Python编程快速上手——让烦琐工作自动化（第3版）

版权信息

书名：Python编程快速上手——让烦琐工作自动化（第3版）

ISBN：978-7-115-68488-2

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版　　权

著    ［美］ 阿尔·斯维加特（Al Sweigart）

译    袁国忠

责任编辑 胡俊英

人民邮电出版社出版发行　　北京市丰台区成寿寺路11号

邮编　100164 　电子邮件　315@ptpress.com.cn

网址　http://www.ptpress.com.cn

读者服务热线：(010)81055410

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版 权 声 明

Copyright © 2024 by Al Sweigart. Title of English-language original: Automate the Boring Stuff with Python: Practical Programming for Total Beginners, 3rd Edition, ISBN 9781718503403, published by No Starch Press Inc. The Simplified Chinese-language 3rd edition Copyright © 2026 by Posts and Telecom Press Co., Ltd under license by No Starch Press Inc. All rights reserved.

本书简体中文版由美国 No Starch 出版社授权人民邮电出版社出版。未经出版者书面许可，不得对本书任何部分以任何方式复制或抄袭。

版权所有，侵权必究。

内 容 提 要

这是一本面向初学者的Python编程实用指南，用“讲故事+做项目”的方式带你走进Python世界。

本书的第一部分（第1~8章）用浅显易懂的语言将Python基础知识、语法、数据结构等串起来，第二部分（第9~24章）则把这些概念直接投入真实场景，让Python程序替你批量整理文件夹、填报电子表格、抓取网页数据、生成PDF报告、定时发送邮件，甚至让计算机“开口说话”。本书的案例聚焦日常痛点，会先讲思路，再给代码，并在实践项目中分步骤拆解和演示编程实践，非常有助于读者边学边上手。值得一提的是，本书还结合大语言模型（LLM）给出了一些更加巧妙的实践技巧。

无论你是想要轻松学习编程的入门级读者，还是想借助程序自动化处理事务的非专业人士，这本久经考验的Python教程都将是你不容错过的选择。

对本书的赞誉

如果你是 Python新手，请先将这本书收入囊中，如果你是经验丰富的Python玩家且还没看过这本书，也请抽空读一读。

—— 摘自Medium专栏“The Startup”

把程序拆散再像拼积木一样拼回去，好玩得不得了！就像小时候搭建积木，那种快乐又回来了。

—— 威尔·惠顿（Wil Wheaton），演员、作家、极客圈大咖

想让计算机替你干苦活累活？那就读读这本书！上手快、效果立竿见影，强烈推荐！

—— 马克·吉布斯（Mark Gibbs），Network World特约专栏作家

编程最大的爽点，就是看着计算机乖乖帮你把事情办完。这本书把每一次小的成功都放大给你看，再无聊的事情也能玩出花样。

—— 希拉里·梅森（Hilary Mason），Fast Forward Labs 创始人兼Accel常驻数据科学家

每天被重复、烦琐的任务折磨？这本书就是你的救星，让你再也不用花几小时干苦力了。

—— 达克斯特·沙利文（Dakster Sullivan），GeekMom网站

无论你是喜欢看书学习，还是喜欢看视频学习，这本书都是你不容错过的！它能帮你轻松写出实用的Python程序，效率飞起！

—— 塞尔达尔·雷古拉普（Serdar Regulalp），InfoWorld网站

作 者 简 介

阿尔·斯维加特（Al Sweigart）　软件开发人员、艺术家、Python软件基金会会士（Fellow）；著有多部适合初学者阅读的编程著作，其中包括Invent Your Own Computer Games with Python、The Big Book of Small Python Projects和Beyond the Basic Stuff with Python（均由No Starch 出版社出版）；曾在多个PyCon大会上担任国际演讲嘉宾。

技术审校者简介

英文版技术审校者简介

丹尼尔·津加罗（Daniel Zingaro）博士　任教于多伦多大学计算机科学系。因以下成就蜚声海内外：开创独特的互动式教学方法、对生成式AI辅助教学的前沿研究、编写以学习者为中心的教材（被全球各地数千名学生采用）。著有Algorithmic Thinking第2版（No Starch 出版社，2024）和Learn to Code by Solving Problems（No Starch 出版社，2021），并与人合著了Learn AI-Assisted Python Programming with GitHub Copilot and ChatGPT（Manning出版社，2023）。

中文版技术审校者简介

@五里墩茶社（本名：杨威理）是一位深耕人工智能领域的技术极客与内容创作者，也是B站（即bilibili）的一名热门UP主，致力于将复杂的知识转化为通俗易懂的内容。他紧跟技术前沿，时常推出各类技术解读教程，帮助大家理解和掌握相关技术。

刘江峰，重庆大学软件工程硕士。具备技术开发背景，深耕数据分析领域，在电商、物流、旅游及制造业拥有丰富的跨界经验。目前专注于制造业数字化转型，致力于数据体系的构建与评估，为企业的数据驱动决策提供核心支撑。

序

我与本书作者相识已久：最初我是他的读者，后来是同事，近来成了朋友。对于编程、学习方式及人们如何和谐共处，他有着深刻的批判性思考。因此若想向人学习编程之道，再没有比他更合适的人选了。

人们想学习编程的主要原因有两个。首先，面临独特的任务或问题，需要借助代码来自动完成或解决；其次，对学习新技能有浓厚的兴趣。通常，这两个原因兼而有之。要学习编程，Python语言无疑是最佳选择，因为它拥有丰富的可下载的库，可帮你自动完成几乎任何你能想到的任务，还有大量的Python资源，可帮助你快速解决面临的问题。

本书第1版于10年前面世，展现了一种出色的著述理念，这种理念至今依然熠熠生辉。下面的事实证实了这一点：自首版付印之日起，本书就是非常好的Python学习资料，它包含大量实例，如果需要快速解决面临的问题，可以找到相应的实例并根据需要对其进行修改；如果想加深对编程的理解，实现本书中一系列真实的项目无疑是最佳途径。

当前无疑是学习Python的最佳时机。有些人对人工智能方面的炒作深信不疑，认为不用再学习编程了，因为AI（Artificial Intelligence，人工智能）工具能够替你编写所有的代码。而另外一些人则认为，AI生成的代码糟糕透顶、不堪一用。在大多数情况下，真实情况介于这两个极端看法之间。

AI工具的确能在编程工作中助你一臂之力，但如果你对编程有适当的了解，并知道如何借助编程来解决当前面临的具体问题，AI工具将能发挥更大的作用。如若不然，你很可能陷入你和AI助手都束手无策的境地。如果你结合从本书中获得的知识和理解来使用AI，就能够高效地开发出可靠且实用的工具。

这是一部出色的著作，祝你学习愉快！

《Python编程：从入门到实践》作者

埃里克·马瑟斯（Eric Matthes）

致  谢

本书封面上只有我的名字，这容易引起误解。

如果没有众多人士的鼎力相助，本书绝无可能付梓。在此衷心感谢以下人员提供的宝贵支持：出版人Bill Pollock，编辑Laurel Chun、Leslie Shen、Greg Poulos、Jennifer Griffth-Delgado、Frances Saux、Jill Franklin、Sabrina Plomitallo-González和Allison Felus，以及No Starch出版社的其他工作人员。特别感谢Ari Lacenski、Philip James和Daniel Zingaro博士提供的出色建议和支持。

万分感谢Python软件基金会每位成员的杰出贡献。感谢PyCon和DjangoCon大会组织者和志愿者的辛勤付出。感谢技术行业最杰出的Python社区。

前  言

“我们3个人原本需要两天才能完成的工作，你仅用两小时就搞定了”，这是我的大学室友于21世纪初在一家电子产品零售商店工作时的经历。这家商店时不时地需要处理电子表格，其中包含从竞争对手那里收集到的数千种商品的价格。这种电子表格由一个3人团队处理，他们将电子表格打印到厚厚的一叠纸上，再分配给不同的人进行处理。对于每件商品，都要查看本店的售价，如果高于竞争对手的售价，就将该商品标出来。这通常需要两三天才能完成。

