像计算机科学家一样思考Python（第2版）

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书名：像计算机科学家一样思考Python（第2版）

ISBN：978-7-115-42551-5

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•　著　　　　[美] Allen B. Downey

　 译　　　　赵普明

　 责任编辑　杨海玲

•　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

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•　读者服务热线：(010)81055410

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本书中文简体版由O’Reilly Media,Inc.授权人民邮电出版社出版。未经出版者书面许可，对本书的任何部分不得以任何方式复制或抄袭。

版权所有，侵权必究。

内容提要

本书以培养读者以计算机科学家一样的思维方式来理解Python语言编程。贯穿全书的主体是如何思考、设计、开发的方法，而具体的编程语言，只是提供了一个具体场景方便介绍的媒介。

全书共21章，详细介绍Python语言编程的方方面面。本书从最基本的编程概念开始讲起，包括语言的语法和语义，而且每个编程概念都有清晰的定义，引领读者循序渐进地学习变量、表达式、语句、函数和数据结构。书中还探讨了如何处理文件和数据库，如何理解对象、方法和面向对象编程，如何使用调试技巧来修正语法错误、运行时错误和语义错误。每一章都配有术语表和练习题，方便读者巩固所学的知识和技巧。此外，每一章都抽出一节来讲解如何调试程序。作者针对每章所专注的语言特性，或者相关的开发问题，总结了调试的方方面面。

本书的第2版与第1版相比，做了很多更新，将编程语言从Python 2升级成Python 3，并修改了很多示例和练习，增加了新的章节，更全面地介绍Python语言。

这是一本实用的学习指南，适合没有Python编程经验的程序员阅读，也适合高中或大学的学生、Python爱好者及需要了解编程基础的人阅读。对于第一次接触程序设计的人来说，是一本不可多得的佳作。

O’Reilly Media，Inc.介绍

O’Reilly Media通过图书、杂志、在线服务、调查研究和会议等方式传播创新知识。自1978年开始，O’Reilly一直都是前沿发展的见证者和推动者。超级极客们正在开创着未来，而我们关注真正重要的技术趋势——通过放大那些“细微的信号”来刺激社会对新科技的应用。作为技术社区中活跃的参与者，O’Reilly的发展充满了对创新的倡导、创造和发扬光大。

O’Reilly为软件开发人员带来革命性的“动物书”；创建第一个商业网站（GNN）；组织了影响深远的开放源代码峰会，以至于开源软件运动以此命名；创立了Make杂志，从而成为DIY革命的主要先锋；公司一如既往地通过多种形式缔结信息与人的纽带。O’Reilly的会议和峰会集聚了众多超级极客和高瞻远瞩的商业领袖，共同描绘出开创新产业的革命性思想。作为技术人士获取信息的选择，O’Reilly现在还将先锋专家的知识传递给普通的计算机用户。无论是通过书籍出版，在线服务或者面授课程，每一项O’Reilly的产品都反映了公司不可动摇的理念——信息是激发创新的力量。

业界评论

“O’Reilly Radar博客有口皆碑。”

——Wired

“O’Reilly凭借一系列（真希望当初我也想到了）非凡想法建立了数百万美元的业务。”

——Business 2.0

“O’Reilly Conference是聚集关键思想领袖的绝对典范。”

——CRN

“一本O’Reilly的书就代表一个有用、有前途、需要学习的主题。”

——Irish Times

“Tim是位特立独行的商人，他不光放眼于最长远、最广阔的视野并且切实地按照Yogi Berra的建议去做了：‘如果你在路上遇到岔路口，走小路（岔路）。’回顾过去Tim似乎每一次都选择了小路，而且有几次都是一闪即逝的机会，尽管大路也不错。”

——Linux Journal

前言

本书的奇特历史

1999年，我正在为一门Java的编程入门课程备课。这门课我已经教过3个学期，感到有些灰心。课程的不及格率太高，即使是那些及格的学生，也只获得了很低的成就。

我发现问题之一是教材。它们太厚，有太多冗余的细节，而针对编程技巧的高阶的指导却很不足。而且学生们都有“陷阱效应”的苦恼：开头时很容易，也能循序渐进，但接着在第5章左右，整个地板就突然陷落了。新内容来得太多、太快，以至于我必须花费一学期剩下的全部时间来帮助他们拾回丢失的片段。

