python程序设计语言超详细知识总结

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Python

首先 python 并不是简单，什么语言都有基础和高级之分，要想掌握一门语言，必须把高级部分掌握才行。

HelloWorld

helloWorld.py

print('hello, world')

数据类型与变量

变量的数据类型	数据类型描述	变量的定义方式
整数型 (int)	整数，没有小数部分	`age = 25`
浮点型 (float)	浮点数，有小数部分或采用科学计数法	`temperature = 36.6`
字符串 (str)	字符串，由字符组成的序列	`name = "Alice"`
布尔型 (bool)	列表，有序且可以包含不同类型的元素	`is_student = True`
列表 (list)	元组，不可变的有序元素序列	`fruits = ["apple", "banana", "cherry"]`
元组 (tuple)	字典，无序的键值对集合	`coordinates = (10.0, 20.0)`
字典 (dict)	集合，无序的不重复元素集合	`person = {"name": "John", "age": 30}`
集合 (set)	布尔值，表示真(True)或假(False)	`colors = {"red", "green", "blue"}`
空值 (NoneType)	表示空值，其唯一值是None	`nothing = None`

dataType.py

# 整数型 (int)       整数，没有小数部分                
age = 25                              

# 浮点型 (float)     浮点数，有小数部分或采用科学计数法
temperature = 36.6                   

# 字符串 (str)       字符串，由字符组成的序列          
name = "Alice"                        

# 布尔型 (bool)      列表，有序且可以包含不同类型的元素
is_student = True                    

# 列表 (list)        元组，不可变的有序元素序列        
fruits = ["apple", "banana", "cherry"]

# 元组 (tuple)       字典，无序的键值对集合            
coordinates = (10.0, 20.0)            

# 字典 (dict)        集合，无序的不重复元素集合        
person = {"name": "John", "age": 30}  

# 集合 (set)         布尔值，表示真(True)或假(False)   
colors = {"red", "green", "blue"}      

# 空值 (NoneType)    表示空值，其唯一值是None          
nothing = None

输入与输出

printAndInput.py

name = input()      # input获取的输入永远返回字符串str
print(' hello,', name)

name = input('please enter your name: ')
print(' hello,', name)

格式化输出

formatPrint.py

两种方式

ptint('... %_ ... %_ ...' % (var1,var2...))

print(f'... {var1} ... {var2} ...')

占位符

占位符	替换内容
%d	整数(可指定位数’%03d’)
%f	浮点数(可指定位数’%.9f’)
%s	字符串
%x	十六进制整数

条件判断

ifElse.py

birth = input('birth: ')    # input获取的输入永远返回字符串str
birth = int()               # 强制类型转化 str->int
age = 2024 - birth
print('your age is %03d'% age)  # 格式化使输出

if birth < 2000 and birth >= 1900:  # 条件判断
    print('90后')
elif birth >= 2000:
    print('00后')
else:
    print('90前')

模式匹配

模式匹配：变量

age = 15
match age:
    case x if x < 10:
        print(f'{x} < 10 years old: {x}')
    case 10:
        print('10 years old.')
    case 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 | 18:
        print('11~18 years old.')
    case 19:
        print('19 years old.')
    case _:
        print('not sure.')
# 在上面这个示例中，第一个case x if x < 10表示当age < 10成立时匹配，且赋值给变量x，第二个case 10仅匹配单个值，第三个case 11|12|...|18能匹配多个值，用|分隔。最后一个case _表示其他所有情况。

模式匹配：列表

args = ['gcc', 'hello.c', 'world.c']
# args = ['clean']
# args = ['gcc']
match args:
    # 如果仅出现gcc，报错:
    case ['gcc']:
        print('gcc: missing source file(s).')
    # 出现gcc，且至少指定了一个文件:
    case ['gcc', file1, *files]:
        print('gcc compile: ' + file1 + ', ' + ', '.join(files))
    # 仅出现clean:
    case ['clean']:
        print('clean')
    case _:
        print('invalid command.')
# 第一个case ['gcc']表示列表仅有'gcc'一个字符串，没有指定文件名
# 第二个case ['gcc', file1, *files]表示列表第一个字符串是'gcc'，第二个字符串绑定到变量file1，后面的任意个字符串绑定到*files，它表示至少指定一个文件；
# 第三个case ['clean']表示列表仅有'clean'一个字符串；

