第2章 Python基础语法¶
前言¶
Python是一种简洁、优雅且功能强大的编程语言，其语法设计注重可读性和简洁性，使得编写和维护代码变得更加容易。本章将介绍Python的基础语法，包括变量、数据类型、运算符、输入输出函数以及代码规范等内容，为后续章节打下坚实的基础。
本系列文章所使用到的示例源码：Python从入门到精通示例代码
2.1 变量与标识符¶
2.1.1 变量的概念与作用¶
变量是计算机程序中用于存储数据的命名存储位置。在Python中，变量实际上是对内存中存储的数据的引用或指针。变量的主要作用包括：
- 存储和管理数据
- 提高代码的可读性和可维护性
- 方便数据的重复使用和修改
在Python中创建变量非常简单，只需要为变量赋值即可：
# 创建变量并赋值
name = "Python"
age = 30
is_programming_language = True
# 使用变量
print(name) # 输出: Python
print(age) # 输出: 30
2.1.2 变量的命名规则¶
标识符的组成¶
标识符是用来命名变量、函数、类、模块或其他对象的名称。Python中的标识符需要遵循以下规则：
- 由字母、数字和下划线组成
- 不能以数字开头
- 区分大小写
- 不能使用Python的关键字
# 有效的标识符
name = "Alice"
age_1 = 25
_private = "私有变量"
UserName = "用户名"
# 无效的标识符
# 1name = "Bob" # 不能以数字开头
# my-var = 10 # 不能包含连字符
# class = "Python" # 不能使用关键字
命名约定（PEP 8规范）¶
PEP 8是Python官方的代码风格指南，它提供了一些命名约定：
- 变量和函数名使用小写字母，单词之间用下划线连接（snake_case）
- 类名使用驼峰命名法（CamelCase）
- 常量使用全大写字母，单词之间用下划线连接
- 模块名使用简短的全小写名称
# 变量和函数名
user_name = "Alice"
max_retry_count = 3
def calculate_average(numbers):
return sum(numbers) / len(numbers)
# 类名
class UserProfile:
pass
# 常量
MAX_CONNECTIONS = 100
PI = 3.14159
关键字与保留字¶
Python有一组保留的关键字，这些关键字不能用作变量名或其他标识符名称。可以使用以下代码查看所有关键字：
import keyword
print(keyword.kwlist)
输出结果：
['False', 'None', 'True', 'and', 'as', 'assert', 'async', 'await', 'break', 'class', 'continue', 'def', 'del', 'elif', 'else', 'except', 'finally', 'for', 'from', 'global', 'if', 'import', 'in', 'is', 'lambda', 'nonlocal', 'not', 'or', 'pass', 'raise', 'return', 'try', 'while', 'with', 'yield']
2.1.3 变量的赋值与引用¶
Python中的变量赋值非常直观：
# 基本赋值
x = 10
# 多重赋值
a, b, c = 1, 2, 3
# 交换变量值
x, y = 10, 20
x, y = y, x # 交换后 x=20, y=10
# 增强赋值
counter = 0
counter += 1 # 等同于 counter = counter + 1
在Python中，变量实际上是对象的引用。当我们将一个变量赋值给另一个变量时，两个变量实际上引用同一个对象：
a = [1, 2, 3] # 创建列表对象
b = a # b引用同一个列表对象
b.append(4) # 修改列表对象
print(a) # 输出: [1, 2, 3, 4]
2.1.4 变量的作用域简介¶
Python中的变量有不同的作用域，决定了变量在哪些部分的代码中可见：
- 局部作用域：在函数内部定义的变量
- 全局作用域：在模块级别定义的变量
- 嵌套作用域：在嵌套函数中定义的变量
- 内置作用域：Python预定义的变量
# 全局变量
global_var = "我是全局变量"
def my_function():
# 局部变量
local_var = "我是局部变量"
print(local_var)
print(global_var) # 可以访问全局变量
def nested_function():
# 嵌套作用域变量
nested_var = "我是嵌套变量"
print(nested_var)
print(local_var) # 可以访问外层函数的局部变量
print(global_var) # 可以访问全局变量
my_function()
# print(local_var) # 错误：局部变量在函数外不可见
2.1.5 常量的概念¶
常量是指在程序执行过程中值不应该改变的变量。Python没有内置的常量类型，但按照惯例，使用全大写字母命名的变量被视为常量：
PI = 3.14159
MAX_USERS = 100
DATABASE_URL = "mongodb://localhost:27017"
# 虽然可以修改，但按照惯例不应该这样做
# PI = 3.14 # 不推荐
2.2 数据类型概述¶
2.2.1 Python数据类型分类¶
Python是一种动态类型语言，提供了多种内置数据类型。这些数据类型可以分为两大类：
基本数据类型¶
- 数字类型：int（整数）、float（浮点数）、complex（复数）
- 字符串（str）：文本序列
- 布尔类型（bool）：True或False
- None类型：表示空值或不存在
# 数字类型
int_num = 42
float_num = 3.14
complex_num = 1 + 2j
# 字符串
text = "Hello, Python!"