开课前两周，我决定自己来编写教材。我的目标有以下几个。

• 尽量简短。学生读10页书，比不读50页书要好。
• 注意词汇。我尝试尽量少用术语，并在第一次使用它们时做好定义。
• 循序渐进。为了避免陷阱效应，我抽出了最困难的课题，并把它们划分成更细的学习步骤。
• 专注于编程，而不是编程语言。我只注意包涵了Java的最小的可用子集，而忽略掉其他。

我需要一个标题，所以心血来潮选择了“How to Think Like a Computer Scientist”。

第 1 版教材很粗糙，但确实有效。学生们读完课本，懂得了足够的基础知识，以至我甚至可以利用课堂时间和他们一起讨论更难、更有趣的话题，并且（最重要的是）可以让学生们有足够的时间在课堂上做练习。

我将这本书按照GNU自由文档许可协议（GNU Free Documentation License）发布，让用户可以复制、修改和分发本书。

接下来发生了最酷的事情。Jeff Elkner，弗吉尼亚州的一位高中老师，使用了我的书，并且将其翻译成Python语言的版本。他寄给我他的翻译副本，于是我有了一次很奇特的经历——通过读我自己的书来学习Python。通过绿茶出版社（Green Tea Press），在2001年我出版了第一个Python版本。

2003年，我开始在欧林学院（Olin College）教学，并第一次需要教授Python语言。和Java的对比非常惊人。学生们困扰更少，学会得更多，从事更有意思的项目，总的来说得到了更多的乐趣。

在那之后我一直继续拓展这本书的内容，修改错误，改进示例，并增加新的材料，尤其是练习。

结果就产生了本书，并改用了不那么宏伟堂皇的书名——Think Python。部分改动如下所述。

• 我在每章的结尾添加了一节关于调试的说明。这些章节描述寻找和避免bug的通用技巧，并警示Python中容易出错的误区。
• 我增加了更多的练习，小到简短的理解性测试，大到几个实际工程。大部分练习都附带了链接，可以查看我的解答。
• 我添加了一系列案例研究——较长的示例，包括练习、解答以及讨论。
• 我扩展了关于程序开发计划和基础设计模式的讨论。
• 我增加了关于调试和算法分析的章节。

第2版增加了如下几个新特性。

• 全书内容和辅助代码都更新到Python 3。

• 增加了几节，以及更多关于Web的细节，以帮助初学者通过浏览器就能开始运行Python，而不需要过早地面对安装Python的问题。

• 对于第4章的“turtle模块”，我把实现从以前自己开发的Swampy乌龟绘图包，改为使用更标准的Python模块turtle，它更容易安装，功能也更强大。
• 增加了新的一章“Python拾珍”（第19章），介绍Python提供的一些并不必需，但有时会很方便的特性。

我希望你喜欢这本书，并希望它至少能提供一点帮助，助你学会像计算机科学家那样编程和思考。

——Allen B. Downey

欧林学院

本书排版约定

本书使用下列排版约定。

• 中文楷体（英文斜体）：用于新术语、文件名和文件扩展名。
• 黑体字：表示术语表中定义的词汇。
• 等宽字体（constant width）：用于程序清单，以及段落中间的代码元素，如变量、函数名、数据库、数据类型、环境变量、语句或关键字等。
• 加粗等宽字体（constant with bold）：表示命令或其他应当由用户键入的文本。
• 等宽斜体字（constant width）：用于显示需要替换为用户提供的值或由环境确定的值的文本。

代码示例的使用

补充材料（代码示例、练习等）可以从http://www.greenteapress.com/thinkpython2/code下载。

本书的目的是帮你完成工作。一般来说，只要是本书提供的示例代码，你都可以用在自己的程序和文档中。如果你不是要复制大部分的代码，就不需要联系我们申请授权。例如，写一个程序，里面使用了本书中的几段代码，不需要申请授权。但销售或分发O’Reilly书籍的示例光盘则需要授权。回答问题中引用本书内容或示例代码，并不需要申请授权，但将本书中大量的代码引入你的产品文档则需要授权。

在引用本书内容时，我们并不强求但鼓励你注明出处。引用通常包括书名、作者、出版社和ISBN。例如：“Think Python, 2nd Edition by Allen B. Downey (O’Reilly). Copyright 2016 Allen Downey, 978-1-4919-3936-9”。

如果你觉得自己对本书代码示例的使用超出了上述授权范围，可以随时联系我们：permissions@oreilly.com。

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我们为本书提供了专门的网页，上面有勘误表、示例，以及其他额外的信息，可以访问本书对应网页。

