1. 场景描述

  吉米是太平洋岛国一个贫苦家庭的孩子，他的梦想就是当总统，引领国家走向富强之路。

  开学的第一堂课上，老师用白色的粉笔在黑板上写下了“我的梦想”，同学们都陷入了思考。大卫的梦想是当一名科学家，用奇思妙想改变世界，探索人类未知的秘密；杰克的梦想是当一名妙手回春的医生，用高超的医术解除病人的痛苦；迪娜的梦想是当一名歌手，让自己的歌声传遍世界的每一个角落；吉米的梦想是当总统，刚说到这里，教室里就传来一阵又一阵的嘲笑声，因为吉米的父亲是一个农民，吉米家连温饱都无法保障，他想当总统，简直就是痴人说梦。在走出校园的那一年，吉米接替了父亲当上了农民。吉米能够吃苦耐劳，在地里一呆就是30多年，他研发出了很多能让农作物产量成倍提升的方法，55岁的吉米拥有了自己的绿色生态农业公司。吉米的公司座落在城市最繁华的地段，生意越做越大，吉米成了全国知名的企业家，与此同时他还热心公益，回报社会。吉米70岁那年，他的绿色生态农业公司成功上市了。望着窗外的摩天大厦，口中反复念叨着他儿时的梦想，在那个物质极度匮乏的年代许下的愿望，半个多世纪过去了都一直未曾改变。73岁的吉米决定参加总统选举，最终因为身体原因不得不中途退出竞选。在他弥留之际，他告诉儿子小吉米：我从小的梦想就是当总统，引领国家走向富强之路。现在我倒在了追求梦想的路上，此生无悔！十年之后，小吉米也参加了总统竞选，最后吉米以压倒性优势战胜其他竞选人，成功当选新一届总统。

  吉米父子的故事给我们的启迪：在实现梦想的道路上都会遭遇无尽的荆棘，只要坚持梦想，在追梦的路上不断前行，终能创造奇迹，梦想成真。
下面我们将根据以上场景，模拟总统大选的投票和选票统计的过程。

---

2. 编程思路

  为了模拟投票和计票过程，我们需要解决以下几个关键问题：

2.1 参选人

  使用字典candidates存放参选人信息，字典的键是参选人编号，字典的值是参选人姓名。内容如下：
candidates = {1: ‘jimmy’, 2: ‘jenifer’, 3: ‘peter’, 4: ‘linda’, 5: ‘roger’}
这个字典描述了5位参选人。1号参选人是jimmy，2号参选人是jenifer，3号参选人是peter，以此类推。

2.2 选票

  我们使用列表votes来存放选票，这个列表中的每个元素代表一张选票，它是一个整数，对应参选人字典candidates中的参选人编号。例如：
votes = [1,5,3,1,1]
表示列表votes中存放了5张选票，对照字典candidates找出映射关系，我们可以得出结论：
jimmy : 3 张选票
roger : 1 张选票
peter : 1 张选票

2.3 模拟生成选票

  编写函数make_votes(voter_num, candidate_num)，模拟生成选票。其中参数voter_num代表投票人数，candidate_num代表参选人数；返回值是一个存放选票的列表votes。其内容为如下样式：
votes = [1, 3, 5, 2, 1, 4, 4, 1]

2.4 统计选票

  编写函数count_votes(votes)，实现选票统计功能。参数votes是一个列表，存放所有参选人的选票。返回值是字典candidate_votes，诸如以下内容：
candidate_votes = { 1:3, 3:1, 5:1, 2:1, 4:2 }
代表如下含义：
jimmy : 3 张选票；
peter : 1 张选票；
roger : 1 张选票；
jenifer : 1 张选票；
linda : 2 张选票。

2.5 统计结果可视化

  编写函数：visualize(index, value, color)，绘制选票统计直方图。其输入参数index为参选人姓名列表，value 是选票数列表，而color则是绘图中使用的颜色列表。