在完成这项任务的过程中，团队成员坐在地板上，周围散落着成堆的纸张。面对此情此景，室友指出，“如果有打印件的原始电子文件，我就可以编写程序来完成这项任务”。

经过两三个小时的奋斗，室友编写出了一个简短的程序。这个程序从文件中读取竞争对手的售价，在本店数据库中查找相应的商品，再指出竞争对手的售价是否更低。他当时还是编程新手，因此大部分时间都花在阅读相关的编程书上。这个程序只用几秒就完成了任务，室友及其同事当天得以享受超长的午餐时间。

这就是计算机编程的威力所在。计算机犹如瑞士军刀，能够完成的任务数不胜数。为完成重复性任务，很多人花数小时的时间单击鼠标和敲击键盘，却没有意识到只要给出正确的指令，他们正在使用的计算机只需几秒就能完成这些任务。

为谁而写

软件是当今人们使用的众多工具的核心：几乎人人都使用社交网络进行交流，几乎所有人的包或口袋里都装着能上网的手机，大多数办公室工作都需通过与计算机交互来完成。因此，社会对编程人才的需求急剧增加。数不胜数的图书、在线教程和开发人员训练营都承诺，能够让野心勃勃的初学者脱胎换骨，成为薪资高达6位数的软件工程师。本书并非为这些人编写的，而是为除他们之外的人编写的。

就像仅靠上几节吉他课无法成为摇滚巨星一样，仅靠阅读本书也无法成为专业的软件开发人员。但如果你是办公室职员、管理人员、学术研究者或其他出于工作需要或兴趣而使用计算机的人，通过阅读本书你将学会基本的编程知识，能够自动化完成下面这样的简单任务。

● 重命名数以千计的文件，并将其移动到不同的文件夹中。

● 填写在线表单（无须手动输入）。

● 每当网站更新时都从网站下载文件或复制文本。

● 让计算机向手机发送定制的短信通知。

● 更新Excel电子表格的内容或格式。

● 查看电子邮件并发送预先编写好的回复。

● 创建数据库并查询其中的信息。

● 从图像和音频文件中提取文本。

这些任务虽然简单，但人工完成需要很长的时间；另外，它们通常琐碎而个性化，没有可用来处理它们的现成软件。然而，只要具备一些编程知识，就能够让计算机替你完成这些任务。

编码约定

本书并非参考手册，而是初学者指南。在有些情况下，本书采用的编码风格并不符合最佳实践（例如，有些程序使用了全局变量），但这样的折中让代码更易于学习。出于简化考虑，本书没有介绍复杂的编程概念，如面向对象编程、列表推导和生成器。经验丰富的程序员可能会发现，从效率的角度看，本书的代码确有优化空间，但本书的核心目标是以最轻量的方式让程序顺利运行。

版式约定

在本书中，代码行中或部分正文中都分布有形如❶❷❸等的数字，此类数字仅用于读者将相应的代码行与正文关联起来，以便更好地理解相关知识及代码的特点。

编程简介

在电视节目和电影中，我们经常看到程序员快速敲击键盘，而他前面闪闪发光的屏幕上显示的是一串串神秘的1和0，但现代编程并非如此神秘莫测。所谓编程，就是使用计算机能够理解的语言编写供计算机执行的指令。这些指令可以处理数字、修改文本、在文件中查找信息或通过互联网与其他计算机通信。

所有程序都由基本指令组成，下面是几个使用自然语言描述的常见指令。

● 先做这个，再做那个。

● 如果满足这个条件，就执行这个操作；否则就执行那个操作。

● 执行这个操作27次。

● 不断做这个操作，直到满足那个条件为止。

还可以结合使用这些基本指令做出更复杂的决策。例如，下面是使用编程语言Python编写的一个简单程序的编程指令（源代码），这个程序按顺序执行代码行（有些代码行仅在条件满足或不满足时才执行），直到到达程序末尾：

❶ password_file = open('SecretPasswordFile.txt')
❷ secret_password = password_file.read()
❸ print('Enter your password.') 
  typed_password = input()
❹ if typed_password == secret_password: 
    ❺ print('Access granted')
    ❻ if typed_password == '12345':
        ❼ print('That password is one that an idiot puts on their luggage.')
  else:
    ❽ print('Access denied')

即便没有任何编程知识，你也能够通过阅读上述代码并猜到这段代码是做什么的。首先，打开文件SecretPasswordFile.txt ❶，并读取其中的密码❷。然后，提示用户通过键盘输入密码❸，并对这两个密码进行比较❹。如果它们相同，就在屏幕上显示Access granted ❺，并检查密码是否为12345 ❻；如果是，就提示选择使用这样的密码不明智（即显示That password is one that an idiot puts on their luggage.）❼。如果这两个密码不同，就在屏幕上显示Access denied ❽。

就像绘画、写作、编织和搭积木一样，编程也是一种创造性活动。就像在空画布上画画一样，软件开发也受制于众多约束条件，但又有无限的可能性。相比于其他创造性活动，编程的独特之处在于，计算机自带了编程所需的各种原材料，因此无须额外购买画布、颜料、胶片、毛线、积木和电子元件。程序编写好之后，就可以复制无数次。一件针织毛衣每次只能供一人穿，但程序可以轻松地以在线方式与整个世界分享。

Python简介

Python可以指编程语言（包含编写合法Python代码必须遵守的规则），也可以指读取使用Python编写的源代码并执行其中指令的解释器软件。你可以前往Python官网免费下载用于Windows、macOS和Linux系统的Python解释器。

编程语言有很多，它们各有优缺点，争论哪种语言最出色常常会引出对证明观点没有意义的论据。在我看来，对编程新手来说，先学习Python是最佳选择。Python易于学习，其语法也容易理解；无须学习大量概念就可以使用它来完成简单的任务；另外，如果要深入研究编程，先学会Python再学习其他语言将更容易。

Python语言的名字来自英国超现实主义喜剧团Monty Python，而不是蟒蛇。Python 程序员被亲切地称作Pythonistas；在Python教程和文档中，经常会提及喜剧团Monty Python和蟒蛇。

拋弃谬误，重新看待编程

编程常被认为高深莫测，软件巨头企业更是家喻户晓，甚至在英语中，单词code本身也暗含机密与晦涩之意。这导致很多人都以为只有少数人能够胜任编程工作，实际上，编程是任何人都能学会的技能。下面带你真正认识编程。

程序员无须具备很多数学知识

对于学习编程，最常见的担心是需要掌握大量数学知识。实际上，大多数编程工作并不要求掌握基本算术运算外的其他数学知识。对编程而言，推理能力和对细节的关注比数学知识更重要。实际上，编程与解决数独问题没有什么不同。

解决数独问题时，需要在9×9棋盘的每行和每列都填入数字1~9，同时确保每个内部3×3网格都包含数字1~9。在数独问题开始时，9×9棋盘中已经填入了一些数字，你需要根据这些数字做出推理，进而找到答案。在图1所示的数独问题中，数字5已经出现在第1行和第2行，因此它不能再次出现在这些行中。据此可知，在右上角的3×3网格中，数字5必然出现在第3行中。因为数字5已经出现在最后一列中，所以它不能出现在数字6的右边，那么它必然出现在数字6的左边。每确定一个单元格中的数字，都为解决问题提供了更多线索。随着你在各行、各列或各个3×3网格中填入数字1~9，整个数独问题很快就能得到解决。

图1　 一个数独问题（左）及其答案（右）。数独问题虽然使用数字，但并不涉及太多的数学知识

数独问题涉及数字，但这并不意味着必须精通数学才能找到答案。编程亦如此。与解决数独问题一样，编程也需关注细节，并将问题分解为一系列小步骤。同理，调试程序（即找到并修复错误）时，需要耐心观察程序在做什么，进而找出导致问题的原因。与学习其他技能一样，编写的程序越多，编程水平就越高。

什么时候学习编程都不晚

对于学习编程，第二个常见的顾虑是担心过了最佳学习年龄。网上有很多评论说，自己都23岁了，学习编程太晚了。这个年龄学习编程显然并不晚，因为很多人开始学习编程时年龄比23岁要大得多。