如果想对本书进行评论或想问技术问题，请将邮件发到bookquestions@oreilly.com。

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我们的其他联系方式如下。

致谢

非常感谢Jeff Elkner，他将我的Java书翻译成Python，这使我我开始了这个项目，并向我介绍了Python语言，结果Python成为我最喜爱的编程语言。

还要感谢Chris Meyers，他在How to Think Like a Computer Scientist一书中贡献了好几节。

感谢自由软件基金会（Free Software Foundation）开发了GNU自由文档协议，让我和Jeff以及Chris的合作成为可能。感谢创用CC（Creative Commons）开发了我们现在使用的协议。

感谢Lulu，负责How to Think Like a Computer Scientist的编辑。

感谢O’Reilly Media负责Think Python一书的编辑。

感谢所有参与了本书早期版本编写的学生，以及所有（下面列出的）贡献者提供的修订和建议。

贡献者列表

在最近几年中，超过100名眼光犀利、思维敏捷的读者给我寄来了建议和修订。他们对这个项目的贡献和热情，对我是极大的帮助。

如果你有建议或者修订意见，请发邮件到feedback@thinkpython.com。如果我根据你的回馈做出了修改，会将你加入贡献者列表中（除非你要求被隐藏）。

如果你给出错误出现的位置的部分语句，会让我更容易搜索。页码或者章节编号也可以，但并不那么容易处理。谢谢！

• Lloyd Hugh Allen对8.4节提出了修订建议。
• Yvon Boulianne对第5章提出了一个语义错误的修订建议。
• Fred Bremmer对2.1节提出了一个修订建议。
• Jonah Cohen编写了Perl脚本将本书的LaTeX源码转换成美丽的HTML。
• Michael Conlon提出了第2章的一个语法错误，并提出第1章的格式改进，并且他开启了对解释器的技术讨论。
• Benoit Girard寄来一个对5.6节的有趣的修订。
• Courtney Gleason 和 Katherine Smith 编写了horsebet.py，在本书的早期版本中作为一个案例研究。他们的程序现在可以在网站上找到。
• Lee Harr提交了很多修订建议，我们没有空间在这里一一列出，并且他确实应当被列为本书的一位主要编辑。
• James Kaylin是一名使用本书的学生。他提交了许多修订。
• David Kershaw 修正了3.10节中错误的catTwice函数。
• Eddie Lam提出了第1章、第2章和第3章的很多修订建议，他也修正了Makefie，这样第一次运行时会自动建立索引。他也帮助我们设置了一个版本管理方案。
• Man-Yong Lee 寄来了对2.4节中的示例代码的修订。
• David Mayo指出第1章中的单词“unconsciously”需要被修改为“subconsciously”。
• Chris McAloon 寄来了对3.9节和3.10节的一些修订。
• Matthew J. Moelter是本书的长期贡献者，提出了很多修订建议。
• Simon Dicon Montford报告了第3章中缺失的函数定义以及几个错别字。他也发现了第13章中的increment函数的错误。
• John Ouzts 修正了第3章中“返回值”的定义。
• Kevin Parks对关于本书如何分布提出了有价值的评论和建议。
• David Pool 发来了第1章中术语表中的错别字，以及鼓励的赞美之言。
• Michael Schmitt寄来了关于文件和异常的章节的修订建议。
• Robin Shaw指出了13.1节中的一个错误，printTime函数在一个示例中没有定义就使用了。
• Paul Sleigh在第7章中找到一个错误，并发现了Jonah Cohen用于生成HTML的Perl脚本的bug。
• Craig T. Snydal在德鲁大学（Drew University）的一门课上试验这个课本，他提出了好几个有价值的建议和修订。
• Ian Thomas和他的学生们使用这本书作为编程课程的教材。他们第一个尝试使用本书后半部分的章节，并且提出了许多勘误和建议。
• Keith Verheyden发来了第3章的一个修正。
• Peter Winstanley让我们知道了第3章的拉丁文中一个长期存在的错误。
• Chris Wrobel修正了文件I/O和异常一章的代码错误。
