Python教程
3.0
2025-02-20
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第1章 Python 编程基础
1.1 编程语言是什么
其实，程序指的就是一系列指令，用来告诉计算机做什么，而编写程序的关键在于，我们需要用计算机可以理
解的语言来提供这些指令。
虽然借助 Siri（Apple）、Google Now（Android）、Cortana（Microsoft）等技术，我们可以使用汉语直
接告诉计算机做什么，比如“Siri，打开酷狗音乐”，但使用过这些系统的读者都知道，它尚未完全成熟，再加
上我们语言充满了模糊和不精确因素，使得设计一个完全理解人类语言的计算机程序，仍然是一个有待解决的
问题。
为了有效避开所有影响给计算机传递指令的因素，计算机科学家设计了一些符号，这些符号各有其含义，且之
间无二义性，通常称它们为编程语言。编程语言中的每个结构，都有固定的使用格式（称为语法）以及精确的
含义（称为语义）。换句话说，编程语言指定了成套的规则，用来编写计算机可以理解的指令。习惯上，我们
将这一条条指令称为计算机代码，而用编程语言来编写算法的过程称为编码。
本教程要讲解的 Python 就是一种编程语言，除此之外，你肯定也听说过其他一些编程语言，如 C、C++、
Java、Ruby 等。至今，计算机科学家已经开发了成百上千种编程语言，且随着时间演变，这些编程语言又产生
了多个不同的版本。但无论是哪个编程语言，也无论有多少个版本，虽然它们在细节上可能有所不同，无疑它
们都有着固定的、无二义性的语法和语义。
以上提到的编程语言，都是高级计算机语言，设计它们的目的是为了方便程序员理解和使用。但严格来说，计
算机硬件只能理解一种非常低级的编程语言，称为机器语言。
比如说，让计算机对 2 个数做求和操作，那么 CPU 可能要执行以下指令：
1. 将位于内存空间位置在 2001 的数加载到 CPU 中；
2. 再将位于内存空间位置在 2002 的数也加载到 CPU 中；
3. 在 CPU 中，对这 2 个数做求和操作；
4. 将结果存储在位置为 2003 的内存空间。
可以看到，对 2 个数执行求和操作需要做这么多工作，且这还只是笼统地描述，实际会更加复杂。
而使用 Python 这样的高级语言，对 2 个数求和可以很自然地用 c = a + b 表示，但由此带来的问题是，我们
需要设计一种方法，将高级语言翻译成计算机可以执行的机器语言，有两种方法可以实现，分别是使用编译器
和解释器。
使用编译器将自身等效转换成机器语言的高级语言，通常称为编译型语言；而使用解释器将自身转换成机器语
言的高级语言，称为解释型语言，Python 就是解释型编程语言的一种。
关于编译型语言和解释型语言的含义和区别，后续章节会进行详细介绍。
1.2 编译型语言和解释型语言的区别
我们编写的源代码是人类语言，我们自己能够轻松理解；但是对于计算机硬件（CPU），源代码就是天书，根
本无法执行，计算机只能识别某些特定的二进制指令，在程序真正运行之前必须将源代码转换成二进制指令。
所谓的二进制指令，也就是机器码，是 CPU 能够识别的硬件层面的“代码”，简陋的硬件（比如古老的单片机）
只能使用几十个指令，强大的硬件（PC 和智能手机）能使用成百上千个指令。
然而，究竟在什么时候将源代码转换成二进制指令呢？不同的编程语言有不同的规定：
• 有的编程语言要求必须提前将所有源代码一次性转换成二进制指令，也就是生成一个可执行程序（Windows 下
的 .exe），比如 C语言、C++、Golang、Pascal（Delphi）、汇编等，这种编程语言称为编译型语言，使用
的转换工具称为编译器。
• 有的编程语言可以一边执行一边转换，需要哪些源代码就转换哪些源代码，不会生成可执行程序，比如 Python、
JavaScript、PHP、Shell、MATLAB 等，这种编程语言称为解释型语言，使用的转换工具称为解释器。
简单理解，编译器就是一个“翻译工具”，类似于将中文翻译成英文、将英文翻译成俄文。但是，翻译源代码
是一个复杂的过程，大致包括词法分析、语法分析、语义分析、性能优化、生成可执行文件等五个步骤，期间
涉及到复杂的算法和硬件架构。解释器与此类似，有兴趣的读者请参考《编译原理》一书，本文不再赘述。
Java 和 C# 是一种比较奇葩的存在，它们是半编译半解释型的语言，源代码需要先转换成一种中间文件（字
节码文件），然后再将中间文件拿到虚拟机中执行。Java 引领了这种风潮，它的初衷是在跨平台的同时兼顾执
行效率；C# 是后来的跟随者，但是 C# 一直止步于 Windows 平台，在其它平台鲜有作为。
图 1 编译型语言和解释型语言的执行流程
那么，编译型语言和解释型语言各有什么特点呢？它们之间有什么区别？
编译型语言
对于编译型语言，开发完成以后需要将所有的源代码都转换成可执行程序，比如 Windows 下的.exe 文件，可
执行程序里面包含的就是机器码。只要我们拥有可执行程序，就可以随时运行，不用再重新编译了，也就是
“一次编译，无限次运行”。
在运行的时候，我们只需要编译生成的可执行程序，不再需要源代码和编译器了，所以说编译型语言可以脱离
开发环境运行。
编译型语言一般是不能跨平台的，也就是不能在不同的操作系统之间随意切换。
编译型语言不能跨平台表现在两个方面：
1) 可执行程序不能跨平台
可执行程序不能跨平台很容易理解，因为不同操作系统对可执行文件的内部结构有着截然不同的要求，彼此之