即便没有从小学习编程，也能成为出色的程序员，但“程序员都很神通”的印象的确深入人心。遗憾的是，当我跟人说我从小学就开始学习编程时，也为这种谬误的传播贡献了一份力量。

然而，相比于20世纪90年代，如今学习编程要容易得多，因为可供参考的书籍更多、搜索引擎更出色、在线的问答网站更多、编程语言本身对用户也更友好。鉴于此，以前我从小学到高中毕业期间学到的所有编程知识，现在可能只需十多个周末就能学会；换言之，我虽然赢在了起跑线上，但并没有领先多少。

对编程秉持成长思维很重要，换言之，必须明白编程技能是通过实践得以提高的。谁也不是天生就是程序员，现在不熟悉编程并不意味着永远成不了专家。

AI不会取代程序员

20世纪90年代，纳米技术被认为有望改变一切。大家普遍认为，新的制造工艺和科学发明将彻底改变社会。借助大小与细菌相当的纳米机器人，可以通过每次添加一个碳原子的方式组装出碳纳米管、巴基球和钻石（其造价像铅笔芯一样低廉）。这样一来，我们就能制造出强度为钢铁的10倍，而重量和造价却低得多的材料。借助这些技术，有望铺设太空电梯、创造医学奇迹、制造出能够创造一切的家用电器（犹如《星际迷航》中的复制机）。这意味着资源稀缺、全球性饥饿和战争的终结，世界将进入一个智慧的新时代，但前提条件是纳米机器人不会奋起反抗，将创造它们的人类推翻。那时有人认为，这样的技术有望在10年内面世。

当然，这种被大肆宣传的前景并未成为现实。在纳米技术领域，确实有真正意义的创新，智能手机就使用了众多这样的技术，但《星际迷航》中的复制机和其他宏大的愿景并未实现，人们对纳米技术的看法也变得现实了很多。

下面来说说AI。

个人计算机改变了一切，互联网改变了一切，社交媒体改变了一切，智能手机改变了一切，加密货币并未改变一切，但确实揭示出了你的哪些远亲和同事容易陷入一夜暴富的骗局。当前，技术行业出现的最新奇迹无疑是AI，人们用它来指代从下棋的计算机到聊天机器人，以及所谓的专家系统和机器学习等。本书使用AI来指代大语言模型（Large Language Model，LLM），这是一个概念范畴，涵盖OpenAI的ChatGPT、Google的Gemini、Meta的Llama和其他生成式文本系统。

LLM引发了众多令人目瞪口呆的断言和问题。AI会让所有人失业吗？现在还值得去学习编程吗？AI有生命吗？在这场AI机器人革命中，我能全身而退吗？

LLM技术激动人心，但要让它发挥作用，我们不能有不切实际的期望，以免因相信哗众取宠的新闻和可疑的投资机会而成为受害者。但愿我能帮你戳破泡沫，真正看清LLM能够在学编程这件事情上给你提供什么帮助。我们现在就来重申一些正确的观念。

● LLM没有意识和知觉。

● LLM不会取代人类软件工程师。

● LLM并不能让你绕过学编程这一步，该学的还是得学。

● LLM不能取代大多数人的工作（但并不排除管理层可能会那样想，进而将你辞退）。

● LLM远远谈不上完美，甚至会经常犯错。

那些抱有错误执念的人，他们的信息来源多半是科幻电影和网络短视频，而非实际的LLM使用经验。Simon Willison是Python软件基金董事会成员和Web框架Django的联合创始人，我强烈建议你阅读他就AI相关话题撰写的文章，并观看他在PyCon 2024大会上就LLM发表的充满智慧和启迪的主旨演讲。

LLM可以为程序员提供什么样的帮助呢？在当前LLM发展的早期阶段，显然学习如何与LLM沟通（所谓的“提示词工程”）是一项重要技能，就像学会有效地使用搜索引擎是一项重要技能一样。LLM不是人，因此你需要学习如何正确地提问才能得到中肯而可靠的答案。当LLM信心满满地编造错误的答案时，我们说它出现了“幻觉”，但这将算法拟人化了。LLM不思考，只是生成文本，也就是说，LLM总是会出现幻觉，即便答对了，也只是巧合。

LLM既会犯严重且显而易见的错误，也会犯小而微妙的错误。如果要将其用作学习助手，请务必保持警惕，对它告诉你的一切都进行核实——无论是重点还是细节。完全不借助LLM学习仍然是合理的选择。到目前为止，LLM在教育领域的有效性还未得到证明，我们并不确定LLM在什么情况下是有效的学习工具，甚至都不确定它带来的好处是否超过了为此付出的代价。

如此多的人相信有关LLM的大肆宣传并没有什么奇怪的。我们装在口袋里的设备（智能手机）在20世纪的科学家看来就是超级计算机。它们让全球信息（包括错误信息）变得触手可及，不管身处地球的什么地方，通过卫星通信，它们都能够快速实现定位。软件确实能够做些神奇的事情，但软件并非万能。通过学习编程，你会对哪些确实在计算机的能力范围内、哪些不过是炒作，拥有更准确的认识。

涵盖的内容

本书分两部分，其中第一部分介绍如何使用Python编程，第二部分介绍可以用来自动完成各种任务的Python库。建议先按顺序阅读第一部分的全部内容，再根据自己的兴趣有选择地阅读第二部分的内容。下面简要地说明一下各章涵盖的内容。

第一部分：编程基础

第1章介绍表达式和最基本的Python指令，以及如何使用Python交互式环境来尝试执行代码。

第2章介绍如何让程序决定执行哪些指令，让代码能够根据条件做出明智的响应。

第3章介绍如何让程序重复执行指令，直到执行了指定次数或不满足指定的条件。

第4章介绍如何定义函数，以便将代码组织成易于管理的模块。

第5章介绍如何使用Python提供的各种工具查找和修复bug。

第6章介绍列表和数据组织技巧。

第7章介绍字典和更强大的数据组织技巧。

第8章介绍如何处理文本数据（Python称之为字符串）。

第二部分：任务自动化

第9章介绍在Python中如何使用正则表达式来操作字符串和查找文本模式。

第10章介绍如何读取文本文件的内容，以及如何将数据保存到硬盘文件中。

第11章介绍如何借助Python以比人类用户快得多的速度复制、移动、重命名和删除大量文件，还将介绍如何压缩和解压缩文件。

第12章介绍如何将Python程序打包，以便能够在本地计算机或协作的计算机上轻松地运行它们。

第13章介绍如何编写自动下载网页并对其中的信息进行解析的程序（又称“爬虫”程序）。

第14章介绍如何通过编程操作Excel电子表格，当你需要分析数百乃至数千个表格时，这可以提供极大的帮助。

第15章介绍如何使用Python读取和更新由Google Sheets创建的电子表格。

第16章介绍如何使用Python自带的强大开源数据库软件SQLite处理关系数据库。

第17章介绍如何通过编程读取PDF和Word文档。

第18章介绍如何通过编程操作数据序列化格式（CSV、JSON和XML）的文档。

第19章介绍如何在Python程序中处理时间和日期，如何调度计算机使其在特定时间执行任务，以及如何在Python程序中启动其他程序。

第20章介绍如何编写程序，使其能够通过电子邮件、手机短信、推送消息等方式向自己或他人发送自动化提醒。

第21章介绍如何通过编程操作图像（如JPEG或PNG文件），以及如何使用Matplotlib库绘制图表。

第22章介绍如何使用PyTesseract包提取图像和扫描文档中的文本，以便做进一步的处理。

第23章介绍如何通过编程来控制鼠标和键盘，以自动化鼠标单击和键盘按键操作。

第24章介绍如何使用高级计算机科学包在文本和语音之间进行转换。

要下载本书示例的源代码及其用到的其他资源，可前往异步社区网站。

下载并安装Python

请前往Python官网，免费下载用于Windows、macOS和Ubuntu Linux的Python解释器。

下载网页会检测你的计算机所使用的操作系统，并推荐应下载的包。对于移动操作系统Android和iOS，有非官方的Python安装程序，但这些不在本书的讨论范围内。Windows、macOS和Linux都有其独特的安装选项，请根据你使用的操作系统下载相应的安装程序，再运行这个程序以安装Python解释器。