循环

for…in循环，依次把list或tuple中的每个元素迭代出来

# range()函数，可以生成一个整数序列，再通过list()函数可以转换为list
## exp1
numbers = list(range(101))
sum = 0
for x in numbers:
    sum = sum + x
print(sum)
# exp2
L = ['Bart', 'Lisa', 'Adam']
for x in L:
    if x == 'Adam':
        break
    if x == 'Bart':
        continue
    print('Hello,%s!' %x)

while循环，只要条件满足，就不断循环，条件不满足时退出循环。

sum = 0
n = 100
while n > 0:
    sum = sum + n
    n = n - 1
print(sum)

list列表和tuple元组

列表

list是一种有序的集合，可以随时添加和删除其中的元素。

classmates = ['Michael', 'Bob', 'Tracy']
# len()函数可以获得list元素的个数：
len(classmates)
# 索引来访问list中每一个位置的元素：
classmates[0]
# 最后一个元素的索引是：
len(classmates) - 1
# 最后一个元素：
classmates[-1]
# 追加元素：
classmates.append('Adam')
# 入到指定的位置：
classmates.insert(1, 'Jack')
# 删除list末尾的元素：
classmates.pop()
# 删除指定位置的元素：
classmates.pop(i)
# 把某个元素替换成别的元素，复制索引：
classmates[1] = 'Sarah'
# list里面的元素的数据类型也可以不同：
L = ['Apple', 123, True]
# list元素也可以是另一个list：
s = ['python', 'java', ['asp', 'php'], 'scheme']；要拿到'php'可以写p[1]或者s[2][1]
# 排序：
a.sort()

元组

tuple和list非常类似，但是tuple一旦初始化就不能修改,不可变性使得代码更安全

classmates = ('Michael', 'Bob', 'Tracy')
# 现在，classmates这个tuple不能变了，它也没有append()，insert()这样的方法。
#其他获取元素的方法和list是一样的，但不能赋值成另外的元素
classmates[0]
classmates[-1]
#只有1个元素的tuple定义时必须加一个逗号‘,’，来消除歧义：
t = (1,)
#“可变的”tuple：
t = ('a', 'b', ['A', 'B'])
t[2][0] = 'X'
t[2][1] = 'Y'
#表面上看，tuple一开始指向的list并没有改成别的list，准确说tuple并没有变

dict字典和set集合

dict字典

dict字典在其他语言中也称为map，使用键-值（key-value）存储，具有极快的查找速度

# 初始化放数据
d = {'Michael': 95, 'Bob': 75, 'Tracy': 85}
print(d['Michael'])
# 通过key放数据
d['Adam'] = 67
print(d['Adam'])
# 通过key修改value
d['Adam'] = 88
print(d['Adam'])
# 避免因key不存在而报错，如果key不存在，返回None，或者指定的value
d.get('Thomas')#返回None
d.get('Thomas', -1)#返回-1
# 删除key
d.pop('Bob')
d
# 牢记dict的key必须是不可变对象。作为key的对象不能变。在Python中，字符串、整数等都是不可变的，因此，可以放心地作为key。而list是可变的，就不能作为key：

set集合

set和dict类似，也是一组key的集合，但不存储value。由于key不能重复，所以，set自动去重。

# 创建一个set，需提供一个list作为输入集合
s = set([1, 2, 3])

# 添加元素
s.add(4)

# 删除元素
s.remove(4)

# 两个set可以做数学意义上的交集、并集等操作
s1 = set([1, 2, 3])
s2 = set([2, 3, 4])
(s1 & s2)
(s1 | s2)
# set和dict的唯一区别仅在于没有存储对应的value，但是，set的原理和dict一样，所以，同样不可以放入可变对象，因为无法判断两个可变对象是否相等，也就无法保证set内部“不会有重复元素”。

