01 計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)與Python語(yǔ)言簡(jiǎn)介

計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)與Python簡(jiǎn)介01本章內(nèi)容計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)概述程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言Python概述Python開(kāi)發(fā)環(huán)境的配置庫(kù)的導(dǎo)入與安裝1.1計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)概述計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷程計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)自1946年第一臺(tái)計(jì)算機(jī)誕生以來(lái)，計(jì)算機(jī)技術(shù)先后經(jīng)歷了幾次重大技術(shù)變革，具有鮮明的時(shí)代性。根據(jù)計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的時(shí)代性，將計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷程總結(jié)為4個(gè)階段。1946-1981年，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)階段1982-2007年，網(wǎng)絡(luò)與信息化階段2008-2015年，復(fù)雜信息系統(tǒng)階段2016年至今，全面數(shù)字化階段1.1.1計(jì)算機(jī)發(fā)展歷程馮·諾依曼計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)將計(jì)算機(jī)分成五個(gè)組成部分：控制器、運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備?？刂破鳎河脕?lái)管理和控制計(jì)算機(jī)指令的執(zhí)行，使其按照預(yù)先設(shè)定的步驟完成一系列特定任務(wù)，是計(jì)算機(jī)的神經(jīng)中樞。運(yùn)算器：計(jì)算機(jī)中執(zhí)行各種算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算的器件，能夠暫時(shí)存放計(jì)算的中間結(jié)果。存儲(chǔ)器：用來(lái)存放數(shù)據(jù)和程序的設(shè)備，又分為主存和輔存。輸入設(shè)備：將程序需要的數(shù)據(jù)或信息輸入計(jì)算機(jī)的設(shè)備，如鍵盤(pán)、鼠標(biāo)、攝像頭等。輸出設(shè)備：接收計(jì)算機(jī)的運(yùn)算結(jié)果，并以聲音、圖像、數(shù)字或字符等人們熟悉的形式表現(xiàn)出來(lái)的設(shè)備，如打印器、顯示器和繪圖儀等。在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)中，控制器和運(yùn)算器往往組合在一起做成一個(gè)硬件設(shè)備，就是大家熟知的中央處理器（CPU）。1.1.2計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)1.2程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言概述編譯與解釋程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言是書(shū)寫(xiě)計(jì)算機(jī)程序的語(yǔ)言，它由一組符號(hào)及一組語(yǔ)法規(guī)則構(gòu)成，能夠?qū)崿F(xiàn)人與機(jī)器之間的交互，讓機(jī)器按照人類設(shè)計(jì)好指令自動(dòng)完成各種運(yùn)算。按照編程語(yǔ)言的特性，將程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言分為低級(jí)語(yǔ)言、非面向?qū)ο蟾呒?jí)語(yǔ)言和面向?qū)ο蟾呒?jí)語(yǔ)言三個(gè)階段。低級(jí)語(yǔ)言階段（1946-1953年）：低級(jí)語(yǔ)言主要是機(jī)器語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言。