• Moshe Zadka对本书有不可估量的贡献。他编写了关于字典的一章的第1版草稿，并在本书的早期阶段持续提供指导。
• Christoph Zwerschke发来了几个勘误和教学法的建议，并解释了gleich和selbe的区别。
• James Mayer发送给我们非常多的拼写错误，包括贡献者列表中的两个错误。
• Hayden McAfee发现了两个示例之间潜在的冲突。
• Angel Arnal是翻译本书的西班牙语版本的国际团队的一员。他也发现了英文版中的几个错误。
• Tauhidul Hoque 和Lex Berezhny创建了第1章中的图表，并改进了很多其他图表。
• Dr. Michele Alzetta发现了第8章中的一个错误，并发来了一些有趣的教学法评论，以及关于斐波那契数列和Old Maid的建议。
• Andy Mitchell发现了第1章中的一个录入错误，以及第2章中一个错误的示例。
• Kalin Harvey对第7章的一个说明提供了建议，并发现了几个录入错误。
• Christopher P. Smith发现了几个录入错误，并帮助我们更新本书到Python 2.2。
• David Hutchins发现了前言中的一个错别字。
• Gregor Lingl在奥地利维也纳的一个高中教授Python。他正在翻译本书的德文版，并发现了第5章中的几个错误。
• Julie Peters发现了前言中的一个错别字。
• Florin Oprina发来一个makeTime的改进，printTime的一个修正，以及发现的一个重要的录入错误。
• D. J. Webre对第3章的一个说明提出了建议。
• Ken在第8、9、11章中发现了好几个错误。
• Ivo Wever在第5章发现一个录入错误，并对第3章中的一个说明提出了建议。
• Curtis Yanko对第2章中的一个描述提出了建议。
• Ben Logan发来许多发现的录入错误，并发现了翻译HTML的问题。
• Jason Armstrong发现了第2章中一个漏掉的词。
• Louis Cordier发现了第16章中有一个代码和文本不一致的地方。
• Brian Cain在第2章和第3章中提出了几个描述的改进建议。
• Rob Black发来了许多勘误，包括一些针对Python 2.2的修改。
• 巴黎中央理工大学的Jean-Philippe Rey发来了一些补丁，包括对Python 2.2的更新，以及其他一些细心的改进。
• 乔治华盛顿大学的Jason Mader提供了许多有用的建议和改正。
• Jan Gundtofte-Bruun提醒我们“a error”应改为“an error”。
• Abel David和Alexis Dinno 提醒我们“matrix”的复数形式是“matrices”而不是“matrixes”。这个错误在书中已经存在了多年，但两个姓名以同样的字母开头的读者同一天报告了它。真的很奇怪。
• Charles Thayer鼓励我们删除掉一些语句结尾的分号，并建议我们理清“形参”和“实参”的使用。
• Roger Sperberg指出了第3章的一个逻辑错误。
• Sam Bull指出了第2章中一段令人困惑的描述。
• Andrew Cheung指出了两处“定义前先使用”的错误。
• C.Corey Capel发现缺了单词，以及第4章的一个录入错误。
• Alessandra 帮助我们理清了一些关于Turtle的困惑。
• Wim Champagne在字典示例中发现一个错误。
• Douglas Wright在弧度计算中发现了一个除法向下取整的错误。
• Jared Spindor发现了一处句尾的无用词。
• Lin Peiheng发来了许多很有用的建议。
• Ray Hagtvedt发来了两处错误和一处不是那么错的错误。
• Torsten Hübsch指出Sawmpy中的一处不一致。
• Inga Petuhhov修正了第14章中的一个示例。
• Arne Babenhauserheide发来了几个有用的勘误。
• Mark E. Casida非常善于发现重复的单词。
• Scott Tyler填上了一个缺失的“that”，并发来了一堆勘误。
• Gordon Shephard发来了几个勘误，每个都用单独的邮件。
• Andrew Turner发现了第8章中的一个错误。
• Adam Hobart修正了一个在弧度计算中除法向下取整的错误。
• Daryl Hammond和Sarah Zimmerman指出我过早提出了math.pi。并且Zim发现了一个录入错误。
• George Sass在调试章节中发现了一个bug。
• Brian Bingham建议了练习11-10。