函数

调用函数

内置函数

# 可以把函数名赋给一个变量，相当于给这个函数起了一个“别名”：
a = abs # 变量a指向abs函数
a(-1) # 所以也可以通过a调用abs函数

定义函数

# 空函数，可以用pass语句
def nop():
    pass
# 参数检查
def my_abs(x):
    if not isinstance(x, (int, float)):
        raise TypeError('bad operand type')
    else:
        ...
# 返回多值，这只是一种假象，Python函数返回的仍然是单一值，返回一个tuple,在语法上返回一个tuple可以省略括号
def move(x, y, step, angle=0):
   ...
    return nx, ny

函数的参数

1. 默认参数
使用默认参数时注意：

必选参数在前，默认参数在后。
设置默认参数时，把变化大的参数放前面，变化小的参数放后面。变化小的参数就可以作为默认参数。
默认参数一定要用不可变对象，如果是可变对象，程序运行时会有逻辑错误！

# 由于我们经常计算x2，所以，完全可以把第二个参数n的默认值设定为2
def power(x, n=2):
    s = 1
    while n > 0:
        n = n - 1
        s = s * x
    return s

#  定义默认参数要牢记一点：默认参数必须指向不变对象！
def add_end(L=None):
    if L is None:
        L = []
    L.append('END')
    return L

2. 可变参数 *
定义语法：args是可变参数，args接收的是一个tuple
传参语法：可变参数既可以直接传入：func(1, 2, 3)，又可以先组装list或tuple，再通过args传入：func(*(1, 2, 3))；

# 传入的参数个数是可变的，可以是0个、1个到任意个。
def calc(*numbers):
    sum = 0
    for n in numbers:
        sum = sum + n * n
    return sum
# 调用
calc(1, 2, 3, 4, 5)
# 如果已经有一个list或者tuple，要调用一个可变参数,可以把list或tuple的元素变成可变参数传进去
calc(*nums) # *nums表示把nums这个list的所有元素作为可变参数传进去。

3. 关键字参数 **
定义语法：**kw是关键字参数，kw接收的是一个dict
传参语法：关键字参数既可以直接传入：func(a=1, b=2)，又可以先组装dict，再通过**kw传入：func(**{‘a’: 1, ‘b’: 2})。

# 关键字参数在函数内部自动组装为一个dict，个数不受限
def person(name, age, **kw):
    print('name:', name, 'age:', age, 'other:', kw)
# 调用
person('Michael', 30) # 结果 name: Michael age: 30 other: {}；
person('Adam', 45, gender='M', job='Engineer')# 结果 name: Adam age: 45 other: {'gender': 'M', 'job': 'Engineer'}

4. 命名关键字参数分隔符 ,*,
命名的关键字参数是为了限制调用者可以传入的参数名，同时可以提供默认值。
定义命名的关键字参数在没有可变参数的情况下不要忘了写分隔符*，否则定义的将是位置参数。

# 命名关键字参数必须传入参数名 
def person(name, age, *, city, job):
    print(name, age, city, job)
# 调用
person('Jack', 24, city='Beijing', job='Engineer')

递归函数

如果一个函数在内部调用自身本身，这个函数就是递归函数。

def fact(n):
    if n==1:
        return 1
    return n * fact(n - 1)

高级特性

切片、迭代、列表生成式、生成器、迭代器

切片索引

def trim(s):
    start, end = 0, len(s)