下载并安装Mu

Python解释器用于运行你编写的程序，而Mu编辑器用于输入程序，输入方式类似于在文字处理软件中输入文字。要下载Mu，可前往Mu编辑器的官网。

如果你使用的是Windows或macOS操作系统，请下载相应的安装程序，再双击运行它。在macOS系统中运行这个安装程序时，会打开一个窗口，你必须将其中的Mu图标拖曳到文件夹Applications中才能继续安装。如果你使用的是Ubuntu Linux系统，需要像安装包那样安装Mu。要查看有关如何安装的详细说明，请单击相应的Instructions按钮。

启动Mu

安装好Mu后，可以像下面这样启动它。

● 在Windows系统中，单击屏幕左下角的“开始”图标，在搜索框中输入Mu，再选择“Mu”。

● 在macOS系统中，打开Finder窗口，再依次单击Applications和mu-editor。也可以在Spotlight中打开Mu。

● 在Ubuntu Linux系统中，依次选择Applications > Accessories > Terminal，再输入python3-m mu并按Enter键。

首次运行Mu时，会出现Select Mode窗口，其中包含Adafruit CircuitPython、BBC micro:bit、Pygame Zero、Python 3等选项，请选择Python 3。如果后续想修改模式，可单击编辑器窗口顶部的Mode按钮。

启动IDLE

本书将Mu作为编辑器，还将使用它提供的交互式环境。当然，你也可以使用任何编辑器来编写Python代码。安装Python时，会同时安装集成开发和学习环境（Integrated Development and Learning Environment，IDLE）。如果由于某种原因无法安装或运行Mu，可以将IDLE作为Python代码编辑器。启动IDLE的方法如下（假设你安装的是Python 3.13）。

● 在Windows系统中，单击屏幕左下角的“开始”图标，在搜索框中输入IDLE并按Enter键，再选择IDLE (Python 3.13 64-bit)。

● 在macOS系统中，打开Finder窗口，再依次单击Applications、Python 3.13和IDLE图标。也可以在Spotlight中运行IDLE。

● 在Ubuntu Linux系统中，选择Applications > Accessories > Terminal，再输入idle并按Enter键。也可以单击Ubuntu Linux系统边栏末尾的Show Apps，再单击IDLE。

交互式环境

运行Mu时，出现的窗口称为文件编辑器窗口。在这个窗口中，单击REPL按钮可以打开交互式环境，让你能够向计算机发出指令，就像在终端窗口（macOS）或命令提示窗口（Windows）中向计算机发出指令一样。Python解释器会立即运行任何在Python交互式环境中输入的指令。

在Mu中，交互式环境是一个位于窗口下半部分的窗格，其中包含类似于下面的内容：

Jupyter QtConsole
Python 3
Type 'copyright', 'credits' or 'license' for more information
IPython -- An enhanced Interactive Python. Type '?' for help.
　
In [1]:

运行IDLE时，首先出现的是交互式环境窗口，其中只包含类似于下面的内容：

>>>

In [1]:和>>>都被称为提示符。在本书的示例中，将使用提示符>>>来表示交互式环境，因为它更常见。从终端窗口或命令提示窗口运行Python时，也将使用提示符>>>。提示符In [1]:来自另一款流行的Python编辑器——Jupyter Notebook。

例如，在交互式环境中，如果在提示符右边输入下面的代码并按Enter键：

>>> print('Hello, world!')

作为回应，交互式环境将显示如下内容：

>>> print('Hello, world!')
Hello, world!

这里你向计算机发出了一条指令，而计算机按你的命令执行了操作。

寻求帮助

程序员喜欢通过在网上查找问题的答案来学习，这不同于传统的学习方式——向现场授课的老师学习并请教问题。以网络为学习平台的优点是，整个社区的人都可以帮助你解决问题。实际上，你面临的问题可能有人解答过，因此答案就在网上等着你去寻找。如果运行代码时出现错误消息或者代码无法正确运行，你可能不是遇到这种问题的第一人，因此可能更容易找到解决方案。

例如，我们来有意地引发一个错误：在交互式环境中输入'42' + 3。结果将类似于下面这样（你现在无须知道这条指令的含义）：

  >>> '42' + 3
❶ Traceback (most recent call last):
    File "<pyshell#0>", line 1, in <module>
        '42' + 3
❷ TypeError: can only concatenate str (not "int") to str
  >>>

出现了一条错误消息❷，因为Python无法理解你发出的指令。在这条错误消息中，Traceback部分❶指出了给Python带来麻烦的指令及其所在行的行号。当出现错误消息时，如果不知道该怎么办，你可以在网上搜索相应的错误消息。

为此，你可以在搜索引擎中输入“TypeError: can only concatenate str (not "int") to str”（包括标点符号），这时将出现大量说明错误消息的含义和原因的链接，如图2所示。

图2　搜索错误消息得到的结果可能提供极大的帮助

你常常会发现，已经有人遇到过同样的问题，而且有乐于助人的人做出了解答。没有人能掌握所有的编程知识，因此对任何软件开发人员来说，查找技术问题的答案都是其日常工作的一部分。

正确地提出编程问题

如果在网上找不到答案，可尝试前往Stack Overflow或Reddit网站“learn programming”板块这样的网络论坛提问。但别忘了，要让人乐意帮忙解答，必须以正确的方式提出问题。首先，务必阅读这些网站的常见问题（Frequently Asked Questions）部分，了解正确的提问方式。

在提出编程相关的问题时，请牢记如下几点。

● 指出你想要做什么，而不仅仅是你做了什么，让帮助者知道你的方向是否正确。

● 指出错误是在什么时候发生的：发生在程序刚开始运行时，还是你执行了某种操作后。

● 将完整的错误消息和代码复制并粘贴到pastebin网站或GitHub网站（这些网站让你能够轻松地与人分享大量代码，且不会丢失文本格式设置），这样就可以将代码的URL加入电子邮件或论坛帖子中。

● 指出你为解决问题做了哪些尝试，让其他人知道你为解决问题做出了努力。

● 指出所使用的Python版本，并指出所使用的操作系统及其版本。

● 如果错误是在修改代码后出现的，请准确地说明做了哪些修改。

● 指出错误在你每次运行程序时都会出现，还是只在你执行了特定操作时才出现。如果是后一种情况，还需说明你执行了什么操作。

另外，务必遵守良好的网络社交礼仪。例如，提问时不要使用全大写，不向帮助者提出无理要求。

关于第3版的说明

第3版做了全面修订，精心设计了16个编程项目，让读者能够将学到的技能付诸实践。书中全面介绍了SQLite及如何使用Python的sqlite3模块操作关系数据库，如何在Windows、macOS和Linux系统中将Python程序编译为可执行程序，以及如何创建和运行命令行程序。书中还介绍了如何使用PyPDF和PdfMiner执行PDF操作，如何使用Playwright和Selenium 控制Web浏览器，如何使用文本转语音库，以及如何使用OpenAI Whisper库将音频和视频文件转为文本，如何使用PyTesseract提取图像中的文本，如何使用Matplotlib创建图表。

小结

对大多数人来说，计算机只是设备，而非工具。但通过学习编程，你可以将它变成现代社会最强大的工具之一。编程不是脑外科手术，业余爱好者也可以尝试，即便犯错也没多大关系，越折腾越有趣。

本书假定读者不具备任何编程知识，但学海无涯，在编程之旅上，知道如何有效地提问和寻找答案才是最宝贵的技能。

让我们开始吧！

资源与支持

资源获取

本书提供如下资源：

● 案例素材；

● 配套源代码；

● 本书习题及参考答案；

● 本书实践项目；

● Python排障手册；

● Python学习效率手册；

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第一部分　编程基础

第1章　Python基础

Python语言涵盖大量语法结构、标准库函数和交互式开发环境功能，好在对于其中的很大一部分，你都可以不予理会，只需学习很少一部分，就能编写出一些称手的小程序。

为此，你必须掌握一些编程概念。你可能认为，这些概念就像魔法中的咒语一样单调乏味，但经过一段时间的练习后，就能借助它们让计算机完成不可思议的壮举，就像魔法师借助咒语来实施魔法。

