第1章 Python環境搭建¶

前言¶

Python是一種高級編程語言，以其簡潔易讀的語法和強大的功能庫而聞名。無論你是編程新手還是有經驗的開發者，Python都是一個優秀的選擇。本章將詳細介紹如何在不同操作系統上安裝和配置Python環境，幫助你快速開始Python編程之旅。

1.1 Python的安裝與配置¶

Windows系統下的安裝¶

訪問Python官方網站 https://www.python.org/downloads/ 下載最新版本的Python安裝包。
下載完成後，雙擊安裝包開始安裝。重要提示： 在安裝界面底部勾選”Add Python to PATH”選項，這樣可以自動配置環境變量。
選擇”Install Now”進行標準安裝，或選擇”Customize installation”進行自定義安裝。推薦選擇標準安裝。
安裝完成後，打開命令提示符（Win+R，輸入cmd），輸入以下命令驗證安裝：

python --version

如果顯示Python版本號，說明安裝成功。

macOS系統下的安裝¶

使用官方安裝包：
- 訪問 https://www.python.org/downloads/mac-osx/ 下載macOS版本的Python安裝包
- 雙擊.pkg文件進行安裝
- 按照安裝嚮導完成安裝
使用Homebrew安裝（推薦）：

# 首先安裝Homebrew（如果未安裝）
/bin/bash -c "$(curl -fsSL https://raw.githubusercontent.com/Homebrew/install/HEAD/install.sh)"

# 使用Homebrew安裝Python
brew install python

驗證安裝：

python3 --version

Linux系統下的安裝¶

大多數Linux發行版都預裝了Python，但可能不是最新版本。以下是在不同Linux發行版上安裝Python的方法：

Ubuntu/Debian系統：

# 更新包列表
sudo apt update

# 安裝Python 3
sudo apt install python3 python3-pip

# 驗證安裝
python3 --version

CentOS/RHEL系統：

# 安裝Python 3
sudo yum install python3 python3-pip

# 或者在較新版本中使用dnf
sudo dnf install python3 python3-pip

環境變量配置¶

Windows系統：
如果安裝時沒有勾選”Add Python to PATH”，需要手動配置：
1. 右鍵”此電腦” → “屬性” → “高級系統設置” → “環境變量”
2. 在”系統變量”中找到”Path”，點擊”編輯”
3. 添加Python安裝路徑（通常是C:\Python311\）和Scripts路徑（C:\Python311\Scripts\）

macOS/Linux系統：
在~/.bashrc或~/.zshrc文件中添加：

export PATH="/usr/local/bin/python3:$PATH"

然後執行：

source ~/.bashrc  # 或 source ~/.zshrc

驗證安裝是否成功¶

打開終端或命令提示符，執行以下命令：

# 檢查Python版本
python --version
# 或者
python3 --version

# 檢查pip版本
pip --version
# 或者
pip3 --version

# 進入Python交互式環境
python

如果能正常顯示版本信息並進入Python交互式環境，說明安裝成功。

1.2 第一個Python程序¶

Hello World程序編寫¶

創建一個名爲hello.py的文件，輸入以下代碼：

# 這是我的第一個Python程序
print("Hello, World!")
print("歡迎來到Python的世界！")

# 獲取用戶輸入
name = input("請輸入你的名字：")
print(f"你好，{name}！")

程序的運行方式¶

命令行運行¶

打開終端或命令提示符，導航到文件所在目錄，執行：

python hello.py

IDE中運行¶

在PyCharm的IDE中，可以直接點擊運行按鈕或使用快捷鍵（通常是Ctrl+F10）運行程序。

交互式運行¶

在Python交互式環境中，可以逐行輸入代碼：

>>> print("Hello, World!")
Hello, World!
>>> name = "張三"
>>> print(f"你好，{name}！")
你好，張三！

程序結構分析¶

# 1. 註釋：以#開頭，用於解釋代碼
# 這是我的第一個Python程序

# 2. 函數調用：print()是內置函數，用於輸出
print("Hello, World!")

# 3. 變量賦值：將用戶輸入存儲在變量中
name = input("請輸入你的名字：")

# 4. 字符串格式化：使用f-string格式化輸出
print(f"你好，{name}！")

常見錯誤及解決方法¶

語法錯誤示例：

# 錯誤：缺少引號
print(Hello, World!)
# SyntaxError: invalid syntax

# 正確：
print("Hello, World!")

縮進錯誤示例：

# 錯誤：不必要的縮進
    print("Hello, World!")
# IndentationError: unexpected indent

# 正確：
print("Hello, World!")

名稱錯誤示例：

# 錯誤：使用未定義的變量
print(name)
# NameError: name 'name' is not defined

# 正確：先定義再使用
name = "張三"
print(name)

1.3 Python交互式環境¶

Python解釋器的使用¶

Python解釋器是執行Python代碼的程序。在命令行中輸入python即可啓動：

$ python
Python 3.11.0 (main, Oct 24 2022, 18:26:48) [MSC v.1933 64 bit (AMD64)] on win32
Type "help", "copyright", "credits" or "license" for more information.
>>>

交互式命令行（REPL）¶

REPL（Read-Eval-Print Loop）是Python的交互式環境，可以立即執行代碼並查看結果：

>>> 2 + 3
5
>>> name = "Python"
>>> print(f"我正在學習{name}")
我正在學習Python
>>> import math
>>> math.pi
3.141592653589793

