內容簡介

Python是一門簡單易學、功能強大的編程語言，它內建了高效的數據結構，能夠用簡單而又高效的方式編程。它優雅的語法和動態的類型，再結合它的解釋性，使其成為在大多數平臺下編寫腳本或開發應用程序的理想語言。

本書系統而全面地介紹了Python語言的全部內容，既能為初學者夯實基礎，又適合程序員提升技能。考慮到近幾年數據挖掘技術和網絡編程技術的發展，本書加入了Python語言在科學計算、網絡編程、并發技術和數據可視化方面的內容。與一般的Python語言教材相比，本書增加了許多實際案例的應用，可以讓讀者更好地將Python基礎知識應用到實際工作中。書中的每道例題，均以屏幕截圖的方式原滋原味地給出運行結果，便于讀者分析程序。

 

本書可作為高等院校各專業的Python語言教材，亦可作為軟件開發人員的參考資料，還可作為讀者自學Python語言的參考書。

前    言

　　根據TIOBE網站的最新排名，Python已超越C#，與Java、C、C++一起，成為全球前四大流行語言。IEEE發布的2017年編程語言排行榜則將Python排在榜首。

　　Python也是美國大學選用最多的語言，著名的哈佛大學、麻省理工學院、加州大學伯克利分校、卡耐基·梅隆大學等，已將Python語言作為計算機專業和非計算機專業的入門語言。Python崇尚簡、短、精、小，其應用幾乎無限制，各方面地位超然。Python在軟件質量控制、提升開發效率/可移植性、組件集成、豐富的庫支持等方面，均處于先進地位。更重要的是，Python簡單易學、免費開源、可移植、可擴展、可嵌入。此外，Python還支持面向對象，而且它的面向對象甚至比Java和C#.NET更徹底。

　　Python是高“性價比”的語言。它合理地結合了高性能與低成本(代碼量小、維護成本低、編程效率高)的特色，致力于用最簡潔、最簡短的代碼完成任務。

　　完成同樣的業務邏輯時，在其他編程語言中可能需要編寫大量的代碼，而在Python中只需要調用內建函數或內建對象的方法即可實現，甚至可以直接調用第三方擴展庫來完成。一般情況下，Python的代碼量僅僅是Java的1/5，足見Python編程的高效。

　　Python是應用“無限制”的語言。它被廣泛應用于后端開發、游戲開發、網站開發、科學計算、大數據分析、云計算、圖形開發等領域。美國中央情報局CIA網站、世界上最大的視頻網站YouTube、國內最大的問答社區“知乎”等，都是用Python開發的，搜狐、金山、騰訊、盛大、網易、百度、阿里、淘寶、土豆、新浪、果殼等著名的IT公司都在使用Python完成各種各樣的任務。

　　Python是一種代表“簡單主義”思想的語言。它的設計哲學是優雅、明確、簡單。閱讀一個良好的Python程序，感覺就像是在閱讀英語，盡管這個英語的要求非常嚴格！Python的這種偽代碼本質，是它最大的優點之一。

　　Python是“高層次”的語言。它內建優異的數據結構，很容易表達各種常見的數據結構，不再需要定義指針、分配內存，編程也簡單了許多，也無須考慮程序對內存的使用等底層細節，把許多機器層面上的細節隱藏起來，凸顯出邏輯層面的編程思考。

　　Python是免費、開源、跨平臺的高級動態編程語言。它支持命令式編程、函數式編程，全面支持面向對象編程；它語法簡潔、清晰，擁有功能豐富而強大的標準庫和大量的第三方擴展庫；它使用戶能夠專注于解決問題，而不是去搞明白語言本身，這是它開發效率高的根本原因。

　　由此可見，用“出類拔萃”來形容Python并不為過。Python以如此眾多的優勢，吸引著無數程序員投身于其中。網上的一句流行語頗耐人尋味：“人生苦短，我用Python”。