• Leah Engelbert-Fenton指出我用tuple作为变量名称，这恰恰违反了我自己的建议。然后他发现了一堆录入错误以及一个“定义前先使用”。
• Joe Funke发现了一个录入错误。
• Chao-chao Chen在斐波那契示例中发现了一个不一致处。
• Jeff Paine知道space和spam的区别。
• Lubos Pintes发来一个录入错误。
• Gregg Lind和Abigail Heithoff建议了练习14-4。
• Max Hailperin发来了许多勘误和建议。Max是非凡的Concrete Abstractions（Course Technology, 1998）一书的作者之一。在读完本书之后你可能会想要读那本书。
• Chotipat Pornavalai在一个错误信息中发现了一个错误。
• Stanislaw Antol寄来了一个很有用的建议列表。
• Eric Pashman对第4章到第11章发来了许多勘误。
• Miguel Azevedo发现了一些录入错误。
• Jianhua Liu发来了一长列勘误。
• Nick King发现了一个缺失单词。
• Martin Zuther发来了一长列建议。
• Adam Zimmerman发现了我举例的一个“实例”中的不一致处，以及其他一些错误。
• Ratnakar Tiwari建议加一个脚注说明什么是“退化”三角形。
• Anurag Goel提出了is_abecedarian的另一个解答，并发来其他一些勘误。他还知道如何拼写Jane Austen。
• Kelli Kratzer发现了一个录入错误。
• Mark Griffiths指出了第3章中的一个令人困惑的示例。
• Roydan Ongie发现了我的牛顿方法的一个错误。
• Patryk Wolowiec帮我解决了一个HTML版本的问题。
• Mark Chonofsky告诉我Python 3中的新关键字。
• Russell Coleman帮我修正了几何错误。
• Wei Huang发现了几处录入错误。
• Karen Barber发现了本书中最古老的录入错误。
• Nam Nguyen发现了一个录入错误，并指出我使用了装饰器模式但并没有用它的名字。
• Stéphane Morin发来了一些建议和勘误。
• Paul Stoop修改了一个uses_only中的录入错误。
• Eric Bronner指出了关于操作符顺序的讨论中的一个困惑之处。
• Alexandros Gezerlis提交的建议的数量和质量都设置了一个新的标准。我们非常感谢他！
• Gray Thomas知道哪边是左哪边是右。
• Giovanni Escobar Sosa发来一长列的勘误和建议。
• Alix Etienne修正了一个URL。
• Kuang He发现一个录入错误。
• Daniel Neilson修正了一个关于操作符顺序的错误。
• Will McGinnis指出polyline在两个地方定义的不同。
• Swarup Sahoo发现了一个缺失的分号。
• Frank Hecker指出一个练习不细致，并发现了几个坏链接。
• Animesh B帮助我清理了一个令人困惑的示例。
• Martin Caspersen发现了两处取整错误。
• Gregor Ulm发来一些勘误和建议。
• Dimitrios Tsirigkas建议我更清晰地描述一个练习。
• Carlos Tafur发送了一整页勘误和建议。
• Martin Nordsletten在一个练习解答中找到了一个bug。
• Lars O. D. Christensen找到了一个失效的引用。
• Victor Simeone 找到了一个录入错误。
• Sven Hoexter指出一个叫作input的变量名覆盖了内置函数名。
• Viet Le找到了一个录入错误。
• Stephen Gregory指出Python 3中cmp的问题。
• Matthew Shultz告知我一个失效链接。
• Lokesh Kumar Makani告知我几个失效链接，以及出错消息的改变。
• Ishwar Bhat修正了我对费马大定理的描述。
• Brian McGhie建议了一个更清晰的阐述。
• Andrea Zanella将本书翻译成意大利语，并发送了一些勘误。
• 非常感谢Melissa Lewis和Luciano Ramalho出色的评论，以及对本书第2版的建议。
• 感谢PythonAnywhere的Harry Percival帮助人们在浏览器中运行Python。
• Xavier Van Aubel对第2版做出了几个有用的修正。