非面向?qū)ο蟮母呒?jí)語(yǔ)言（1954-1982年）：Fortran語(yǔ)言、Algol語(yǔ)言、Basic語(yǔ)言、Pascal語(yǔ)言、C語(yǔ)言等面向?qū)ο蟮母呒?jí)語(yǔ)言（1983年至今）：C++語(yǔ)言、Java、C#、Python、Golang、Rust等1.2.1程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言概述因中央處理器只能理解和執(zhí)行機(jī)器語(yǔ)言指令，用高級(jí)語(yǔ)言編寫(xiě)的程序（又稱為源代碼）必須翻譯成機(jī)器語(yǔ)言（又稱為目標(biāo)代碼）后執(zhí)行。翻譯方式有兩種：編譯和解釋。編譯是將高級(jí)語(yǔ)言編寫(xiě)的代碼轉(zhuǎn)換成獨(dú)立機(jī)器語(yǔ)言代碼的過(guò)程，轉(zhuǎn)換后的機(jī)器語(yǔ)言程序可以隨時(shí)執(zhí)行，執(zhí)行編譯的計(jì)算機(jī)程序稱為編譯器。解釋是將高級(jí)語(yǔ)言編寫(xiě)的源代碼逐條轉(zhuǎn)換成機(jī)器語(yǔ)言的同時(shí)立即運(yùn)行該條指令，然后不斷重復(fù)該過(guò)程執(zhí)行程序中的所有指令。執(zhí)行解釋的計(jì)算機(jī)程序稱為解釋器。1.2.2編譯和解釋解釋和編譯的區(qū)別在于編譯是一次性地翻譯，一旦程序被編譯，不再需要編譯程序或源代碼。解釋則在每次程序運(yùn)行時(shí)都需要解釋器和源代碼。采用編譯方式的優(yōu)點(diǎn)是，對(duì)于相同的源代碼，編譯產(chǎn)生的目標(biāo)代碼執(zhí)行速度比解釋方式更快，并且目標(biāo)代碼不需要編譯器就可以運(yùn)行，在同類操作系統(tǒng)上使用靈活。而采用解釋方式的優(yōu)點(diǎn)是，因?yàn)榻忉寛?zhí)行需要保留源代碼和解釋器，程序糾錯(cuò)和維護(hù)更加方便，并且因?yàn)橛薪忉屍?，源代碼可以在任何操作系統(tǒng)上運(yùn)行，程序的可移植性更好。1.2.2編譯和解釋根據(jù)翻譯方式的不用，高級(jí)語(yǔ)言按照?qǐng)?zhí)行方式可以分為兩類：靜態(tài)語(yǔ)言和腳本語(yǔ)言。靜態(tài)語(yǔ)言采用編譯方式執(zhí)行，如C、C++和Java等腳本語(yǔ)言采用解釋方式執(zhí)行，如Python、JavaScript、PHP等無(wú)論哪種執(zhí)行方式，用戶的使用方式是一致的。1.2.2編譯和解釋1.3Python概述Python的發(fā)展歷程Python的特點(diǎn)Python的應(yīng)用領(lǐng)域Python語(yǔ)言是由荷蘭人GuidovanRossum于1990年設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)的面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)語(yǔ)言。1989年12月，Guido為了打發(fā)無(wú)趣的圣誕節(jié)決心開(kāi)發(fā)一個(gè)新的腳本語(yǔ)言作為ABC語(yǔ)言的繼承。之所以以Python命名，是因?yàn)樗?dāng)時(shí)是英國(guó)喜劇團(tuán)體“MontyPython”的粉絲。1991年，第一個(gè)Python公開(kāi)發(fā)行版誕生。2000年，Python2.0發(fā)布。2008年P(guān)ython3.0發(fā)布。截至2023年2月，最新版本為3.11.2，于2023年2月8日發(fā)布。1.3.1Python的發(fā)展歷程Python是目前最流行且發(fā)展最為迅速的編程語(yǔ)言之一，之所以這么受歡迎，是因?yàn)镻ython具有很多優(yōu)點(diǎn)。簡(jiǎn)單易學(xué)開(kāi)源豐富的庫(kù)可擴(kuò)展性可移植性好雖然Python語(yǔ)言有很多優(yōu)點(diǎn)，相比C、C++和Java等傳統(tǒng)語(yǔ)言，Python運(yùn)行速度稍慢是Python最大的不足。在某些領(lǐng)域，使用優(yōu)化的第三方擴(kuò)展庫(kù)能大幅提升Python語(yǔ)句的執(zhí)行速度。1.3.2Python的特點(diǎn)Python語(yǔ)言的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，幾乎所有的互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)都在使用Python提升運(yùn)營(yíng)效率。