x, end=" " ) print( y, end=" " ) print()
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