下面首先介绍Python交互式环境，强烈建议在阅读过程中输入本章的示例代码。Python交互式环境也被称为REPL（read-evaluate-print-loop，读取-评估-输出-循环），用于以每次一条的方式运行（执行）Python指令，并立即查看执行结果。交互式环境对了解基础Python指令的作用非常有帮助，务必在阅读本书的过程中尝试使用它：相比于仅仅阅读，辅以实践有助于更牢靠地掌握相关知识。

1.1　在交互式环境中输入表达式

要运行Python交互式环境，可在Mu编辑器中进行；有关如何下载并安装Mu，请参阅本书前言。在Windows系统中，打开“开始”菜单，输入Mu，即可打开Mu编辑器；在macOS系统中，打开Applications文件夹，再双击其中的Mu，即可打开Mu编辑器。在Mu编辑器中，单击New按钮，并将新建的空文件保存为blank.py。单击Run按钮或按F5运行这个空文件，这将打开Python交互式环境——一个位于Mu编辑器窗口底部的新窗格。在这个交互式环境中，显示了提示符>>>。

你也可以在命令行终端启动Python交互环境。在macOS和Linux系统中，请打开系统自带的终端后，直接输入python3即可。在Windows系统中，请打开Windows 终端或使用传统的命令提示符，并在其中输入python即可。

当你看到提示符>>>，说明已顺利进入交互式解释器。此时，若想运行脚本，只需在具体命令后加上.py文件路径，例如：

● 针对macOS和Linux系统，请使用python3 blank.py ；

● 针对Windows系统，请使用python blank.py 。

在提示符下输入2 + 2并按Enter键，让Python做些简单的数学运算。此时，Mu编辑器将包含类似下面的内容：

>>> 2 + 2
4
>>>

在Python中，2 + 2被称为表达式——Python语言中最基本的编程指令。表达式由值（如2）和运算符（如+）组成，可进一步计算（即化简）为单个值。这意味着在Python代码中，可在任何可使用值的地方使用表达式。

在前面的示例中，表达式2 + 2的计算结果为单个值4。单个值（没有运算符）也被视为表达式，只是这种表达式的计算结果为其自身，如下所示：

>>> 2
2

Mu编辑器中有一个REPL按钮，单击它将显示提示符类似于In [1]:的交互式环境，流行的Jupyter Notebook编辑器使用的就是这种交互式环境，其用法与提示符为>>>的常规Python交互式环境类似。REPL并非Python所特有，很多编程语言都提供了REPL，以方便你尝试执行它们的代码。

编程中会涉及一些你可能不太熟悉的数学运算。

● 乘方（幂）运算：类似于乘法运算，只是乘法运算将自身相加n次，而乘方运算将自身相乘n次。例如，2的4次方（2的4次幂）可表示为2⁴或2**4，意思是将2自身相乘4次，即2⁴ = 2 × 2 × 2 × 2 = 16。

● 求模运算：计算除法运算的余数，例如，14 % 4的结果为2，因为14除以4的商为3，余数为2。在Python中，求模运算符为% ，与百分比毫无关系。

● 整数除法：类似于普通除法，但将结果向下取整。例如，25 / 8的结果为3.125，但25 // 8的结果为3；29 / 10的结果为2.9，但29 // 10的结果为2。

在Python表达式中，还可使用许多其他运算符。表1-1列出了Python支持的所有数学运算符。

表1-1　数学运算符

在Python中，数学运算符的运算顺序（也称为优先级）与数学中类似：首先执行运算符**，再按从左到右的顺序执行*、/、//和%，最后执行+和-（顺序也是从左到右）。需要时，可使用小括号来改变正常的优先级。在Python中，运算符和值之间的空白无关紧要（代码行开头的缩进很重要），但惯例（非正式规则）是在运算符和值之间添加一个空格。请在交互式环境中输入下面的表达式：

>>> 2 + 3 * 6
20
>>> (2 + 3) * 6
30
>>> 48565878 * 578453
28093077826734
>>> 2 ** 8
256
>>> 23 / 7
3.2857142857142856
>>> 23 // 7
3
>>> 23 % 7
2
>>> 2　　+　　　　2
4
>>> (5 - 1) * ((7 + 1) / (3 - 1))
16.0

在上面每个示例中，作为程序员的你都必须动手输入表达式，但艰难的计算工作是由Python完成的。Python不断计算表达式的各个部分，直到结果为单个值：

这些有关如何将运算符和值组合成表达式的规则是Python编程语言的重要组成部分，就像帮助我们交流的语法规则一样。请看下面的例子：

This is a grammatically correct English sentence.

This grammatically is sentence not English correct a.

第二个句子不符合英语的语法规则，因此难以理解。同理，如果你输入的Python指令不符合Python语法，Python将无法理解，进而显示SyntaxError错误消息，如下所示：

>>> 5 +
  File "< python-input-0>", line 1
    5 +
      ^
SyntaxError: invalid syntax
>>> 42 + 5 + * 2
  File "<python-input-0>", line 1
    42 + 5 + * 2
             ^
SyntaxError: invalid syntax

要检查指令是否有效，可在交互式环境中输入并执行它。不用担心这样做会损坏计算机，最糟的结果不过是出现一条错误消息。专业软件开发人员在编写代码时也经常会遇到错误消息。

1.2　整型、浮点型和字符串数据类型

前面说过，表达式由值和运算符组合而成，其结果为单个值。数据类型是特定类型的值，而每个值都只属于一种数据类型。表1-2列出了Python中常见的数据类型。例如，值-2和30被归入整数值。整数数据类型表明值为整数；带小数点的数字（如3.14）被称为浮点数。请注意，值42为整数，但值42.0为浮点数。程序员通常将整数和浮点数统称为数字，但在Python中，并没有“数字”这种数据类型。

对于Python，一个需要注意的细微之处是，同时涉及整数和浮点数的数学运算的结果为浮点数，而不是整数。例如，虽然表达式3 + 4的结果为整数7，但表达式3 + 4.0的结果为浮点数7.0。使用运算符/对两个整数执行除法运算时，结果也是浮点数。例如，16 / 4的结果为4.0，而不是4。在大多数情况下，这一点对程序来说都无关紧要，但知道这一点后，在数字中突然出现小数点时，你将明白其中的原因所在。

表1-2　常见的数据类型

在Python程序中，还可使用文本值，这种文本值被称为字符串。对于文本值，总是用单引号字符（'）将其括起，如'Hello'或'Goodbye cruel world!'，这旨在让Python知道字符串的起始位置和结束位置。甚至有不包含任何字符的字符串（''），这被称为空字符串。字符串将在第8章做更详细的介绍。

你可能遇到类似于下面这样的错误消息：

>>> 'Hello, world!
SyntaxError: unterminated string literal (detected at line 1)

这种错误消息可能表明你遗漏了字符串末尾的单引号。

1.3　字符串的拼接和复制

当运算符两边的值的数据类型发生变化时，运算符的含义可能随之变化。例如，用于对两个整数或浮点数执行运算时，+为加法运算符，但作用于两个字符串值时，+为字符串拼接运算符，将两个字符串拼接为一个。请在交互式环境中输入下面的代码：

>>> 'Alice' + 'Bob'
'AliceBob'

这个表达式的结果为单个字符串值，由表达式中两个字符串的文本合并而成。然而，如果将运算符+用于一个字符串值和一个整数值，Python将不知道该如何做，进而显示一条错误消息：

>>> 'Alice' + 42
Traceback (most recent call last):    
    File "<python-input-0>", line 1, in <module>
        'Alice' + 42
TypeError: can only concatenate str (not "int") to str

