====== 第一章 Python基础 ======

===== 本章概要 =====

本章将带你走进Python的世界，从零开始学习Python编程。我们将涵盖环境搭建、基本语法、变量和数据类型等核心概念，为你打下坚实的编程基础。

===== 1.1 Python简介 =====

==== 1.1.1 什么是Python ====

Python是一种高级的、解释型的、通用的编程语言。它由Guido van Rossum于1991年创建，名称来源于英国喜剧团体Monty Python。

Python的设计哲学强调：
  * **可读性** - 代码应该容易被人类阅读
  * **简洁性** - 用一种明显的方式来做一件事
  * **明确性** - 面对歧义，拒绝猜测的诱惑

==== 1.1.2 Python的特点 ====

  - **解释型语言**：不需要编译，直接运行
  - **动态类型**：变量类型在运行时确定
  - **自动内存管理**：内置垃圾回收机制
  - **丰富的标准库**："内置电池"理念
  - **跨平台**：Windows、macOS、Linux均可运行

===== 1.2 环境搭建 =====

==== 1.2.1 安装Python ====

=== Windows系统 ===

  1. 访问 https://www.python.org/downloads/
  2. 下载最新版本的Python安装程序
  3. 运行安装程序，**勾选"Add Python to PATH"**
  4. 点击"Install Now"
  5. 安装完成后，打开命令提示符，输入：

<code python>
python --version
</code>

应显示Python版本号，如"Python 3.10.0"。

=== macOS系统 ===

macOS通常预装了Python 2.7。建议安装Python 3：

  1. 使用Homebrew安装（推荐）：

<code bash>
/bin/bash -c "$(curl -fsSL https://raw.githubusercontent.com/Homebrew/install/HEAD/install.sh)"
brew install python
</code>

  2. 或从官网下载安装程序

=== Linux系统 ===

大多数Linux发行版都预装了Python。检查版本：

<code bash>
python3 --version
</code>

如未安装，使用包管理器安装：

<code bash>
# Ubuntu/Debian
sudo apt-get update
sudo apt-get install python3 python3-pip

# CentOS/RHEL/Fedora
sudo dnf install python3 python3-pip

# Arch Linux
sudo pacman -S python python-pip
</code>

==== 1.2.2 验证安装 ====

打开终端或命令提示符，输入：

<code bash>
python3 --version  # Linux/macOS
python --version   # Windows
</code>

然后启动Python交互式解释器：

<code bash>
python3  # Linux/macOS
python   # Windows
</code>

看到">>>"提示符，表示进入了Python交互式环境：

<code python>
>>> print("Hello, Python!")
Hello, Python!
</code>

输入 ``exit()`` 或按 ``Ctrl+D`` (Linux/macOS) / ``Ctrl+Z`` (Windows) 退出。

==== 1.2.3 安装IDE ====

=== PyCharm ===

PyCharm是JetBrains开发的专业Python IDE，分为社区版（免费）和专业版（付费）。

下载地址：https://www.jetbrains.com/pycharm/download/

=== VS Code ===

Visual Studio Code是微软开发的轻量级代码编辑器，通过安装Python插件可获得良好的Python开发体验。

下载地址：https://code.visualstudio.com/

安装Python插件：
  1. 打开VS Code
  2. 点击左侧扩展图标
  3. 搜索"Python"
  4. 安装Microsoft官方Python扩展

===== 1.3 第一个Python程序 =====

==== 1.3.1 交互式编程 ====

打开Python解释器，直接输入代码：

<code python>
>>> print("Hello, World!")
Hello, World!
>>> 2 + 3
5
>>> name = "Alice"
>>> print(f"Hello, {name}!")
Hello, Alice!
</code>