# 布尔类型
is_active = True
is_completed = False
# None类型
result = None
复合数据类型¶
- 列表（list）：有序可变序列
- 元组（tuple）：有序不可变序列
- 字典（dict）：键值对集合
- 集合（set）：无序不重复元素集合
- 冻结集合（frozenset）：不可变的集合
# 列表
fruits = ["apple", "banana", "cherry"]
# 元组
coordinates = (10, 20)
# 字典
person = {"name": "Alice", "age": 30, "city": "Beijing"}
# 集合
unique_numbers = {1, 2, 3, 4, 5}
# 冻结集合
immutable_set = frozenset([1, 2, 3])
2.2.2 动态类型系统¶
Python是一种动态类型语言，这意味着变量的类型是在运行时确定的，而不是在编译时。同一个变量可以在不同时刻引用不同类型的对象：
x = 10 # x引用整数对象
print(type(x)) # 输出: <class 'int'>
x = "hello" # x现在引用字符串对象
print(type(x)) # 输出: <class 'str'>
x = [1, 2, 3] # x现在引用列表对象
print(type(x)) # 输出: <class 'list'>
2.2.3 type()函数的使用¶
type()函数用于获取对象的类型：
print(type(42)) # 输出: <class 'int'>
print(type(3.14)) # 输出: <class 'float'>
print(type("hello")) # 输出: <class 'str'>
print(type([1, 2, 3])) # 输出: <class 'list'>
print(type({"a": 1})) # 输出: <class 'dict'>
print(type(True)) # 输出: <class 'bool'>
2.2.4 isinstance()函数的使用¶
isinstance()函数用于检查对象是否是指定类型的实例：
x = 42
print(isinstance(x, int)) # 输出: True
print(isinstance(x, float)) # 输出: False
print(isinstance(x, (int, float))) # 输出: True，检查多种类型
y = "hello"
print(isinstance(y, str)) # 输出: True
2.2.5 类型转换（显式与隐式）¶
Python支持两种类型转换：
显式类型转换（类型转换函数）¶
# 整数转换
print(int(3.14)) # 输出: 3
print(int("42")) # 输出: 42
# 浮点数转换
print(float(42)) # 输出: 42.0
print(float("3.14")) # 输出: 3.14
# 字符串转换
print(str(42)) # 输出: "42"
print(str(3.14)) # 输出: "3.14"
# 布尔值转换
print(bool(0)) # 输出: False
print(bool(42)) # 输出: True
print(bool("")) # 输出: False
print(bool("hello")) # 输出: True
隐式类型转换¶
Python在某些情况下会自动进行类型转换：
x = 10 + 3.14 # 整数和浮点数相加，整数被转换为浮点数
print(x) # 输出: 13.14
print(type(x)) # 输出: <class 'float'>
y = "Hello, " + "World!" # 字符串连接
print(y) # 输出: Hello, World!