　　在國外，“Python熱”正在逐步升溫，涉及方方面面的領域；在國內，越來越多的大學已將Python列入本科生的必修課程或選修課程，越來越多的IT企業將開發語言瞄向了Python。可以預見的是，國內的“Python熱”即將掀起，本書的出版迎合了這一趨勢。

　　本書的內容組織說明如下。

　　為了拓展應用范圍，充分利用現有資源，對于Python程序員而言，熟練運用第三方擴展庫是非常重要的。使用成熟的擴展庫，可以幫助我們快速地實現業務邏輯，達到事半功倍的效果。但是，第三方擴展庫的理解和運用，無疑要建立在對Python基礎知識和基本數據結構熟練掌握的基礎上。因此，本書兼顧“基礎”與“應用”兩個方面，前6章把重點放在基礎上，通過大量的經典例題，講解Python語言的核心內容；后6章則把重點放在應用上，通過大量的案例，介紹Python在實際開發中的應用。關于不同應用領域的第三方擴展庫，讀者可以參考附錄B，并結合自己的專業領域查閱相關文檔。

　　本書共分12章，主要內容組織如下。

　　第1章：Python程序設計入門。介紹什么是Python，學習Python的原因，Python的發展歷史，多種平臺下Python環境的搭建，使用集成開發環境IDLE來幫助學習Python，Python常用的開發工具，最后給出本書的第一個Python程序。

　　第2章：Python語言基礎。講解Python的語法和句法，Python的數據類型，Python的常量與變量，Python的運算符與優先級，Python的數值類型，Python的字符串類型，Python的高級數據類型(列表、元組、字典、集合)，最后介紹正則表達式及其應用。

　　第3章：Python流程控制。講解if語句和for語句的基本格式、執行規則、嵌套用法，range()函數在循環中的使用方法，while語句的基本格式、執行規則、嵌套用法，最后介紹break、continue、pass等關鍵字在循環中的使用方法。

　　第4章：函數模塊。講解Python代碼編寫規范和風格，函數的定義與調用，函數參數的傳遞，Python變量作用域，函數與遞歸，迭代器與生成器，Python自定義模塊，輸入輸出語句的基本格式及執行規則，匿名函數的定義與使用。

　　第5章：文件與異常處理。介紹文件和文件對象，講解基于os模塊的文件操作方法，基于shutil模塊的文件操作方法，文本文件、CSV文件、Excel文件的基本操作，HTML、XML文檔的基本操作，最后介紹Python的異常處理機制及Python程序的調試方法。

　　第6章：面向對象編程。介紹面向對象技術，講解類與對象的定義和使用，類的屬性與方法，類的作用域與命名空間，類的單繼承和多繼承，最后以數個典型實例講解面向對象程序設計的應用。

　　第7章：數據庫編程。講解數據庫技術基礎，SQLite和MySQL數據庫的數據類型、基本操作，使用Python操作SQLite和MySQL數據庫的方法。

　　第8章：Web開發。講解Web應用的工作方式，MVC設計模式，CGI通用網關接口，使用模板快速生成Web頁面。

　　第9章：使用Python進行數據分析。講解使用Python進行數據挖掘的原因，介紹NumPy庫、SciPy庫、Matplotlib庫和Pandas庫，最后通過數理統計中的數據離散度分析和數據挖掘中的離群點分析等典型案例，介紹Python在數據可視化方面的應用。

　　第10章：GUI編程和用戶界面。講解GUI界面的概念，Tkinter模塊及其各種組件，網格布局管理器，最后介紹GUI編程。

　　第11章：多進程與多線程。介紹多進程與多線程的概念，講解多進程與多線程的區別，進程間通信技術，進程池，最后介紹thread鎖。

　　第12章：網絡編程。講解計算機網絡基礎知識，Socket通信技術，urllib庫及其使用，端口掃描器，最后以一個簡單的網絡爬蟲為例，對前幾章的知識進行綜合應用。

　　　本書最大的特點是內容緊湊、案例豐富、學以致用；程序輸出原滋原味，既有正確輸出的結果，又有錯誤輸出的提示，讓讀者既能從“正”的方面學到經驗，又能從“負”的方面吸取教訓，使經驗與教訓兼而得之。全書總體內容按照先基礎、后應用的順序安排。前6章為基礎篇，其內容循序漸進；后6章為應用篇，其內容自成體系；每個知識點按照先講解知識、后給出案例的順序編寫；每個軟件都配有安裝過程截圖，每道例題都配有運行結果截圖，一目了然。