常用REPL命令：
- help()：獲取幫助信息
- exit()或quit()：退出REPL
- dir()：查看當前命名空間中的對象
- _：獲取上一次表達式的結果

IPython的安裝與使用¶

IPython是增強版的Python交互式環境，提供了更多功能：

# 安裝IPython
pip install ipython

# 啓動IPython
ipython

IPython的特色功能：
- 語法高亮：代碼自動着色
- 自動補全：按Tab鍵自動補全
- 魔法命令：以%開頭的特殊命令
- 歷史記錄：方便查看和重用之前的命令

In [1]: import os

In [2]: os.getcwd()  # 按Tab可以自動補全
Out[2]: 'C:\\Users\\username'

In [3]: %pwd  # 魔法命令，顯示當前目錄
Out[3]: 'C:\\Users\\username'

In [4]: %history  # 顯示命令歷史

Jupyter Notebook簡介¶

Jupyter Notebook是基於Web的交互式開發環境，特別適合數據分析和機器學習：

# 安裝Jupyter
pip install jupyter

# 啓動Jupyter Notebook
jupyter notebook

啓動後會在瀏覽器中打開Jupyter界面，可以創建新的notebook文件（.ipynb）。

Jupyter的優勢：
- 代碼和文檔混合編寫
- 支持Markdown格式的文檔
- 可視化結果直接顯示
- 支持多種編程語言
- 便於分享和協作

交互式環境的優勢¶

即時反饋：立即看到代碼執行結果
快速測試：驗證代碼片段的正確性
學習工具：探索Python的功能和庫
調試輔助：檢查變量值和程序狀態
原型開發：快速構建程序原型

1.4 包管理工具pip的使用¶

pip工具介紹¶

pip（Pip Installs Packages）是Python的標準包管理工具，用於安裝和管理Python包。從Python 3.4開始，pip已經內置在Python安裝中。

# 檢查pip版本
pip --version

# 升級pip到最新版本
python -m pip install --upgrade pip

包的安裝與卸載¶

pip install命令¶

# 安裝最新版本的包
pip install requests

# 安裝指定版本的包
pip install requests==2.28.1

# 安裝版本範圍內的包
pip install "requests>=2.25.0,<3.0.0"

# 從requirements.txt文件安裝
pip install -r requirements.txt

# 安裝本地包
pip install ./my_package

# 從Git倉庫安裝
pip install git+https://github.com/user/repo.git

pip uninstall命令¶

# 卸載包
pip uninstall requests

# 卸載多個包
pip uninstall requests urllib3 certifi

# 批量卸載（從文件）
pip uninstall -r requirements.txt

包的升級與降級¶

# 升級包到最新版本
pip install --upgrade requests

# 查看可升級的包
pip list --outdated

# 降級到指定版本
pip install requests==2.25.1

requirements.txt文件的使用¶

requirements.txt文件用於記錄項目依賴的包及其版本：

# requirements.txt示例
requests==2.28.1
numpy>=1.21.0
pandas~=1.4.0
matplotlib
flask==2.2.2

生成requirements.txt：

# 導出當前環境的所有包
pip freeze > requirements.txt

# 只導出項目實際使用的包（需要安裝pipreqs）
pip install pipreqs
pipreqs . --encoding=utf8

使用requirements.txt：

# 安裝所有依賴
pip install -r requirements.txt

# 升級所有依賴
pip install -r requirements.txt --upgrade

國內鏡像源配置¶

由於網絡原因，使用國內鏡像源可以大大提高下載速度：

臨時使用鏡像源：

pip install -i https://pypi.tuna.tsinghua.edu.cn/simple/ requests

永久配置鏡像源：

在用戶目錄下創建pip配置文件：
- Windows：%APPDATA%\pip\pip.ini
- macOS/Linux：~/.pip/pip.conf

配置文件內容：

[global]
index-url = https://pypi.tuna.tsinghua.edu.cn/simple/
trusted-host = pypi.tuna.tsinghua.edu.cn

常用國內鏡像源：
- 清華大學：https://pypi.tuna.tsinghua.edu.cn/simple/
- 阿里雲：https://mirrors.aliyun.com/pypi/simple/
- 中科大：https://pypi.mirrors.ustc.edu.cn/simple/
- 豆瓣：https://pypi.douban.com/simple/

虛擬環境簡介¶

虛擬環境可以爲不同項目創建獨立的Python環境，避免包版本衝突：

# 創建虛擬環境
python -m venv myproject_env

# 激活虛擬環境
# Windows:
myproject_env\Scripts\activate
# macOS/Linux:
source myproject_env/bin/activate

# 在虛擬環境中安裝包
pip install requests

# 退出虛擬環境
deactivate

虛擬環境的優勢：
- 項目依賴隔離
- 避免版本衝突
- 便於項目部署
- 保持系統環境整潔

常用pip命令總結¶

# 查看已安裝的包
pip list

# 查看包的詳細信息
pip show requests

# 搜索包（注意：PyPI已禁用搜索功能）
pip search keyword

# 檢查包的依賴關係
pip check

# 下載包但不安裝
pip download requests

# 查看pip配置
pip config list

# 清理pip緩存
pip cache purge

通過本章的學習，你已經掌握了Python環境的搭建和基本使用方法。接下來可以開始學習Python的基礎語法，開啓你的Python編程之旅！