第1章　程序之道

本书的目标是教会你像计算机科学家一样思考。这种思考方式综合了数学、工程学以及自然科学的一些最优秀的特性。计算机科学家与数学家类似，他们使用形式语言来描述理念（特别是计算）；与工程师类似，他们设计产品，将元件组装成系统，对不同的方案进行评估选择；与自然科学家类似，他们观察复杂系统的行为，构建科学假说，并检验其预测。

作为计算机科学家，最重要的技能就是问题求解。问题求解是发现问题、创造性地思考解决方案以及清晰准确地表达解决方案的能力。实践证明，学习编程的过程，正是训练问题求解能力的绝佳机会。这也是本章标题用“程序之道”的原因。

一方面，你将学会编程，其本身就是一个非常有用的技能；另一方面，你可以使用编程作为工具，去达到更高的目标。随着本书的深入，那个目标会逐渐明晰。

1.1　什么是程序

程序是指一组定义如何进行计算的指令的集合。这种计算可能是数学计算，如解方程组或者查找多项式的根，也可以是符号运算，如搜索和替换文档中的文本，或者图形相关的操作，如处理图像或播放视频。

在不同的编程语言中，程序的细节有所不同，但几乎所有编程语言中都会出现以下几类基本指令。

• 输入：从键盘、文件或者其他设备中获取数据。
• 输出：将数据显示到屏幕，保存到文件中，或者发送到网络上等。
• 数学：进行基本数学操作，如加法或乘法。
• 条件执行：检查某种条件的状态，并执行相应的代码。
• 重复：重复执行某种动作，往往在重复中有一些变化。

信不信由你，这差不多就是全部了。你所遇到过的所有程序，无论多么复杂，都是由类似上面的这些指令组成的。所以我们可以把编程看作一个将大而复杂的任务分解为更小的子任务的过程，不断分解，直到任务简单到足以由上面的这些基本指令组合完成。

1.2　运行Python

Python入门的挑战之一在于你可能需要自己在电脑上安装Python及相关软件。如果你熟悉自己的操作系统，而且习惯于命令行界面，那么安装Python不是什么问题。但对于初学者来说，同时学习编程和系统管理命令两件事，有时候是非常痛苦的。

为了避免这个问题，我推荐你开始先在浏览器中运行Python，等熟悉了Python语言之后，我再向你介绍如何在电脑上安装Python。

用于运行Python的网站有不少。如果你已经找到一个喜欢的，就可以直接去用。如果没有，我推荐PythonAnywhere。

有两个版本的Python，分别为Python 2和Python 3。它们很类似，所以如果你学会了一个版本，也能很容易地切换到另一个版本。实际上，作为初学者，你会遇到的两者之间的区别非常少。本书是针对Python 3编写的，但我也会给出一些关于Python 2的注意事项。

Python解释器是一个读取并执行Python代码的程序。根据所在环境的不同，你可能需要点击程序图标，或者在命令行中键入python命令来启动解释器。当它启动以后，可以看到如下输出：

Python 3.4.0 (default, Jun 19 2015, 14:20:21)
[GCC 4.8.2] on linux
Type "help", "copyright", "credits" or "license" for more information.
>>>

前3行文本包含了解释器和所运行的操作系统的信息，所以可能与你看到的有些区别。但你应当检查版本号是否以3开头（本例所示的是3.4.0），表示你使用的是Python 3的解释器。如果版本号以2开头，那么（你肯定猜到了）解释器是Python 2。

最后一行是一个提示符，表明解释器已经准备好，等待你键入代码。如果你键入一行代码并按下Enter键，解释器会显示结果：

>>> 1 + 1
2

1.3　第一个程序

依照传统，用新语言编写的第一个程序叫“Hello, World!”，因为这个程序所做的事情就是只显示“Hello, World!”。在Python中，它是这个样子：

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

这是print语句的一个示例。print并不会真往纸上打印文字，而是在屏幕上显示结果。在这个例子中，输出的结果是：

Hello, World!

程序中的引号表示要显示的文本的开始和结束，在输出结果中它们并不显示。

括号表示print是一个函数。我们将在第3章中讨论函数。

在Python 2中，print语句略有不同。它不是一个函数，所以不使用括号：

>>> print 'Hello, World!'

这个区别的意义在后面会慢慢显现，但现在只需要知晓就足够了。

1.4　算术操作符

介绍完“Hello, World”之后，接下来是算术操作。Python提供了操作符，即像加号或减号这样的用来表达计算操作的特殊符号。

操作符+、-和*分别表示进行加法、减法和乘法运算，如下面示例所示：

>>> 40 + 2
42
>>> 43 – 1
42
>>> 6 * 7
42

操作符/表示除法运算：

>>> 84 / 2
42.0

这里你可能会奇怪为什么结果是42.0而不是42。我会在下一节解释。

最后，操作符**表示进行指数运算。也就是说，会把一个数按指数进行乘方：

>>> 6**2 + 6
42

在其他一些语言中，指数操作用^符号表示，但在Python中^这个符号已经用来表示二进制按位运算XOR了。如果你不熟悉按位运算，结果可能会让你感到奇怪：

>>> 6 ^ 2
4

本书不会讨论按位操作符，读者可以自行阅读相关文档。

1.5　值和类型

值（value）是程序操作的最基本的东西，如一个字母或者数字。前面我们见过一些值，如2、42.0以及'Hello，World!'。

这些值属于不同的类型（type）：2是整型（integer）的，42.0是浮点型（floating-point）的，而'Hello，World!'是字符串（string）类型的，这么称呼是因为它是由一堆字母“串连”起来的。