2.3 数字类型（int、float、complex）¶
2.3.1 整数类型（int）¶
Python中的整数可以是任意大小，不受限制：
# 十进制表示
decimal = 42
print(decimal) # 输出: 42
# 二进制表示（以0b开头）
binary = 0b101010
print(binary) # 输出: 42
# 八进制表示（以0o开头）
octal = 0o52
print(octal) # 输出: 42
# 十六进制表示（以0x开头）
hexadecimal = 0x2A
print(hexadecimal) # 输出: 42
大整数处理¶
Python可以处理任意大小的整数，不会溢出：
# 大整数计算
big_number = 10**100 # 10的100次方
print(big_number)
# 输出: 10000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000
factorial = 1
for i in range(1, 51):
factorial *= i
print("50的阶乘是:", factorial)
# 输出一个非常大的数字，不会溢出
2.3.2 浮点数类型（float）¶
浮点数用于表示实数：
# 浮点数表示
x = 3.14
y = -0.001
z = 2.0
# 科学计数法
scientific = 3.14e2 # 3.14 × 10²
print(scientific) # 输出: 314.0
small = 1.23e-4 # 1.23 × 10⁻⁴
print(small) # 输出: 0.000123
浮点数精度问题¶
由于二进制浮点数的表示方式，某些小数在计算机中无法精确表示：
# 浮点数精度问题
print(0.1 + 0.2) # 输出: 0.30000000000000004
print(0.1 + 0.2 == 0.3) # 输出: False
# 解决方法：使用decimal模块
from decimal import Decimal
print(Decimal('0.1') + Decimal('0.2')) # 输出: 0.3
print(Decimal('0.1') + Decimal('0.2') == Decimal('0.3')) # 输出: True
2.3.3 复数类型（complex）¶
复数由实部和虚部组成，虚部以j或J结尾：
# 复数表示
z1 = 2 + 3j
z2 = complex(2, 3) # 另一种创建方式
print(z1) # 输出: (2+3j)
print(z1 == z2) # 输出: True
# 获取实部和虚部
print(z1.real) # 输出: 2.0
print(z1.imag) # 输出: 3.0
复数的基本操作¶
# 复数运算
z1 = 2 + 3j
z2 = 1 - 2j
print(z1 + z2) # 输出: (3+1j)
print(z1 - z2) # 输出: (1+5j)
print(z1 * z2) # 输出: (8-1j)
print(z1 / z2) # 输出: (-0.8+1.4j)
# 复数的共轭
print(z1.conjugate()) # 输出: (2-3j)
# 复数的模
import math
print(abs(z1)) # 输出: 3.605551275463989
2.3.4 数字类型之间的转换¶
# 整数转浮点数
print(float(42)) # 输出: 42.0
# 浮点数转整数（截断小数部分）
print(int(3.14)) # 输出: 3
print(int(-3.14)) # 输出: -3
# 整数或浮点数转复数
print(complex(2)) # 输出: (2+0j)
print(complex(2, 3)) # 输出: (2+3j)
print(complex(2.5, 1.5)) # 输出: (2.5+1.5j)
2.4 运算符与表达式¶
2.4.1 算术运算符¶
基本算术运算（+、-、*、/）¶
a = 10
b = 3
print(a + b) # 加法，输出: 13
print(a - b) # 减法，输出: 7
print(a * b) # 乘法，输出: 30
print(a / b) # 除法，输出: 3.3333333333333335（返回浮点数）
整除运算符（//）¶
整除运算符返回商的整数部分（向下取整）：
print(10 // 3) # 输出: 3
print(-10 // 3) # 输出: -4（向下取整）
取模运算符（%）¶
取模运算符返回除法的余数：
print(10 % 3) # 输出: 1
print(15 % 4) # 输出: 3
# 判断奇偶性
print(10 % 2) # 输出: 0（偶数）
print(11 % 2) # 输出: 1（奇数）
幂运算符（**）¶
print(2 ** 3) # 2的3次方，输出: 8
print(10 ** 2) # 10的2次方，输出: 100
print(4 ** 0.5) # 4的平方根，输出: 2.0
2.4.2 比较运算符¶
比较运算符用于比较两个值，返回布尔值（True或False）：
```python
x = 10
y = 20
print(x == y) # 等于，输出: False
print(x != y) # 不等于，输出: True
print(x > y) # 大于，输出: False
print(x < y) # 小于，输出: True
print(x