網(wǎng)絡(luò)爬蟲(chóng)科學(xué)計(jì)算數(shù)據(jù)科學(xué)與數(shù)據(jù)分析人工智能Web開(kāi)發(fā)自然語(yǔ)言處理游戲開(kāi)發(fā)1.3.3Python的應(yīng)用領(lǐng)域1.4Python開(kāi)發(fā)環(huán)境的配置Python開(kāi)發(fā)環(huán)境的安裝Python代碼編輯與運(yùn)行方式Python程序運(yùn)行實(shí)例安裝Python開(kāi)發(fā)環(huán)境的關(guān)鍵是安裝Python解釋器。Python解釋器的安裝一般有兩種方式安裝Python官網(wǎng)發(fā)行的標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)發(fā)環(huán)境，后續(xù)根據(jù)需求手動(dòng)安裝第三方庫(kù)安裝其它公司開(kāi)發(fā)的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，可一次性的安裝Python標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)和常用的第三方庫(kù)，如Anaconda、PyCharm等。從Python官網(wǎng)下載對(duì)應(yīng)操作系統(tǒng)的安裝包，可直接安裝IDLE環(huán)境。1.4.1Python開(kāi)發(fā)環(huán)境的安裝運(yùn)行Python程序有兩種方式：交互式和文件式。交互式指針對(duì)用戶輸入的每條代碼，Python解釋器立即執(zhí)行并給出執(zhí)行結(jié)果，然后用戶輸入下一條代碼，解釋器再執(zhí)行，以這種交替的方式執(zhí)行完所有的程序。文件式，也稱為批量式，將程序的所有代碼都寫(xiě)入一個(gè)或多個(gè)文件中，然后由Python解釋器批量執(zhí)行所有代碼。交互式適用于程序代碼不多的情形，或者用于調(diào)試程序。文件式的代碼往往有多行，批量執(zhí)行可以節(jié)約人機(jī)交互過(guò)程中的等待時(shí)間。1.4.2Python代碼編輯與運(yùn)行方式交互式有三種啟動(dòng)和運(yùn)行方法第一種方法是，啟動(dòng)Windows操作系統(tǒng)命令行工具（在搜索框里輸入cmd后按回車鍵），在控制臺(tái)中輸入“Python”后回車，出現(xiàn)>>>提示符,則表示啟動(dòng)成功。在提示符后輸入一條代碼：print('北京歡迎你！’)1.4.2Python代碼編輯與運(yùn)行方式交互式有三種啟動(dòng)和運(yùn)行方法第二種方法是，在開(kāi)始菜單中找到如圖1-8所示的Python3.11文件夾，單擊Python3.11(64-bit)，可以打開(kāi)Python編譯器自帶的命令行窗口，命令提示符>>>已經(jīng)出現(xiàn)1.4.2Python代碼編輯與運(yùn)行方式交互式有三種啟動(dòng)和運(yùn)行方法第三種方法是，在開(kāi)始菜單Python3.11文件夾中，單擊IDLE(Python3.1164-bit)，打開(kāi)Python自帶集成開(kāi)發(fā)環(huán)境。1.4.2Python代碼編輯與運(yùn)行方式文件式有兩種運(yùn)行方法，不管那種方法，在運(yùn)行程序之前都必須創(chuàng)建好Python程序文件。第一種方法，使用IDLE。打開(kāi)如圖1-11所示的IDLE界面，點(diǎn)擊左上角的File菜單，選擇NewFile選項(xiàng)。在打開(kāi)的編輯窗口中輸入合法的Python代碼。默認(rèn)文件名為untitled.py，單擊File菜單選擇Save選項(xiàng)，將其保存，文件名為circle.py（假設(shè)保存在D盤(pán)根目錄下）。保存好以后單擊菜單欄中的Run選擇RunModule，或者直接按快捷鍵F5（有的筆記本電腦需要按Fn+F5鍵），則程序文件開(kāi)始運(yùn)行，完成繪制圖形。1.4.2Python代碼編輯與運(yùn)行方式文件式有兩種運(yùn)行方法，不管那種方法，在運(yùn)行程序之前都必須創(chuàng)建好Python程序文件。第二種方法，Windows操作系統(tǒng)命令運(yùn)行程序文件。對(duì)于剛建立并保存在D盤(pán)根目錄的circle.py文件，打開(kāi)操作系統(tǒng)命令行，輸入pythond:\circle.py就可以運(yùn)行該文件。文件式的兩種方式運(yùn)行結(jié)果是一樣的。