错误消息can only concatenate str (not "int") to str表明，Python认为你试图将一个整数和字符串'Alice'拼接起来。在代码中，必须显式地将整数转换为字符串，因为Python不能自动完成这项任务。在1.6节讨论函数str()、int()和float()时，会介绍如何在数据类型之间进行转换。

运算符*通常用于将两个整数或浮点数相乘，但用于一个字符串值和一个整数值时，它将变成字符串复制运算符。要以这种方式使用运算符*，可在交互式环境中输入一个字符串、*和一个整数，如下所示：

>>> 'Alice' * 5
'AliceAliceAliceAliceAlice'

这个表达式的结果为单个字符串值，它重复了原始字符串n次，其中n由*后面的整数值指定。字符串复制是一个很有用的技巧，但不如字符串拼接那样常用。

运算符*用于两个数值（表示乘法运算）之间，或一个字符串值和一个整数值（表示字符串复制）之间，否则Python将显示一条错误消息，如下所示：

>>> 'Alice' * 'Bob'
Traceback (most recent call last)：
    File "<python-input-0>", line 1, in <module>
        'Alice' * 'Bob'
TypeError: can't multiply sequence by non-int of type 'str'
>>> 'Alice' * 5.0
Traceback (most recent call last)：
  File "<python-input-0>", line 1, in <module>
    'Alice' * 5.0
TypeError: can't multiply sequence by non-int of type 'float'

Python无法理解这些表达式，这合乎情理，因为无法将两个单词相乘，而复制字符串时，复制次数不能是小数。

就目前而言，表达式、数据类型和运算符可能对你来说显得很抽象，但对这些概念有更深入的认识后，你将能够创建更复杂的程序，并在其中对来自电子表格、网站、其他程序和地方的数据执行数学运算。

1.4　在变量中存储值

变量类似于计算机内存中的一个盒子，可在其中存放单个值。在程序中，如果要在后面使用计算得到的表达式结果，可将其存储到变量中。

1.4.1　赋值语句

要将值存储到变量中，可使用赋值语句。赋值语句由变量名、等号（被称为赋值运算符）和要存储的值组成。如果你输入赋值语句spam = 42，变量spam中将保存整数值42。

可将变量视为带标签的盒子，其中存储了值，但更好的比喻可能如下：变量是与值相关联的标签，个中原因将在第6章阐述。图1-1说明了这两种比喻。

图1-1　代码spam = 42告诉程序，变量spam当前存储的是整数值42

请在交互式环境中输入如下代码：

❶ >>> spam = 40
  >>> spam
  40
  >>> eggs = 2
❷ >>> spam + eggs
  42
  >>> spam + eggs + spam
  82
❸ >>> spam = spam + 2
  >>> spam
  42

首次在一个变量中存储值时，这个变量将被初始化（被创建），如❶处所示。初始化变量后，就可在表达式中使用它（以及其他变量和值），如❷处所示。如❸处所示，将新值赋给变量后，原来的值被遗忘，因此在上述示例末尾，spam的值为42，而不是40。将新值赋给变量被称为覆盖变量。请在交互式环境中输入下面的代码，尝试覆盖变量中存储的字符串：

>>> spam = 'Hello'
>>> spam
'Hello'
>>> spam = 'Goodbye'
>>> spam
'Goodbye'

在这个示例中，变量spam中存储的是'Hello'，直到你将这个字符串替换为'Goodbye'，旧值将被覆盖，如图1-2所示。

图1-2　 给变量赋新值时，旧值被覆盖

你也可以把“覆盖变量”理解为将原本贴在某个值上的名字标签撕下来，再贴到新的值上。

1.4.2　变量名

好的变量名描绘了变量包含的数据。设想一下，如果搬家时将所有箱子的标签都标为“物品”，搬家后就无法快速找到所需的东西。在本书的大部分示例（以及Python文档）中，使用的都是不那么具体的变量名，如spam、eggs和bacon［这些名称源自英国六人喜剧团“巨蟒组”（Monty Python）表演的滑稽小品Spam］。在你自己编写的程序中，务必使用描述性变量名，因为这有助于提高代码的可读性。

在命名方面，Python做了一些限制，具体地说，变量名必须遵循如下4条规则。

● 不能包含空格。

● 只能包含字母、数字和下划线（_）。

● 不能以数字开头。

● 不能是Python关键字，如if、for、return（以及本书将介绍的其他关键字）。

表1-3列出了一些有效和无效的变量名。

表1-3　有效和无效的变量名

变量名是区分大小写的，这意味着spam、SPAM、Spam和sPaM是4个不同的变量。在Python中，约定俗成的做法是，变量名以小写字母开头（变量名spam符合这种约定，而Spam不符合）。

1.5　编写第一个程序

交互式环境很适合用来以每次一条的方式运行Python指令，但要编写完整的Python程序，必须在文件编辑器中输入指令。文件编辑器类似于记事本和TextMate等文本编辑器，但提供了一些专为方便输入源代码的功能。在Mu编辑器中，要新建文件，可单击顶端的New按钮。

这将新建一个选项卡，其中的光标表明正等待你输入代码。在交互式环境中，Python在你按Enter键后立即运行输入的指令，而Mu编辑器让你能够输入大量的指令，将这些指令保存到文件中，再运行整个程序。如何区分交互式环境和Mu编辑器呢？方法如下。

● 交互式环境始终包含提示符>>>或In [1]:。

● Mu编辑器没有提示符>>>或In [1]:。

下面来创建你的第一个程序。在Mu编辑器中新建一个选项卡后，在其中输入如下代码：

# 这个程序会跟用户打招呼并要求用户提供其姓名。
　
print('Hello, world!')
print('What is your name?') # 要求用户提供其姓名
my_name = input('>')
print('It is good to meet you, ' + my_name)
print('The length of your name is:')
print(len(my_name))
print('What is your age?') #要求用户提供其年龄
my_age = input('>')
print('You will be ' + str(int(my_age) + 1) + ' in a year.')

输入这些源代码后，将其保存到文件中，以免重启Mu后需要重新输入它们。为此，单击Save按钮，在File Name文本框中输入hello.py，再单击Save按钮。

输入程序代码时，应每隔一段时间存盘一次，这样即便计算机崩溃或不小心关闭了Mu，也不会丢失代码。要保存文件，可使用快捷键：在Windows和Linux系统中，快捷键为Ctrl+S；在macOS系统中，快捷键为+S。

将这个程序保存到文件后，咱们来运行它。为此，按F5键或单击Run按钮。在程序询问时，输入你的姓名。程序的输出将出现在交互式环境中，它们类似于下面这样：

Hello, world!
What is your name?
>Al
It is good to meet you, Al 
The length of your name is:
2
What is your age?
>4
You will be 5 in a year.
>>>

执行完所有代码后，这个Python程序将终止，即停止运行（也可表述为：Python程序已退出）。程序终止后，Mu编辑器将显示交互式环境提示符>>>，以方便你输入并执行其他的Python代码。

要关闭文件，可单击相应选项卡标签右端的×，这类似于关闭浏览器选项卡。要重新加载已保存的程序，请在菜单中单击Load。现在就请这样做，并在出现的对话框中选择hello.py，再单击Open按钮。这将在一个新的文件编辑器窗口中打开前面保存的程序hello.py。

要查看程序的分步执行过程，可使用可视化工具Python Tutor。在这个工具中，单击前进按钮可让程序往下执行一步，这让你能够看到变量值和输出是如何变化的。

1.6　程序详解

在Mu编辑器中重新打开你的第一个程序后，下面来看看每行代码的作用，并简单地说说该程序使用的Python指令。

1.6.1　注释

下面这行代码为注释：

# 这个程序会跟用户打招呼并要求用户提供其姓名

Python会自动忽略注释，但你可以使用它们来提供说明或指出代码想要做什么。从井字符（#）到行尾的所有内容都是注释。

测试程序时，程序员有时会在代码行开头添加#，以便暂时将相应的代码行从程序中删除，这种做法被称为“将代码注释掉”。在想要搞清楚程序为何不能正确运行时，这种方法可能很有用。后续要恢复被注释掉的代码行时，只需将相应的#删除。