    # 找到第一个非空格字符的索引
    while start < end and s[start].isspace():
        start += 1

    # 找到最后一个非空格字符的索引
    while end > start and s[end - 1].isspace():
        end -= 1

    # 返回去除首尾空格后的字符串
    return s[start:end]

# 示例用法
original_string = "   Hello, World!   "
trimmed_string = trim(original_string)
print(trimmed_string)

迭代

如果给定一个list或tuple，我们可以通过for循环来遍历这个list或tuple，这种遍历我们称为迭代（Iteration）,对于python只要是可迭代对象，无论有无下标，都可以迭代，比如dict就可以迭代

d = {'a': 1, 'b': 2, 'c': 3}
for key in d:
for value in d.values():
for ch in 'ABC':
# Python内置的enumerate函数可以把一个list变成索引-元素对，这样就可以在for循环中同时迭代索引和元素本身：
for i, value in enumerate(['A', 'B', 'C']):
# 两个变量
for x, y in [(1, 1), (2, 4), (3, 9)]:

列表生成式

# 要生成[1x1, 2x2, 3x3, ..., 10x10]列表并仅筛选出偶数的平方
[x * x for x in range(1, 11) if x % 2 == 0] # 此处if是过滤条件
# for循环其实可以同时使用两个甚至多个变量，比如dict的items()可以同时迭代key和value：
d = {'x': 'A', 'y': 'B', 'z': 'C' }
for k, v in d.items():
    print(k, '=', v)
# 列表生成式也可以使用两个变量来生成list：
[k + '=' + v for k, v in d.items()]
# 把一个list中所有的字符串变成小写：
L = ['Hello', 'World', 'IBM', 'Apple']
[s.lower() for s in L]
# if...else表达式
[x if x % 2 == 0 else -x for x in range(1, 11)]

# isinstance函数用于检查一个对象是否属于指定的类型或类型元组
# 检查整数类型
x = 5
result = isinstance(x, int)
# 检查字符串类型
y = "Hello"
result = isinstance(y, str)
# 检查多个类型
z = 3.14
result = isinstance(z, (int, float))
print(result)  # 输出 True，因为 z 是 int 或 float 类型之一

生成器generator

在Python中，这种一边循环一边计算的机制，称为生成器：generator。

# 1.列表生成式的[]改成()，就创建了一个generator
L = [x * x for x in range(10)] #列表生成器
g = (x * x for x in range(10)) #生成器
# 打印
next(g)
for n in g:
    print(n)

# 2.generator函数
def odd():
    print('step 1')
    yield 1
    print('step 2')
    yield(3)
    print('step 3')
    yield(5)

o = odd()
next(o)
next(o)
next(o)

迭代器Iterator

Iterable对象，诸如list、tuple、dict、set、str、generator,凡是可作用于for循环的对象都是Iterable类型
Iterator对象：凡是可作用于next()函数的对象都是Iterator类型
生成器都是Iterator对象，其他如list、dist、str等可以使用iter()函数由Iterable变成Iterator

isinstance('abc',Iterable) # True
isinstance('abc',Iterator) # False
isinstance(iter('abc'), Iterator) # True

函数式编程

高阶函数

高阶函数（Higher-Order Function）是指能够接受其他函数作为参数或者将函数作为结果返回的函数。在函数式编程中，高阶函数是一种重要的概念，它能够提高代码的灵活性和表达力。

# 变量可以指向函数
# 函数名也是变量
# 传入函数
def add(x, y, f):
    return f(x) + f(y)

map/reduce
map()函数接收两个参数，一个是函数，一个是Iterabl对象，map将传入的函数依次作用到序列的每个元素，并把结果作为新的Iterator返回。

def f(x):
    return x * x
r = map(f, [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9])  # 函数f作用域Iterable对象的每个元素,结果r是一个Iterator
list(r) #Iterator是惰性序列,通过list()函数让它把整个序列都计算出来并返回一个list
list(map(str, [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9]))