交互式环境适合快速测试代码片段。

==== 1.3.2 脚本式编程 ====

将代码保存到文件中，然后执行。

创建文件 ``hello.py``：

<code python>
# hello.py
print("Hello, World!")
print("这是我的第一个Python程序")
</code>

运行程序：

<code bash>
python hello.py
</code>

==== 1.3.3 程序结构 ====

一个完整的Python程序通常包含：

<code python>
#!/usr/bin/env python3
# -*- coding: utf-8 -*-
"""
程序的文档字符串（docstring）
说明程序的功能和用法
"""

# 导入模块
import os
import sys

# 定义常量
MAX_COUNT = 100

# 定义函数
def greet(name):
    """打招呼函数"""
    return f"Hello, {name}!"

# 主程序入口
if __name__ == "__main__":
    print(greet("Python"))
</code>

===== 1.4 Python基础语法 =====

==== 1.4.1 缩进 ====

Python使用**缩进**来表示代码块，而不是大括号。这是Python最显著的特点之一。

<code python>
# 正确示例
if True:
    print("条件为真")
    print("继续执行")

# 错误示例 - 缩进不一致
if True:
    print("条件为真")
     print("缩进错误")  # IndentationError
</code>

规范：
  * 使用**4个空格**作为一级缩进
  * 不要使用Tab键
  * 同一代码块的缩进必须一致

==== 1.4.2 注释 ====

注释用于解释代码，不会被程序执行。

=== 单行注释 ===

使用 ``#`` 符号：

<code python>
# 这是单行注释
x = 10  # 这也是注释
</code>

=== 多行注释 ===

使用三个引号：

<code python>
"""
这是多行注释
可以写多行文字
通常用于文档字符串
"""

'''
也可以用单引号
效果相同
'''
</code>

==== 1.4.3 行与缩进 ====

Python语句通常一行写一条：

<code python>
print("第一行")
print("第二行")
</code>

使用反斜杠 ``\`` 实现多行语句：

<code python>
total = item_one + \
        item_two + \
        item_three
</code>

在括号内可以直接换行：

<code python>
total = (item_one +
         item_two +
         item_three)
</code>

一行写多条语句（不推荐）：

<code python>
import sys; x = 'foo'; sys.stdout.write(x + '\n')
</code>

==== 1.4.4 标识符 ====

标识符是变量、函数、类、模块等的名称。

命名规则：
  * 只能包含字母、数字、下划线
  * 不能以数字开头
  * 区分大小写
  * 不能使用Python关键字

<code python>
# 有效的标识符
my_variable
private_var
MAX_SIZE
ClassName
function_name
_var2

# 无效的标识符
2var      # 以数字开头
my-var    # 包含连字符
my var    # 包含空格
class     # 关键字
</code>

命名规范（PEP 8）：
  * 变量名：小写，下划线分隔 ``my_variable``
  * 常量名：大写，下划线分隔 ``MAX_SIZE``
  * 类名：驼峰命名法 ``MyClass``
  * 函数名：小写，下划线分隔 ``my_function``
  * 私有变量：以下划线开头 ``_private``
  * 强私有变量：以双下划线开头 ``__very_private``

==== 1.4.5 关键字 ====

Python有35个关键字，不能用作标识符：

<code python>
import keyword
print(keyword.kwlist)
# ['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']
</code>

===== 1.5 变量 =====

==== 1.5.1 什么是变量 ====

变量是存储数据的容器。在Python中，变量不需要声明类型，直接赋值即可创建。

<code python>
# 创建变量
name = "Alice"
age = 25
is_student = True

# 使用变量
print(name)  # Alice
print(age)   # 25
</code>

==== 1.5.2 变量赋值 ====

=== 基本赋值 ===

<code python>
x = 10
y = 3.14
name = "Python"
</code>

=== 多重赋值 ===

<code python>
# 同时为多个变量赋值
a = b = c = 0

# 序列解包
x, y, z = 1, 2, 3

# 交换变量
a, b = b, a
</code>

=== 动态类型 ===

Python是动态类型语言，变量类型可以随时改变：

<code python>
x = 10        # x是整数
x = "hello"   # x变成字符串
x = [1, 2, 3] # x变成列表
</code>