Python还会忽略位于前述注释后面的空行。在程序中，可以根据需要添加任意数量的空行；就像书籍中的分段一样，这种分隔方式使代码阅读起来更轻松。

1.6.2　函数print()

函数print()会将括号内的字符串值显示在屏幕上：

print('Hello, world!')
print('What is your name?') #要求用户提供其姓名

代码行print('Hello, world!')的意思是，输出字符串'Hello, world!'中的文本。Python执行这行代码时，意味着Python正在调用函数print()，同时将前述字符串值传递给了这个函数。向函数传递的值被称为实参。注意到，单引号并未显示到屏幕上，因为它们是字符串起始和结束位置的标识，而非字符串本身的一部分。

注意　函数print()还可用来在屏幕上显示一个空行，只需在调用它时不在括号内指定任何内容即可。

调用函数时，需要在它后面添加左括号和右括号，这表明它是函数名，这就是为什么在本书中你会看到print()（而非print）。标准做法是在函数名和左括号之间不添加空格，但Python并未要求必须这样做。第3章会更详细地介绍函数。

1.6.3　函数input()

函数input()等待用户通过键盘输入一些文本并按下Enter键：

my_name = input('>')

在这行代码中，函数调用返回由用户输入的文本组成的字符串，而其他的代码将这个字符串值赋给变量my_name。传递给这个函数的字符串'>'导致屏幕上出现提示符>，以向用户指出程序在等待他输入内容。在你自己编写的程序中，可不向函数input()传递字符串；若直接调用input()函数，程序依然会等待用户输入，但不会显示任何提示。

可将函数调用input()视为一个表达式，其结果为用户输入的字符串。换言之，如果用户输入的是'Al'，上述赋值语句将与my_name = 'Al'等效。

如果调用input()时出现类似于NameError: name 'Al' is not defined这样的错误消息，那是因为你在运行代码时使用的是Python 2，而不是Python 3。

1.6.4　问候语

在下面的print()函数调用中，括号内包含表达式'It is good to meet you, ' + my_name：

print('It is good to meet you, ' + my_name)

前面说过，表达式的结果都是单个值。如果存储在变量my_name中的值为'Al'，那么这个表达式的结果将为'It is good to meet you, Al'。接下来，这个字符串值被传递给print()，而print()将把它显示在屏幕上。

1.6.5　函数len()

可向函数len()传递一个字符串值（或包含字符串的变量），而这个函数将返回一个整数，指出该字符串包含的字符数：

print('The length of your name is:')
print(len(my_name))

为确定这一点，请在交互式环境中输入如下代码：

>>> len('hello')
5
>>> len('My very energetic monster just scarfed nachos.')
46
>>> len('')
0

与这些示例表明的一样，len(my_name)的结果是一个整数。在这种情况下，我们说函数调用len()返回或输出一个整数值，并将这个整数值称为函数调用的返回值。接下来，将这个整数值传递给print()，以便将其显示在屏幕上。可向函数print()传递整数值或字符串值，但如果在交互式环境中输入下面的代码，将出现错误消息：

>>> print('I am ' + 29 + ' years old.') 
Traceback (most recent call last)：
  File "<python-input-0>", line 1, in <module>
    print('I am ' + 29 + ' years old.')
TypeError: can only concatenate str (not "int") to str

导致上述错误的罪魁祸首并非函数print()本身，而是传递给它的表达式。如果你在交互式环境中输入这个表达式，将出现同样的错误消息：

>>> 'I am ' + 29 + ' years old.'
Traceback (most recent call last)：
  File "<python-input-0>", line 1, in <module>
    'I am ' + 29 + ' years old.'
TypeError: can only concatenate str (not "int") to str

Python为何会显示上述错误消息呢？因为运算符+只能用来将两个数字相加或将两个字符串拼接起来。不能将整数和字符串相加，因为Python不允许这样做。要解决这个问题，可将这里的整数转换为字符串，这将在1.6.6节介绍。

1.6.6　函数str()、int()和float()

如果要将整数29与字符串拼接起来，并将结果传递给函数print()，必须使用29的字符串表示'29'。可将整数值传递给函数str()，以获取这个整数值的字符串版本，如下所示：

>>> str(29)
'29'
>>> print('I am ' + str(29) + ' years old.')
I am 29 years old.

str(29)的结果为'29'，因此表达式'I am ' + str(29) + ' years old.'将变成'I am ' + '29' + ' years old.'，其最终结果为'I am 29 years old.'。这就是传递给函数print()的字符串值。

函数str()、int()和float()分别返回传递给它们的值的字符串、整数和浮点数版本。请在交互式环境中尝试使用这些函数对一些值进行转换，并查看结果，如下所示：

>>> str(0)
'0'
>>> str(-3.14)
'-3.14'
>>> int('42')
42
>>> int('-99')
-99
>>> int(1.25)
1
>>> int(1.99)
1
>>> float('3.14')
3.14
>>> float(10)
10.0

在上述示例中，调用了函数str()、int()和float()，并将其他数据类型的值作为参数传递给它们，以获取这些值的字符串、整数或浮点数版本。

需要将整数或浮点数与字符串拼接时，函数str()提供了极大的便利。需要在数学运算中使用字符串形式的数字时，函数int()可提供极大的帮助。例如，函数input()总是返回一个字符串，即便用户输入的是数字。请在交互式环境中输入spam = input()，再在input()等待你输入文本时输入101：

>>> spam = input() 
101
>>> spam
'101'

变量spam中存储的值不是整数101，而是字符串'101'。如果要使用变量spam存储的值来执行数学运算，可使用函数int()来获取其整数形式，再将结果作为这个变量的新值。如果变量spam的值为字符串'101'，那么表达式int(spam)的结果将为整数值101，而赋值语句spam = int(spam)将与spam = 101等效：

>>> spam = int(spam)
>>> spam
101

现在，就可以将变量spam作为整数（而不是字符串）使用了：

>>> spam * 10 / 5
202.0

请注意，如果传递给int()的值不能转换为整数，Python将显示一条错误消息：

>>> int('99.99')
Traceback (most recent call last): 
  File "<python-input-0>", line 1, in <module>
    int('99.99')
ValueError: invalid literal for int() with base 10: '99.99'
>>> int('twelve')
Traceback (most recent call last)：
  File "<python-input-0>", line 1, in <module>
    int('twelve')
ValueError: invalid literal for int() with base 10: 'twelve'

需要将浮点数向下取整时，函数int()也很有用：

>>> int(7.7)
7
>>> int(7.7) + 1
8

在你的第一个程序的最后3行代码中，使用了函数int()和str()来获得数据类型合适的值：

print('What is your age?') #要求用户提供其年龄。
my_age = input('>')
print('You will be ' + str(int(my_age) + 1) + ' in a year.')

变量my_age包含函数input()返回的值。因为函数input()总是返回一个字符串（即便用户输入的是数字亦如此），所以可使用代码int(my_age)将变量my_age中的字符串转换为整数值。然后，将这个整数值与1相加，如表达式int(my_age) + 1所示。

>>> 42 == '42'
False
>>> 42 == 42.0
True
>>> 42.0 == 0042.000
True

相加的结果被传递给函数str()，即str(int(my_age) + 1)。接下来，将返回的字符串值与字符串'You will be '和' in a year.'拼接起来，形成一个更长的字符串。最后，将这个更长的字符串传递给函数print()，以便在屏幕上显示它。

假设用户输入并存储在my_age中的是字符串'4'，上述执行步骤将类似于下面这样：

字符串'4'被转换为整数，以便能够将其与1相加。相加的结果为5。函数str()将结果转换为字符串，以便能够将其与第二个字符串（'in a year.'）拼接，以生成最终的消息。

1.6.7　函数type()

在Python中，并非只有整数、浮点数和字符串这3种数据类型。在学习编程的过程中，你还可能遇到其他数据类型。要确定值所属的数据类型，可将其传递给函数type()。例如，可在交互式环境中输入下面的代码：