reduce()把一个函数作用在一个序列[x1, x2, x3, ...]上，这个函数必须接收两个参数，reduce把结果继续和序列的下一个元素做累积计算。

reduce(f, [x1, x2, x3, x4]) = f(f(f(x1, x2), x3), x4)
# 比如序列求和
def add(x, y):
    return x + y
reduce(add, [1, 3, 5, 7, 9])
# 当然求和运算可以直接用Python内建函数sum()，没必要动用reduce。
#但是如果要把序列[1, 3, 5, 7, 9]变换成整数13579，reduce就可以派上用场
def fn(x, y):
    return x * 10 + y
reduce(fn, [1, 3, 5, 7, 9])
# 配合map()，我们就可以写出把str转换为int的函数
def fn(x, y):
    return x * 10 + y

def char2num(s):
    digits = {'0': 0, '1': 1, '2': 2, '3': 3, '4': 4, '5': 5, '6': 6, '7': 7, '8': 8, '9': 9}
    return digits[s]

reduce(fn, map(char2num, '13579'))

# lambda 是 Python 中的一个关键字，用于创建小型的匿名函数。
numbers = [1, 2, 3, 4, 5]
squared = list(map(lambda x: x**2, numbers))
print(squared)  # 输出 [1, 4, 9, 16, 25]

filter
Python内建的filter()函数用于过滤序列。和map()类似，filter()也接收一个函数和一个序列。和map()不同的是，filter()把传入的函数依次作用于每个元素，然后根据返回值是True还是False决定保留还是丢弃该元素。

# 例如，在一个list中，删掉偶数，只保留奇数
def is_odd(n):
    return n % 2 == 1
list(filter(is_odd, [1, 2, 4, 5, 6, 9, 10, 15])) 
# 结果: [1, 5, 9, 15]

sorted

#Python内置的sorted()函数就可以对list等更高你抽象进行排序
sorted([36, 5, -12, 9, -21])
#sorted()函数也是一个高阶函数，它还可以接收一个key函数来实现自定义的排序
sorted([36, 5, -12, 9, -21], key=abs)
sorted(['bob', 'about', 'Zoo', 'Credit'], key=str.lower)
#要进行反向排序，不必改动key函数，可以传入第三个参数reverse=True
sorted(['bob', 'about', 'Zoo', 'Credit'], key=str.lower, reverse=True)

返回函数

def lazy_sum(*args):
    def sum():
        ax = 0
        for n in args:
            ax = ax + n
        return ax
    return sum
f = lazy_sum(1, 3, 5, 7, 9)
f
f()
#当lazy_sum返回函数sum时，相关参数和变量都保存在返回的函数中，这种称为“闭包（Closure）”

匿名函数

# lambda x: x * x 实际上就是:
def f(x):
    return x * x

f = lambda x: x * x
f

装饰器

假设我们要增强now()函数的功能，比如，在函数调用前后自动打印日志，但又不希望修改now()函数的定义，这种在代码运行期间动态增加功能的方式，称之为“装饰器”（Decorator）。
函数对象有一个__name__属性，可以拿到函数的名字
借助Python的@语法，把decorator置于函数的定义处

#首先定义一个能打印日志的decorator
def log(func):
    def wrapper(*args, **kw):
        print('call %s():' % func.__name__)
        return func(*args, **kw)
    return wrapper

@log # 把@log放到now()函数的定义处,相当于执行了语句now = log(now)
def now():
    print('2024-4-29')

#如果decorator本身需要传入参数，那就需要编写一个返回decorator的高阶函数
def log(text):
    def decorator(func):
        def wrapper(*args, **kw):
            print('%s %s():' % (text, func.__name__))
            return func(*args, **kw)
        return wrapper
    return decorator

@log('execute') #相当于执行语句now = log('execute')(now)
def now():
    print('2024-4-29')

#经过decorator装饰之后的函数，它们的__name__已经从原来的'now'变成了'wrapper'，这样会导致有些依赖函数签名的代码执行出错。
#python内置的functools.wraps可以解决
import functools

def log(func):
    @functools.wraps(func)
    def wrapper(*args, **kw):
        print('call %s():' % func.__name__)
        return func(*args, **kw)
    return wrapper