1.4.2Python代碼編輯與運(yùn)行方式【例1-1】計(jì)算三角形的面積。已知三角形的三條邊a、b、c，根據(jù)三角形面積的計(jì)算公式，交互式執(zhí)行語(yǔ)句的計(jì)算過(guò)程如下。>>>importmath#導(dǎo)入數(shù)學(xué)函數(shù)庫(kù)>>>a=4>>>b=5>>>c=6>>>h=(a+b+c)/2>>>s=math.sqrt(h*(h-a)*(h-b)*(h-c))#sqrt()表示求平方根>>>print(s)9.9215674164922151.4.3Python程序運(yùn)行實(shí)例【例1-1】計(jì)算三角形的面積。已知三角形的三條邊a、b、c，根據(jù)三角形面積的計(jì)算公式，交互式執(zhí)行語(yǔ)句的計(jì)算過(guò)程如下。1.4.3Python程序運(yùn)行實(shí)例12345678#p1-1.pyimportmath#導(dǎo)入數(shù)學(xué)函數(shù)庫(kù)a=4b=5c=6h=(a+b+c)/2s=math.sqrt(h*(h-a)*(h-b)*(h-c))#sqrt()表示求平方根print(s)【例1-2】計(jì)算1-100之間的所有整數(shù)的和。>>>s=0#s存放累加和，初值為0>>>foriinrange(1,101):#range(1,101)產(chǎn)生1-100之間的整數(shù)，并逐個(gè)取出s=s+i#將每個(gè)整數(shù)累加到s中>>>print(s)50501.4.3Python程序運(yùn)行實(shí)例1.5庫(kù)的導(dǎo)入與安裝庫(kù)的導(dǎo)入擴(kuò)展庫(kù)的安裝Python本身內(nèi)置了很多功能強(qiáng)大的庫(kù)，如數(shù)學(xué)函數(shù)math庫(kù)、繪制圖形的turtle庫(kù)等。Python導(dǎo)入庫(kù)或模塊的方式有普通導(dǎo)入和使用from語(yǔ)句導(dǎo)入兩種方式。普通導(dǎo)入：import庫(kù)名[as別名] >>>importmath>>>math.pow(3,4)#計(jì)算3的4次方81.0>>>importmathasm>>>m.exp(3)#計(jì)算自然對(duì)數(shù)e的3次方20.0855369231876681.5.1庫(kù)的導(dǎo)入使用from語(yǔ)句導(dǎo)入：from庫(kù)名import對(duì)象名[as別名]>>>frommathimportgcd#導(dǎo)入mah庫(kù)中的gcd函數(shù)>>>gcd(16,24)#求兩個(gè)數(shù)的最大公約數(shù)8>>>frommathimportsin,cos#同時(shí)導(dǎo)入兩個(gè)函數(shù)>>>sin(1),cos(1)#分別求1的正弦值和余弦值(0.8414709848078965,0.5403023058681398)>>>frommathimportfactorialasf#給函數(shù)起個(gè)別名>>>f(4)#求4！241.5.1庫(kù)的導(dǎo)入使用from語(yǔ)句導(dǎo)入：from庫(kù)名import*>>>frommathimport*>>>pow(2,3),exp(1),sin(0),cos(0)#都不需要加庫(kù)名(8.0,2.718281828459045,0.0,1.0)1.5.1庫(kù)的導(dǎo)入雖然Python提供了很多標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)，但對(duì)很多應(yīng)用來(lái)說(shuō)還是需要安裝一些第三方擴(kuò)展庫(kù)來(lái)拓展它的功能。目前最常用的第三方庫(kù)安裝方式是采用pip工具安裝。pip是Python官方提供并維護(hù)的在線第三方庫(kù)安裝工具，已成為管理Python擴(kuò)展庫(kù)的主流方式。1.5.2擴(kuò)展庫(kù)的安裝pip命令描述pipinstall庫(kù)名安裝指定庫(kù)piplist查看已經(jīng)安裝的第三方庫(kù)pipinstall–-upgrade庫(kù)名升級(jí)指定庫(kù)pipuninstall庫(kù)名卸載已經(jīng)安裝的指定庫(kù)使用pip安裝中文分詞庫(kù)jieba，打開(kāi)Windows操作系統(tǒng)命令行，輸入pipinstalljieba命令并執(zhí)行，網(wǎng)絡(luò)下載安裝包后自動(dòng)安裝，安裝命令及安裝成功后的界面如下圖。1.5.2擴(kuò)展庫(kù)的安裝由于某些第三方庫(kù)只提供源代碼，pip下載文件后無(wú)法在