==== 1.5.3 变量的内存管理 ====

<code python>
# 多个变量引用同一对象
a = [1, 2, 3]
b = a
b[0] = 100
print(a)  # [100, 2, 3] - a也被修改了

# 使用id()查看内存地址
print(id(a))
print(id(b))  # 与a相同
</code>

===== 1.6 数据类型 =====

Python有以下几个基本数据类型：

==== 1.6.1 数字（Numbers） ====

=== 整数（int） ===

<code python>
# 整数
x = 10
y = -5
z = 0

# 不同进制
binary = 0b1010      # 二进制，等于10
octal = 0o17         # 八进制，等于15
hexadecimal = 0xFF   # 十六进制，等于255

# 大整数（Python 3自动支持）
big_number = 12345678901234567890
</code>

=== 浮点数（float） ===

<code python>
pi = 3.14159
temperature = -20.5
scientific = 1.5e10  # 科学计数法，等于15000000000.0
</code>

=== 复数（complex） ===

<code python>
z = 3 + 4j
print(z.real)  # 3.0
print(z.imag)  # 4.0
</code>

=== 数字运算 ===

<code python>
# 基本运算
print(10 + 3)   # 加法: 13
print(10 - 3)   # 减法: 7
print(10 * 3)   # 乘法: 30
print(10 / 3)   # 除法: 3.333...
print(10 // 3)  # 整除: 3
print(10 % 3)   # 取模: 1
print(10 ** 3)  # 幂运算: 1000

# 复合赋值
x = 10
x += 5   # x = x + 5
x -= 3   # x = x - 3
x *= 2   # x = x * 2
x /= 4   # x = x / 4
</code>

==== 1.6.2 字符串（String） ====

字符串是字符的序列，用单引号、双引号或三引号表示。

<code python>
# 创建字符串
single = 'Hello'
double = "World"
multi_line = """
这是一个
多行字符串
"""

# 转义字符
path = "C:\\Users\\Name"  # 反斜杠转义
quote = 'It\'s a book'    # 单引号转义
</code>

=== 字符串操作 ===

<code python>
# 拼接
s1 = "Hello"
s2 = "World"
print(s1 + " " + s2)  # Hello World

# 重复
print("Hi! " * 3)  # Hi! Hi! Hi! 

# 索引和切片
text = "Python"
print(text[0])     # P
print(text[-1])    # n
print(text[0:3])   # Pyt
print(text[::2])   # Pto

# 字符串方法
print(text.upper())       # PYTHON
print(text.lower())       # python
print(text.replace('P', 'J'))  # Jython
print(len(text))          # 6
print(text.find('th'))    # 2
</code>

=== 字符串格式化 ===

<code python>
name = "Alice"
age = 25

# % 格式化（旧式）
print("My name is %s, I'm %d years old." % (name, age))

# str.format() 方法
print("My name is {}, I'm {} years old.".format(name, age))
print("My name is {0}, I'm {1} years old.".format(name, age))
print("My name is {n}, I'm {a} years old.".format(n=name, a=age))

# f-string（推荐，Python 3.6+）
print(f"My name is {name}, I'm {age} years old.")
print(f"Next year I'll be {age + 1} years old.")
</code>

==== 1.6.3 布尔类型（Boolean） ====

<code python>
t = True
f = False

# 布尔运算
print(True and False)  # False
print(True or False)   # True
print(not True)        # False

# 比较运算
print(5 > 3)   # True
print(5 == 5)  # True
print(5 != 3)  # True
</code>

==== 1.6.4 空值（None） ====

<code python>
value = None
print(value)        # None
print(type(value))  # <class 'NoneType'>

# 检查None
if value is None:
    print("值为空")
</code>

==== 1.6.5 类型转换 ====

<code python>
# 转整数
print(int("10"))      # 10
print(int(3.14))      # 3
print(int("1010", 2)) # 10（二进制转十进制）