偏函数

int()函数可以把字符串转换为整数，当仅传入字符串时，int()函数默认按十进制转换，传入base参数，就可以做N进制的转换：

int('12345', base=8)
int('12345', base=16)
#functools.partial就是帮助我们创建一个偏函数的，不需要我们自己定义int2()
int2 = functools.partial(int, base=2)
int2('1000000') # 就是字符串转二进制了
# 总结functools.partial的作用就是，把一个函数的某些参数默认值改一下，返回一个新的函数，调用这个新函数会更简单。

模块

使用模块

Python本身就内置了很多非常有用的模块，只要安装完毕，这些模块就可以立刻使用。

# 使用sys模块的第一步，就是导入该模块：
import sys

# 导入sys模块后，我们就有了变量sys指向该模块，利用sys这个变量，就可以访问sys模块的所有功能
def test():
    args = sys.argv
# if __name__=='__main__':这个条件语句判断一个 Python 脚本是否作为主程序执行。如果该脚本被直接执行，而不是被导入，则执行一些特定的操作
def my_function():
    print("This is a function in the module.")
if __name__ == '__main__':
    print("This is the main part of the script.")
    my_function()

安装第三方模块

在Python中，安装第三方模块，是通过包管理工具pip完成的。

 pip install Pillow

IO编程

文件读写

读文件

# 要以读文件的模式打开一个文件对象，使用Python内置的open()函数，传入文件名和标示符
f = open('/Users/michael/test.txt', 'r')
# 如果文件打开成功，接下来，调用read()方法可以一次读取文件的全部内容，Python把内容读到内存，用一个str对象表示
f.read()
# 最后一步是调用close()方法关闭文件,从而释放操作系统的资源
f.close()
# 敲黑板:Python引入了with语句来自动帮我们调用close()方法，这样就不要担心忘记f.close()了
with open('/path/to/file', 'r') as f:
    print(f.read())

#二进制文件,比如图片、视频等等，用'rb'模式打开文件即可
f = open('/Users/michael/test.jpg', 'rb')
f.read()

# 字符编码,要读取非UTF-8编码的文本文件，需要给open()函数传入encoding参数
f = open('/Users/michael/gbk.txt', 'r', encoding='gbk')
f.read()
# open()函数还接收一个errors参数，表示如果遇到编码错误后如何处理。
f = open('/Users/michael/gbk.txt', 'r', encoding='gbk',errors='ignore')
f.read()

写文件

# 和读文件唯一区别是调用open()函数时，传入标识符'w'或者'wb'表示写文本文件或写二进制文件
f = open('/Users/michael/test.txt', 'w')
f.write('Hello, world!')
f.close()
# 不要忘了close(),要避免就使用with open表达式
with open('/Users/michael/test.txt', 'w') as f:
    f.write('Hello, world!')

StringIO和BytesIO

StringIO和BytesIO是在内存中操作str和bytes的方法，使得和读写文件具有一致的接口。

StringIO

StringIO顾名思义就是在内存中读写str。

# 要把str写入StringIO，我们需要先创建一个StringIO，然后，像文件一样写入即可
from io import StringIO
f = StringIO()
f.write('hello')
f.write(' ')
f.write('world!')
print(f.getvalue()) # hello world!

# 可以用一个str初始化StringIO，然后，像读文件一样读取
f = StringIO('Hello!\nHi!\nGoodbye!')
while True:
    s = f.readline()
    if s == '':
        break
    print(s.strip())

BytesIO

如果要操作二进制数据，就需要使用BytesIO

from io import BytesIO
f = BytesIO()
f.write('中文'.encode('utf-8'))
print(f.getvalue())
#注意，写入的不是str，而是经过UTF-8编码的bytes

操作文件和目录

如果我们要操作文件、目录，可以在命令行下面输入操作系统提供的各种命令来完成。比如dir、cp等命令。