---

3. 代码实现

"""
elect.py : 吉米的总统梦想
"""
import random
from sys import argv, exit
from matplotlib import pyplot as plt

candidates = {1: 'jimmy', 2: 'jenifer', 3: 'peter', 4: 'linda', 5: 'roger'}  # 参选人字典
color_lst = ['aquamarine', 'dodgerblue', 'indianred', 'darkorange', 'seagreen']  # 颜色列表

def make_votes(voter_num, candidate_num):
""" 
功能：模拟生成选票 
参数：
voter_num : 投票人数
candidate_num : 参选人数
返回：
votes ：选票列表
"""
votes = []
    for i in range(voter_num):  # ①
    vote = random.randint(1, candidate_num)  # ②
    votes.append(vote)   # ③

return votes

def count_votes(votes):
""" 
功能：按参选人统计选票
参数：
votes ：选票池列表
返回：
candidate_votes : 包含参选人编号及选票数的字典
"""
    candidate_votes = {}
    for vote in votes:  # ④
        if vote in candidate_votes:  # ⑤
            candidate_votes[vote] += 1
        else:
            candidate_votes[vote] = 1

    return candidate_votes

def visualize(index, value, color):
    """ 
功能：选票数据可视化，绘制直方图
参数：
index : 参选人列表
value : 参选人所得选票数的列表
color : 绘图使用的颜色列表
"""
fig_mgr = plt.get_current_fig_manager()
    fig_mgr.set_window_title("Counting-Votes")

    plt.xlabel('Candidates', color='red')
    plt.ylabel('Votes', color='red')
    plt.bar(index, value, width=0.7, color=color)
    plt.title('Counting - Votes', color='red')

    data = zip(index, value)  # ⑥
for x, y in data:  # ⑦
        plt.text(x, y, y, ha='center', va='bottom')
    plt.show()

def main():
    if len(argv) != 2:
        print('Usage: elect.py voter_number')
        exit(1)
    voters = int(argv[1])  

votes = make_votes(voters, len(candidates))  # ⑧
    candidate_votes = count_votes(votes)  # ⑨

    index = [candidates[k] for k in candidate_votes]
    value = candidate_votes.values()
    visualize(index, value, color_lst)  # ⑩

if __name__ == '__main__': 
    main()

程序主要语句说明如下：
语句①按照投票人数，生成选票。每个投票人只能投一票，并且只能投给1名参选人；
语句②随机生成1张选票，使用一个整数表示，其含义是参选人编号；
语句③将1张选票添加到选票列表votes中，我们可以把votes理解为选票池；
语句④通过循环语句，对选票池中的每一张进行分类统计；
语句⑤按参选人编号分类，统计累加所得选票数；
语句⑥生成可迭代变量data，其中每个元素是包含参选人姓名和得票数的元组，诸如以下内容：
[ (‘jimmy’, 26), (‘roger’, 20), (‘jenifer’, 18), (‘peter’, 13), (‘linda’, 23) ]
语句⑦完成在直方图的立柱打印选票数；
语句⑧调用make_votes()创建选票池，参数分别是投票人数和参选人数；
语句⑨调用count_votes()统计选票，输入参数是选票池votes列表；
语句⑩调用函数visualize()实现选票可视化展现，它是通过调用第三方绘图库matplotlib实现的。

---

4. 运行效果

4.1 运行环境

  由于数据可视化部分使用了第三方绘图库：matplotlib，所以在程序运行之前，我们需要在Python环境中进行手动安装，可在Windows命令行窗口中执行以下命令即可：
D:>pip install matplotlib
如果安装速度慢，可以指定安装源。执行以下命令，将完成快速安装：
D:>pip install matplotlib -i http://pypi.douban.com/simple --trusted-host pypi.douban.com

4.2 程序执行

D:\cases\吉米的总统梦想>python elect.py 100
代表有100人参加选举投票，程序执行结果如下图所示：

在以上图表中：横轴代表候选人，纵轴代表候选人所获得的选票数。

  如果你对本案例的免费视频讲解有兴趣，可在百度中搜索：寰银学堂，观看项目开发实践 -“选票统计可视化”。

4.3 压力测试

  如果需要统计百万、千万、甚至是上亿量级的选票，执行本程序会导致电脑系统宕机崩溃吗？需要什么样配置的电脑可以完成此项任务？笔记本电脑是否可以胜任呢？
  我们强烈鼓励读者进行以上压力测试，或许这样的测试将会颠覆一些传统固有的思维定式，增长全新的见识。

4.4 优化建议

  到目前为此，elect.py程序模块的代码量超过60多行，为方便日后的代码维护和代码重用，我们可以把函数make_votes(), count_votes()和函数visualize()的程序代码从模块elect.py中剥离出来，形成新的子模块可取名为votes.py，并在主模块elect.py中使用语句from votes import *，这样你就可以使用子模块中的函数了。关于具体的实现方法在此不再赘述。