# 转浮点数
print(float("3.14"))  # 3.14
print(float(10))      # 10.0

# 转字符串
print(str(123))       # "123"
print(str(3.14))      # "3.14"
print(str(True))      # "True"

# 转布尔
print(bool(1))        # True
print(bool(0))        # False
print(bool(""))       # False
print(bool("hello"))  # True
</code>

===== 1.7 输入输出 =====

==== 1.7.1 输出（print） ====

<code python>
# 基本输出
print("Hello")

# 输出多个值
print("Name:", "Alice", "Age:", 25)

# 自定义分隔符
print("a", "b", "c", sep="-")  # a-b-c

# 自定义结束符
print("Hello", end=" ")
print("World")  # Hello World

# 输出到文件
with open("output.txt", "w") as f:
    print("写入文件", file=f)
</code>

==== 1.7.2 输入（input） ====

<code python>
# 基本输入（返回字符串）
name = input("请输入你的名字: ")
print(f"你好, {name}!")

# 输入数字
age = int(input("请输入你的年龄: "))
print(f"你明年就 {age + 1} 岁了")

# 输入多个值
x, y = input("请输入两个数字，用空格分隔: ").split()
x, y = int(x), int(y)
print(f"和: {x + y}")
</code>

===== 1.8 运算符 =====

==== 1.8.1 算术运算符 ====

| 运算符 | 描述 | 示例 |
|--------+------+------|
| + | 加 | 5 + 3 = 8 |
| - | 减 | 5 - 3 = 2 |
| * | 乘 | 5 * 3 = 15 |
| / | 除 | 5 / 3 = 1.666... |
| // | 整除 | 5 // 3 = 1 |
| % | 取模 | 5 % 3 = 2 |
| ** | 幂 | 5 ** 3 = 125 |

==== 1.8.2 比较运算符 ====

| 运算符 | 描述 | 示例 |
|--------+------+------|
| == | 等于 | 5 == 5 → True |
| != | 不等于 | 5 != 3 → True |
| > | 大于 | 5 > 3 → True |
| < | 小于 | 5 < 3 → False |
| >= | 大于等于 | 5 >= 5 → True |
| <= | 小于等于 | 5 <= 3 → False |

==== 1.8.3 赋值运算符 ====

| 运算符 | 描述 | 等效于 |
|--------+------+--------|
| = | 赋值 | x = 5 |
| += | 加赋值 | x += 5 → x = x + 5 |
| -= | 减赋值 | x -= 5 → x = x - 5 |
| *= | 乘赋值 | x *= 5 → x = x * 5 |
| /= | 除赋值 | x /= 5 → x = x / 5 |
| //= | 整除赋值 | x //= 5 → x = x // 5 |
| %= | 取模赋值 | x %= 5 → x = x % 5 |
| **= | 幂赋值 | x **= 5 → x = x ** 5 |

==== 1.8.4 逻辑运算符 ====

| 运算符 | 描述 | 示例 |
|--------+------+------|
| and | 与 | True and False → False |
| or | 或 | True or False → True |
| not | 非 | not True → False |

==== 1.8.5 位运算符 ====

| 运算符 | 描述 | 示例 |
|--------+------+------|
| & | 按位与 | 5 & 3 = 1 |
| \| | 按位或 | 5 \| 3 = 7 |
| ^ | 按位异或 | 5 ^ 3 = 6 |
| ~ | 按位取反 | ~5 = -6 |
| << | 左移 | 5 << 1 = 10 |
| >> | 右移 | 5 >> 1 = 2 |

==== 1.8.6 成员运算符 ====

<code python>
# in 和 not in
fruits = ["apple", "banana", "cherry"]
print("apple" in fruits)      # True
print("orange" not in fruits) # True

# 字符串
print("Py" in "Python")  # True
</code>

==== 1.8.7 身份运算符 ====

<code python>
# is 和 is not
a = [1, 2, 3]
b = a
c = [1, 2, 3]

print(a is b)     # True（同一对象）
print(a is c)     # False（不同对象，值相同）
print(a == c)     # True（值相等）