如果不确认一个值的类型，解释器可以告诉你：

>>> type(2)
<class 'int'>
>>> type(42.0)
<class 'float'>
>>> type('Hello, World!')
<type 'str'>

在这些结果中，单词“class”（类）被用于某一类型中，这是一种值类型。

不足为奇，整数属于'int'类型, 字符串属于'str'类型，而浮点数属于'float'类型。

那么'2'和'42.0'这样的值呢？它们看起来像是数字，但又使用字符串常用的引号括起来：

>>> type('2')
<type 'str'>
>>> type('42.0')
<type 'str'>

它们是字符串。

当输入一个很大的数字时，你可能会忍不住想在数字中间加上逗号，就像1,000,000这样。在Python中这并不是合法的整数，但它凑巧又是一个合法的表达式：

>>> 1,000,000
(1, 0, 0)

当然，这和我们预期的完全不同！Python把1,000,000解释成一个用逗号分隔的整数序列。关于这种序列在本书后面可以学到更多内容。

1.6　形式语言和自然语言

自然语言是指人们所说的语言，如英语、西班牙语和法语。它们不是由人设计而来的（虽然人们会尝试加以语法限制），而是自然演化而来的。

形式语言则是人们为了特殊用途设计的语言。例如，数学上使用的符号体系是一种特别擅于表示数字和符号之间关系的形式语言；化学家则使用另一种形式语言来表示分子的化学结构。而最重要的是：

编程语言是人们为了表达计算过程而设计出来的形式语言。

形式语言倾向于对语法做出严格的限制。例如，3 + 3 = 6是语法正确的数学表达式，但3+ = 3$6则不是。H₂O是语法正确的化学方程式，而₂Zz则不是。

语法规则有两种，分别适用于记号（token）和结构（structure）。记号是语言的基本元素，如词、数字和化学元素。3+ = 3$6的一个问题就是$在数学表达式中（至少就我所知）不是合法记号。相似地，₂Zz不合法是因为并不存在缩写为Zz的化学元素。

第二种语法规则指定记号所组合的方式。数学等式3+ = 3不合法，因为虽然+和=是合法记号，但不能将它们连续放置。相似地，在化学表达式里，下标数字应该出现在元素名称之后，而不是之前。

“This is @ well-structured Engli$h sentence with invalid t*kens in it.”是一个结构良好，但包含非法记号的英语语句。“This sentence all valid tokens has, but invalid structure with.”这句话所有的记号都合法，但是语句结构不合法。

当你阅读英语的句子或形式语言的语句时，需要弄清句子的结构是什么（虽然在自然语言中这个过程是下意识完成的）。这个过程称为语法分析。

虽然形式语言和自然语言有很多共同的特点——记号、结构、语法以及语义，但它们也有一些区别。

• 歧义性：自然语言充满了歧义，人们通过上下文线索和其他信息来处理这些歧义。形式语言通常设计为几乎或者完全没有歧义，即不论上下文环境如何，任何表达式都只有一个含义。
• 冗余性：为了弥补歧义，减少误解，自然语言采用大量的冗余。因此，自然语言往往很啰唆。形式语言则相对不那么冗余，更加简洁。
• 字面性：自然语言充满了习惯用语和比喻。例如，有人说，“硬币掉了”（The penny dropped^[1]），并不一定是硬币，也不一定是有什么掉了。形式语言则严格按照它的字面意思表达含义。

因为我们都说着自然语言长大，有时候很难适应形式语言。在某种意义上，形式语言和自然语言的区别与诗词和散文的区别类似，而且程度更甚。

• 诗词：字词的使用，既考虑它们的音韵，也考虑到它们的意义，而整首诗合起来表达某种意境或情绪反应。歧义不仅常见，而且常常是刻意为之。
• 散文：字词的意义更加重要，而且句子的结构也提供更多的意义。散文比诗词更容易分析，但仍然有不少歧义。
• 程序：计算机程序的意义不含歧义，直接如字面所指。完全可以通过它的记号和结构理解其意义。

形式语言的密度远远大于自然语言，所以阅读起来需要花费更多的时间。还有，结构非常重要，所以直接自顶向下、从左至右的阅读顺序并不一定是最好的。相反，要试着学会在头脑中解析程序，辨别出记号并解析出结构。最后，细节很重要。在自然语言中常常可以忽略的小错误，如拼写错误或者标点符号错误，在形式语言中往往会造成很大的差别。