　　本書作者具有近30年的程序設計教學經驗，講授過多門編程語言課程，并編寫過大量的應用程序，青年時期曾參加過市級講課大賽并取得優異成績，特別是在美國訪學期間，用Python語言開發過較大規模的軟件。在內容的組織和安排上，本書結合了作者多年教學與科研中積累的經驗，并巧妙地將其糅合到相應的章節中。

　　本書以目前流行的Python 3為基礎，適當兼顧Python 2.x，既講解Python的基礎知識，又適當介紹Python在各個方面的應用，因而，可以滿足不同層次讀者的需要。

　　本書可以作為高等院校計算機或非計算機專業程序設計語言公共課或選修課教材，基礎教學建議選取前6章內容，推薦36學時；“基礎+應用”教學建議按“6+n”方式選取教學內容，后面6章可根據專業需要擇其一二，或全部選用，推薦42~64學時。建議采用邊講邊練的教學模式。本書可以作為具有一定Python基礎的讀者進一步學習的資料，可供參加各類計算機考試的人員學習和參考，也可以作為從事數據分析、網絡運維、數據庫開發、Web開發、界面設計、軟件開發等工作的工程師的參考資料。對于打算利用業余時間快樂地學習一門編程語言并編寫一些小程序來自我娛樂的讀者，本書是首選的學習資料。本書亦適合對編程有著濃厚興趣的中小學生作為課外閱讀資料。

　　本書由天津工業大學楊連賀、董禹龍、房超主編，該校畢璐琪、梁潤宇及天津市電子計算機研究所楊陽、湖南應用技術學院彭進香為副主編。限于作者的經驗和水平，書中的錯誤與不足之處在所難免，希望得到專家和讀者的批評指正。

　　本書編寫過程中，天津工業大學計算機科學與軟件學院碩士研究生張海潮和焦翠姣在程序調試方面做了很多工作，在此一并向她們表示衷心的感謝。

　　

　　作   者        

 

　　2018年5月于天津工業大學

目    錄

 