>>> type(42)
<class 'int'>
>>> type(42.0)
<class 'float'>
>>> type('forty two')
<class 'str'>
>>> name = 'Zophie'
>>> type(name) # 变量name存储的值的数据类型为字符串
<class 'str'>
>>> type(len(name)) # 函数len()返回的是整数值
<class 'int'>

与其他所有函数调用一样，不仅可以将值传递给type()，还可将变量或表达式传递给它，以确定变量值或表达式结果的数据类型。函数type()也返回值，但尖括号意味着这些值并非合乎语法的Python代码；换言之，类似于spam = <class 'str'>这样的代码是无法运行的。

1.6.8　函数round()和abs()

下面来介绍另外两个Python函数，它们与函数len()一样，也接受一个参数并返回一个值。函数round()接受一个浮点数，并返回与之最接近的整数。请在交互式环境中输入下面的代码：

>>> round(3.14)
3
>>> round(7.7)
8
>>> round(-2.2)
-2

函数round()还接受第二个参数，这个参数是可选的，指定结果要包含多少位小数。请在交互式环境中输入下面的代码：

>>> round(3.14, 1)
3.1
>>> round(7.7777, 3)
7.778

当参数的小数部分为.5时，舍入行为有点奇怪。函数调用round(3.5)的结果为4（向上取整），而round(2.5)的结果为2（向下取整）。对于以.5结尾的数字，将被取整为与之最接近的偶数，这种方式被称为“银行家舍入”。

函数abs()接受一个数字参数，并返回该参数的绝对值。在数学中，绝对值被定义为与0的距离，但作者发现，将绝对值视为数字的正数形式更容易理解。请在交互式环境中输入下面的代码：

>>> abs(25)
25
>>> abs(-25)
25
>>> abs(-3.14)
3.14
>>> abs(0)
0

在本书后面，还将介绍Python自带的其他几个函数。由本节可知，可在交互式环境中尝试使用各种函数，以了解在输入不同的情况下，它们的行为有何不同。这是一种常用的学习新代码的方法。

1.7　计算机如何使用二进制数存储数据

有关Python代码就暂时介绍到这里。此时你可能认为，编程就像魔术一样神奇。计算机是如何将2 + 2转换为4的呢？对本书的读者来说，这个问题的答案过于复杂，这里只介绍幕后情况的一部分：计算时涉及的二进制数（由0和1组成的数字）。

在非法入侵计算机的电影桥段中，常常能够看到一系列的0和1在屏幕上滚动。这看起来神秘莫测，令人印象深刻。这些1和0到底是什么呢？答案是它们是二进制数。二进制是最简单的数制，在计算机硬件中可使用价格低廉的组件来实现。二进制也被称为以2为基数的数制，我们熟悉的以10为基数的数制能够表示的所有数字，二进制都能够表示。十进制使用10个数字：0~9。表1-4展示了前27个非负整数（0~26）的十进制和二进制表示。

表1-4　前27个非负整数的十进制和二进制表示

这些数制类似于图1-3所示的机械式里程表。在每一位中，到达最大可能值后，都重置为0，同时将上一位加1。在十进制中，每位的最大可能值为9，而在二进制中，每位的最大可能值为1。有鉴于此，在十进制中，9后面的数字为10，而999后面的数字为1000。同理，在二进制中，1后面的数字为10，而111后面的数字为1000。然而，二进制值10表示的并非10，而是2；二进制数1000表示的并非1000，而是8。

图1-3　十进制机械式里程表（左）和二进制机械式里程表（右）

使用计算机硬件表示二进制数比表示十进制数更容易，因为需要表示的状态只有两种。例如，在蓝光光碟和DVD的表面，有平滑区域和凹坑，前者反射激光，而后者不反射；电路可以有通电和断电两种情形。这些硬件标准都能够表示两种不同的状态。相反，要制造高品质电子器件（即足够敏感、能够以可靠精度检测10种不同的电平），成本将非常高。使用简单电子器件时，成本更低，而两种二进制状态也更简单可靠。

这些二进制位被简称为“位”。1位可表示两个数字，而8位（1字节）可表示2⁸（256）个数字：十进制数0～255（二进制数0～11 111 111）。同理，单个十进制位可表示10个数字（0～9），而8个十进制位可表示10⁸（100 000 000）个数字（0～99 999 999）。在计算机中，文件大小以其占用的字节数来衡量。

● 1千字节（KB）为2¹⁰（1 024）字节。

● 1兆字节（MB）为2²⁰（1 048 576）字节，即1024 KB。

● 1吉字节（GB）2³⁰（1 073 741 824）字节，即1024 MB。

● 1太字节（TB）为2⁴⁰（1 099 511 627 776字节），即1024 GB。

莎士比亚的《罗密欧与朱丽叶》包含的文本大约为135 KB；高分辨率照片为2~5 MB（随照片质量而异）；电影为1~50 GB（随影片时长而异）。然而，在这些术语的含义方面，硬盘和闪存制造商明目张胆地撒谎。例如，将1 000 000 000 000（而不是1 099 511 627 776）字节称为1 TB，从而能够将9.09 TB的硬盘作为10 TB硬盘进行售卖。

使用1和0的二进制不仅能够表示任何整数，还能够表示任何形式的数据。例如，通过采用二进制补码，1字节可表示数字-128~127，而不是0~255；通过采用IEEE-754，可表示浮点数。

在计算机中，可以二进制数方式存储文本，方法是将每个字母、标点和符号都关联到一个不同的数字。用于将文本表示为数字的系统被称为编码系统，最常用的文本编码系统是UTF-8，在这种编码系统中，大写字母A由十进制数65（或8位二进制数01000001）表示，?（问号）由数字63表示，而数字字符7由数字55表示。对于字符串'Hello'被存储为数字72、101、108、108和111，因此存储在计算机中时，Hello呈现为如下位流：0100100001100101011011000110110001101111。

这看起来很像黑客电影中的场景!

对于每种形式的数据，为将其编码为数字，工程师们都需要发明相应的编码方式。对于照片和图像，可将其划分为由颜色方块（被称为像素）组成的二维网格；对于每个像素，都可使用3字节来表示其颜色的红、绿、蓝分量（有关图像数据，第21章将给出更详细的介绍）。例如，可使用数字255、0和255表示一个这样的像素：红色和蓝色分量为可能的最大值，而绿色分量为0（即紫色像素）。

声音由传播到人耳朵中的压缩空气波组成，被人类的大脑解读为听觉。可将这些波的强度和频率随时间的变化情况绘制为图形，再将图形上的数字转换为二进制数并存储到计算机中，之后计算机会控制扬声器来重现声音。这里简化了计算机音频的工作原理，但描绘了如何用数字来表示贝多芬第五交响曲。

众多图像数据和音频数据组合后便形成了视频，任何形式的信息都可编码为二进制数。当然，涉及的细节比这里介绍的要多得多，但在当今的信息时代，各种数据就是以这里介绍的方式用1和0表示的。

1.8　小结

你可以使用计算器来计算表达式的结果，也可以使用文字处理软件通过输入来拼接字符串，还可以通过复制并粘贴文本来轻松地将字符串重复多次。然而，表达式及其组成部分（运算符、变量和函数调用）是构成程序的基本构件，知道如何处理这些元素后，就能够让Python替你处理大量的数据。

你将发现，牢记本章介绍的各种运算符（数学运算符+、-、*、/、//、%和**，以及字符串运算符+和*）和3种数据类型（整数、浮点数和字符串）大有裨益。

另外，本章还介绍了一些函数，其中函数print()和input()用于处理简单的文本输出（输出到屏幕）和文本输入（来自键盘）；函数len()接受一个字符串参数，并返回一个整数，指出作为参数的字符串包含多少个字符；函数str()、int()和float()分别返回传递给它们的值的字符串、整数和浮点数版本；函数round()返回通过舍入得到的整数，而函数abs()返回参数的绝对值。

第2章将介绍如何让Python根据它拥有的值就如下方面做出明智的决定：执行哪些代码、跳过哪些代码和反复执行哪些代码。这被称为流程控制，让你能够编写出能够做出明智决定的程序。