间也不能兼容。不能跨平台是天经地义，能跨平台反而才是奇葩。
比如，不能将 Windows 下的可执行程序拿到 Linux 下使用，也不能将 Linux 下的可执行程序拿到 Mac OS 下
使用（虽然它们都是类 Unix 系统）。
另外，相同操作系统的不同版本之间也不一定兼容，比如不能将 x64 程序（Windows 64 位程序）拿到 x86 平
台（Windows 32 位平台）下运行。但是反之一般可行，因为 64 位 Windows 对 32 位程序作了很好的兼容性
处理。
2) 源代码不能跨平台
不同平台支持的函数、类型、变量等都可能不同，基于某个平台编写的源代码一般不能拿到另一个平台下编译。
我们以 C语言为例来说明。
【实例 1】在 C语言中要想让程序暂停可以使用“睡眠”函数，在 Windows 平台下该函数是 Sleep()，在
Linux 平台下该函数是 sleep()，首字母大小写不同。其次，Sleep() 的参数是毫秒，sleep() 的参数是秒，单位
也不一样。
以上两个原因导致使用暂停功能的 C语言程序不能跨平台，除非在代码层面做出兼容性处理，非常麻烦。
【实例 2】虽然不同平台的 C语言都支持 long 类型，但是不同平台的 long 的长度却不同，例如，Windows
64 位平台下的 long 占用 4 个字节，Linux 64 位平台下的 long 占用 8 个字节。
我们在 Linux 64 位平台下编写代码时，将 0x2f1e4ad23 赋值给 long 类型的变量是完全没有问题的，但是这
样的赋值在 Windows 平台下就会导致数值溢出，让程序产生错误的运行结果。
让人苦恼的，这样的错误一般不容易察觉，因为编译器不会报错，我们也记不住不同类型的取值范围。
解释型语言
对于解释型语言，每次执行程序都需要一边转换一边执行，用到哪些源代码就将哪些源代码转换成机器码，用
不到的不进行任何处理。每次执行程序时可能使用不同的功能，这个时候需要转换的源代码也不一样。
因为每次执行程序都需要重新转换源代码，所以解释型语言的执行效率天生就低于编译型语言，甚至存在数量
级的差距。计算机的一些底层功能，或者关键算法，一般都使用 C/C++ 实现，只有在应用层面（比如网站开发、
批处理、小工具等）才会使用解释型语言。
在运行解释型语言的时候，我们始终都需要源代码和解释器，所以说它无法脱离开发环境。
当我们说“下载一个程序（软件）”时，不同类型的语言有不同的含义：
• 对于编译型语言，我们下载到的是可执行文件，源代码被作者保留，所以编译型语言的程序一般是闭源的。
• 对于解释型语言，我们下载到的是所有的源代码，因为作者不给源代码就没法运行，所以解释型语言的程序一
般是开源的。
相比于编译型语言，解释型语言几乎都能跨平台，“一次编写，到处运行”是真是存在的，而且比比皆是。那
么，为什么解释型语言就能快平台呢？
这一切都要归功于解释器！
我们所说的跨平台，是指源代码跨平台，而不是解释器跨平台。解释器用来将源代码转换成机器码，它就是一
个可执行程序，是绝对不能跨平台的。
官方需要针对不同的平台开发不同的解释器，这些解释器必须要能够遵守同样的语法，识别同样的函数，完成
同样的功能，只有这样，同样的代码在不同平台的执行结果才是相同的。
你看，解释型语言之所以能够跨平台，是因为有了解释器这个中间层。在不同的平台下，解释器会将相同的源
代码转换成不同的机器码，解释器帮助我们屏蔽了不同平台之间的差异。
关于 Python
Python 属于典型的解释型语言，所以运行 Python 程序需要解释器的支持，只要你在不同的平台安装了不同的
解释器，你的代码就可以随时运行，不用担心任何兼容性问题，真正的“一次编写，到处运行”。
Python 几乎支持所有常见的平台，比如 Linux、Windows、Mac OS、Android、FreeBSD、Solaris、
PocketPC 等，你所写的 Python 代码无需修改就能在这些平台上正确运行。也就是说，Python 的可移植性是
很强的。
总结
我们将编译型语言和解释型语言的差异总结为下表：
类型 原理 优点 缺点
编译型语言
通过专门的编译器，将所有源代码一次性转换成特
定平台（Windows、Linux 等）执行的机器码（以
可执行文件的形式存在）。
编译一次后，脱离了编译器
也可以运行，并且运行效率
高。
可移植性
差，不够灵
活。
解释型语言 由专门的解释器，根据需要将部分源代码临时转换
成特定平台的机器码。
跨平台性好，通过不同的解
释器，将相同的源代码解释
成不同平台下的机器码。
一边执行一
边转换，效
率很低。
摘要：
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第1章Python编程基础1.1编程语言是什么其实，程序指的就是一系列指令，用来告诉计算机做什么，而编写程序的关键在于，我们需要用计算机可以理解的语言来提供这些指令。虽然借助Siri（Apple）、GoogleNow（Android）、Cortana（Microsoft）等技术，我们可以使用汉语直接告诉计算机做什么，比如“Siri，打开酷狗音乐”，但使用过这些系统的读者都知道，它尚未完全成熟，再加上我们语言充满了模糊和不精确因素，使得设计一个完全理解人类语言的计算机程序，仍然是一个有待解决的问题。为了有效避开所有影响给计算机传递指令的因素，计算机科学家设计了一些符号，这些符号各有其含义，且之间...
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