第1章  Python程序設計入門 1

1.1  Python概述 2

1.1.1  什么是Python 2

1.1.2  為什么學Python 4

1.1.3  Python的發展 5

1.2  Python開發環境的搭建 6

1.2.1  Windows下Python開發環境的搭建 6

1.2.2  Linux下Python開發環境的搭建 8

1.2.3  使用IDLE來幫助學習Python 10

1.2.4  Python常用的開發工具 14

1.2.5  “Hello world!”——第一個Python程序 16

本章小結 16

習題 17

第2章  Python語言基礎 19

2.1  基礎Python語法 20

2.1.1  標識符 20

2.1.2  Python語法和句法 21

2.2  數值 22

2.2.1  數據類型 22

2.2.2  常量與變量 25

2.2.3  運算符與優先級 26

2.3  字符串 29

2.4  列表與序列 38

2.5  元組 42

2.6  字典 45

2.7  集合 49

2.8  正則表達式 54

2.8.1  基本元素 55

2.8.2  正則表達式的操作舉例 57

2.8.3  正則表達式測試工具 59

2.8.4  正則表達式的在線測試 63

本章小結 64

習題 64

第3章  Python流程控制 67

3.1  if語句 68

3.1.1  if語句 68

3.1.2  if-else語句 70

3.1.3  if-elif-else語句 70

3.1.4  三元運算符 71

3.1.5  比較操作符 72

3.1.6  if嵌套 73

3.2  for循環 74

3.2.1  for循環的基本結構 75

3.2.2  for循環嵌套 77

3.2.3  for循環中使用else分支 78

3.2.4  列表解析 79

3.3  range()函數 80

3.4  while循環 83

3.4.1  while循環基本結構 83

3.4.2  while循環嵌套 85

3.4.3  while循環中使用else分支 85

3.4.4  break和continue語句在循環中的使用 86

3.4.5  pass在循環中的使用 87

3.4.6  end在循環中的使用 88

3.5  案例實訓：輸出所有和為某個正整數的連續正數序列 88

本章小結 90

習題 90

第4章  函數模塊 93

4.1  Python代碼編寫規范 94

4.1.1  Python代碼風格 95

4.1.2  例子說明 96

4.2  自建模塊 97

4.2.1  定義一個函數 98

4.2.2  函數調用 99

4.2.3  按引用傳遞參數 100

4.2.4  參數類型 100

4.2.5  return語句 102

4.2.6  變量的作用域 103

4.2.7  函數與遞歸 104

4.2.8  迭代器與生成器 108

4.2.9  自定義模塊 110

4.3  標準模塊 112

4.3.1  內建函數 112

4.3.2  讀取鍵盤輸入 113

4.3.3  輸出到屏幕 113

4.3.4  內建模塊 115

4.4  巧用lambda表達式 119

4.5  Python工具箱 120

4.6  案例實訓：“哥德巴赫猜想”的驗證 123

4.7  本章小結 124

習題 124

第5章  文件與異常處理 127

5.1  文件的基本操作 128

5.1.1  打開文件 128

5.1.2  關閉文件 130

5.1.3  在文本文件中讀取數據 130

5.1.4  創建文本文件 131

5.1.5  向文本文件中添加數據 131

5.1.6  文件指針 131

5.1.7  截斷文件 132

5.1.8  復制、刪除、移動、重命名文件 133

5.2  指定目錄下的文件操作 134

5.2.1  獲取當前目錄 134

5.2.2  獲取當前目錄下的內容 135

5.2.3  創建、刪除目錄 135

5.3  CSV文件 136

5.3.1  讀CSV文件 136

5.3.2  寫CSV文件 137

5.4  Excel文件 138

5.4.1  使用xlrd讀Excel文件 138

5.4.2  使用xlwt寫Excel文件 139

5.4.3  使用xlutils修改Excel文件 141

5.5  HTML文件 142

5.5.1  Beautiful Soup安裝 142

5.5.2  創建Beautiful Soup對象 142

5.5.3  解析HTML文件 144

5.6  XML文件 146

5.6.1  解析XML文件 146

5.6.2  創建XML文件 148

5.7  異常處理 149

5.7.1  異常 149

5.7.2  try、else、finally語句 151

5.7.3  觸發異常和自定義異常 152

5.7.4  使用sys模塊返回異常 153

5.8  使用pdb模塊調試程序 153

5.8.1  常用的pdb函數 154

5.8.2  pdb調試命令 156

5.9  案例實訓：文本文件的操作與異常處理 157

本章小結 160

習題 160

第6章  面向對象編程 163

6.1  類的定義與使用 165

6.1.1  類的定義 165

6.1.2  類屬性與方法 166

6.1.3  關于Python的作用域和命名空間 170