1.7　调试

程序是很容易出错的。因为某种古怪的原因，程序错误被称为bug，而查捕bug的过程称为调试（debugging）。

一个程序中可能出现3种类型的错误：语法错误、运行时错误和语义错误。对它们加以区分，可以更快地找到错误。

编程，特别是调试，有时候会引发强烈的情绪。如果你挣扎于一个困难的bug，可能会感觉到愤怒、沮丧以及窘迫。

有证据表明，人们会像对待人一样对待电脑。当电脑良好完成工作时，我们会把它们当作队友，而当它们难以控制、粗暴无礼的时候，我们会按照对待那些粗暴固执的人一样对待它们（The Media Equation: How People Treat Computers, Television, and New Media Like Real People and Places，Reeves和Nass著）。

对这些反应行为有所准备，可能会帮助你更好地对待电脑。一种方法是把它当作你的雇员，它有一定的长处，如速度和精度，也有特定的弱点，如没有同情心和无法顾全大局。

你的任务是做一个好经理：设法扬长避短，并找到方法控制你的情绪去面对问题，而不是让你的反应影响工作效率。

学习调试可能会带来挫折感，但它是一个有价值的技能，并在编程之外还有很多用途。每章的结尾处都有一节类似于本节的关于调试技巧的讨论。希望它们能带来帮助！

1.8　术语表

问题求解（problem solving）：总结问题、寻找解决方案以及表达解决方案的过程。

高级语言（high-level language）：设计来方便人们读写的编程语言，如Python。

低级语言（low-level language）：设计来方便计算机执行的编程语言，也被称为“机器语言”或“汇编语言”。

可移植性（portability）：程序的一种属性：可以在多种类型的计算机上运行。

解释器（interpreter）：一个读取其他程序并执行其内容的程序。

提示符（prompt）：解释器显示的文字，提示用户已经准备好接收用户的输入。

程序（program）：一系列代码指令的集合，指定一种运算。

print语句（print statement）：一个指令，可以通知Python解释器在屏幕上显示一个值。

操作符（operator）：一种特殊符号，用来表达加法、乘法或字符串拼接等简单运算。

值（value）：程序操作的数据基本单位，如一个数字或一个字符串。

类型（type）：值的类别。到目前为止我们已经见过的类型有整数（int）、浮点数（float）和字符串（str）。

整型（integer）：用来表示整数的类型。

浮点型（floating-point）：用来表示带小数部分的数的类型。

字符串（string）：用来表示一串字符的类型。

自然语言（natural language）：自然演化而来的人们所说的语言。

形式语言（formal language）：人们设计为某些特定目的（如表达数学概念或者计算机程序）设计的任何一种语言。所有编程语言都属于形式语言。

记号（token）：程序的语法结构的最基本单位，类似于自然语言中的词。

语法（syntax）：用于控制程序结构的规则。

语法分析（parse）：检查程序并分析其语法结构。

bug：程序中的错误。

调试（debugging）：发现和纠正bug的过程。

1.9　练习

练习 1-1

在计算机前阅读本书是一个好主意，因为你可以边看边试验书中的示例。

每当你试验新的语言特性时，应当试着故意犯错。例如，在“Hello，World!”程序中，如果少写一个引号，会发生什么？如果两个引号都不写，会怎么样？如果把print拼写错了，会如何？

这种试验会帮你记住所读的内容，也能帮你学会调试，因为这样能看到不同的出错消息代表着什么。现在故意犯错总比今后在编码中意外出错好。

1．在print语句中，如果漏掉一个括号，或者两个都漏掉，会发生什么？

2．如果正尝试打印一个字符串，那么若漏掉一个或所有的引号，会发生什么？

3．可以使用一个负号来表示负数，如-2。如果在数字之前放一个正号，会发生什么？如果是2++2呢？

4．在数学标记里，前置0是没有问题的，如02。在Python中也这么做会发生什么？

5．如果在两个值之间不放任何操作符，会发生什么？

练习1-2

启动Python解释器，把它当作计算器使用。

1．在42分42秒中，一共有多少秒？

2．10千米相当于多少英里？提示：1英里相当于1.61千米。

3．如果你用42分42秒跑完10千米，那么你的平均速度（跑1千米需要的分钟和秒数）是多少？平均速度是多少千米每小时？

[1] “The penny dropped”在英语里的意思是：经过一段困惑后，突然理解了某个事情。——译者注