# 常用：检查None
x = None
print(x is None)  # True
</code>

===== 1.9 代码示例 =====

==== 示例1：温度转换器 ====

<code python>
# 温度转换器
print("温度转换器")
print("1. 摄氏度转华氏度")
print("2. 华氏度转摄氏度")

choice = input("请选择 (1/2): ")

if choice == "1":
    celsius = float(input("请输入摄氏度: "))
    fahrenheit = celsius * 9/5 + 32
    print(f"{celsius}°C = {fahrenheit}°F")
elif choice == "2":
    fahrenheit = float(input("请输入华氏度: "))
    celsius = (fahrenheit - 32) * 5/9
    print(f"{fahrenheit}°F = {celsius}°C")
else:
    print("无效选择")
</code>

==== 示例2：简易计算器 ====

<code python>
# 简易计算器
num1 = float(input("请输入第一个数字: "))
operator = input("请输入运算符 (+, -, *, /): ")
num2 = float(input("请输入第二个数字: "))

if operator == "+":
    result = num1 + num2
elif operator == "-":
    result = num1 - num2
elif operator == "*":
    result = num1 * num2
elif operator == "/":
    if num2 != 0:
        result = num1 / num2
    else:
        result = "错误：除数不能为零"
else:
    result = "错误：无效的运算符"

print(f"结果: {result}")
</code>

===== 1.10 练习题 =====

==== 练习1：个人信息输出 ====

编写程序，输入姓名、年龄、爱好，然后输出格式化的个人信息。

<code python>
# 参考答案
name = input("请输入姓名: ")
age = input("请输入年龄: ")
hobby = input("请输入爱好: ")

print("\n===== 个人信息 =====")
print(f"姓名: {name}")
print(f"年龄: {age}岁")
print(f"爱好: {hobby}")
print("===================")
</code>

==== 练习2：BMI计算器 ====

编写程序，根据输入的身高（米）和体重（公斤），计算BMI指数。

BMI公式：体重(kg) / 身高(m)²

<code python>
# 参考答案
height = float(input("请输入身高(米): "))
weight = float(input("请输入体重(公斤): "))

bmi = weight / (height ** 2)

print(f"您的BMI指数为: {bmi:.2f}")

if bmi < 18.5:
    print("体重过轻")
elif bmi < 24:
    print("体重正常")
elif bmi < 28:
    print("超重")
else:
    print("肥胖")
</code>

==== 练习3：秒数转换 ====

编写程序，将输入的秒数转换为"小时:分钟:秒"格式。

<code python>
# 参考答案
total_seconds = int(input("请输入秒数: "))

hours = total_seconds // 3600
minutes = (total_seconds % 3600) // 60
seconds = total_seconds % 60

print(f"{total_seconds}秒 = {hours}小时 {minutes}分钟 {seconds}秒")
print(f"格式化输出: {hours:02d}:{minutes:02d}:{seconds:02d}")
</code>

===== 本章小结 =====

本章学习了Python编程的基础知识：

  * **环境搭建** - 安装Python和IDE
  * **基本语法** - 缩进、注释、标识符
  * **变量** - 动态类型、多重赋值
  * **数据类型** - 数字、字符串、布尔值、None
  * **运算符** - 算术、比较、逻辑、位、成员、身份运算符
  * **输入输出** - print()和input()

掌握这些基础知识后，你已经可以编写简单的Python程序了。继续学习下一章，了解Python的控制流语句。

===== 进一步阅读 =====

  * [[https://docs.python.org/zh-cn/3/tutorial/introduction.html|Python官方教程 - 简介]]
  * [[https://pep8.org/|PEP 8 - Python代码风格指南]]
  * [[https://www.python.org/dev/peps/pep-0020/|PEP 20 - Python之禅]]