6.2  Python類與對象 173

6.2.1  類對象 173

6.2.2  類的屬性 174

6.2.3  實例屬性 176

6.2.4  一些說明 177

6.3  繼承 178

6.3.1  單繼承 178

6.3.2  多繼承 179

6.3.3  補充 181

6.3.4  isinstance函數 184

6.3.5  super()函數 185

6.4  案例實訓：Python面向對象編程案例演練 186

本章小結 201

習題 201

第7章  數據庫編程 205

7.1  數據庫技術基礎 206

7.1.1  數據庫的基本概念 206

7.1.2  數據庫的類型 207

7.2  SQLite數據庫 208

7.2.1  SQLite數據庫的下載和安裝 208

7.2.2  SQLite數據類型 209

7.2.3  創建SQLite數據庫 210

7.2.4  SQLite的基本操作 210

7.2.5  使用Python操作SQLite數據庫 214

7.3  MySQL數據庫 216

7.3.1  MySQL數據庫的下載和安裝 216

7.3.2  MySQL數據類型 220

7.3.3  MySQL的基本操作 222

7.3.4  使用Python操作MySQL數據庫 230

7.4  案例實訓：管理信息系統的數據操作 232

本章小結 235

第8章  Web開發 237

8.1  將程序放在Web上運行 238

8.1.1  Web應用的工作方式 238

8.1.2  為Web應用創建一個UI 239

8.2  使用MVC設計Web應用 241

8.3  使用CGI將程序運行在服務器上 242

8.4  案例實訓：Web頁面獲取表格內容并顯示 248

本章小結 251

習題 251

第9章  使用Python進行數據分析 253

9.1  數據挖掘簡介 254

9.2  為什么選擇Python進行數據挖掘 255

9.3  Python的主要數據分析工具 255

9.3.1  NumPy庫 255

9.3.2  SciPy庫 258

9.3.3  Matplotlib庫 261

9.3.4  Pandas庫 263

9.4  案例實訓 268

9.4.1  利用Python分析數據的基本情況——缺失值分析與數據離散度分析 268

9.4.2  使用箱形圖檢測異常值——離群點挖掘 270

本章小結 272

習題 272

第10章  GUI編程和用戶界面 275

10.1  Tkinter模塊 276

10.1.1  創建Windows窗體 277

10.1.2  標簽組件Label 279

10.1.3  按鈕組件Button 282

10.1.4  消息框組件Messagebox 285

10.1.5  只讀文本框Entry 287

10.1.6  單選按鈕組件Radiobutton 289

10.1.7  復選框組件Checkbutton 290

10.1.8  文本框組件Text 292

10.1.9  列表框組件Listbox 293

10.1.10  菜單組件Menu 295

10.1.11  滑動條組件Scale 297

10.2  網格布局管理器 298

10.2.1  網格 299

10.2.2  sticky屬性 301

10.2.3  向列表框添加垂直滾動條 302

10.2.4  設計窗體布局 303

10.3  GUI編程 304

10.3.1  將TUI程序轉換成GUI程序 304

10.3.2  面向對象編程 305

10.4  案例實訓：設計一個查看文件目錄的程序 307

本章小結 310

習題 310

第11章  多進程與多線程 313

11.1  多進程與多線程 314

11.1.1  為何需要多進程(或多線程)/為何需要并發 314

11.1.2  多進程與多線程的區別 314

11.2  多進程編程 316

11.2.1  進程的概念 316

11.2.2  進程的特征 316

11.2.3  進程的狀態 317

11.3  Multiprocessing 318

11.3.1  創建進程Process模塊 318

11.3.2  守護進程Daemon 320

11.3.3  進程間通信技術Queue和Pipe 321

11.3.4  使用進程池pool 324

11.4  多線程編程 328

11.4.1  Thread對象 328

11.4.2  thread鎖 330

11.5  案例實訓：捉迷藏游戲設計 331

本章小結 332

習題 333

第12章  網絡編程 335

12.1  計算機網絡基礎知識 336

12.2  socket通信技術 339

12.2.1  什么是socket 339

12.2.2  連接過程 339

12.2.3  socket模塊 339

12.2.4  socket函數 340

12.2.5  socket編程思路 342

12.3  編寫一個端口掃描器 344

12.4  簡單網絡爬蟲的實現 345

12.4.1  什么是網絡爬蟲 346

12.4.2  瀏覽網頁的過程 346

12.4.3  urllib庫 347

12.5  案例實訓：設計獲取網站熱點要聞的網絡爬蟲程序 350

本章小結 357

習題 357

附錄A  Python關鍵字 359

附錄B  其他常用功能 363

參考文獻 365