【数据分析】第二章 Python基础

本章的学习目标
在本章中，我们将建立一个对Python世界的整体性认识。具体来说，我们将学习：

• 了解Python语言的基本情况和独特特点。 帮助你掌握Python的核心竞争力。

• 理解Python解释器是什么以及如何开始编写你的第一行Python代码。 为你的编程之路打下基础。

• 学习如何使用IPython和IPython Notebook等更现代、更高级的交互式工具进行编程。 提升你的编程效率和体验。

---

2.1 Python—— 编程语言

首先，让我们来认识一下Python这门编程语言本身。

Python是由Guido van Rossum（吉多·范·罗苏姆）于1991年发明的，它起源于ABC语言。Python的特点可以用以下几个关键词来概括：

• 解释型 (Interpreted)

• 可移植 (Portable)

• 面向对象 (Object-Oriented)

• 交互式 (Interactive)

• 胶水语言 (Interfaced/Glue Language)

• 开源 (Open Source)

• 便于理解和使用 (Easy to Understand and Use)

下面，我们逐一详细了解这些特点：

1. 解释型：

   • Python是一种解释型语言，它采用一种“伪编译”的方法。这意味着，你编写完Python程序后，需要一个“解释器”才能运行它。

   • 要解释并运行你的源代码，你的计算机上必须安装有Python解释器程序。

   • 与C、C++和Java等需要将整个程序编译成机器码才能运行的语言不同，Python程序不需要预先进行完整的编译步骤。解释器会逐行读取并执行你的代码。

2. 可移植性：

   • 使用解释器读取和运行代码的最大优势就是Python具有极高的可移植性。

   • 这意味着，只要在任何现有系统（如Linux、Windows和Mac）上安装了相应版本的Python解释器，你的Python代码无需修改就能在这些系统上运行。

   • 正是因为这个特性，许多小型设备，包括树莓派（Raspberry Pi）和其他微处理器，都选择Python作为其编程语言。

3. 面向对象：

   • Python是一种面向对象的语言。你可以通过定义“类（Class）”来表示“对象（Object）”，并实现“继承关系（Inheritance）”。

   • 与C++和Java不同的是，Python中没有明确的“构造函数”或“析构函数”概念。但你可以通过特定的结构来管理异常。

   • 值得一提的是，Python的语言结构非常灵活。即使是面向对象能实现的效果，你也可以通过函数式编程（Functional Programming）、**向量式编程（Vectorized Programming）**等其他编程范式来达成。

4. 交互式：

   • Python是一种交互式编程语言。由于Python通过解释器执行代码，它的使用环境可以展现出截然不同的特性。

   • 你可以像编写C++或Java那样，一次性编写大量代码后运行。

   • 或者，你也可以在命令行中输入一行命令，立即得到执行结果，然后根据结果决定下一行代码怎么写。这种逐行执行、即时反馈的模式具有高度的交互性。

   • 这种交互性使得Python非常适合进行计算，类似于Matlab。Python之所以能在科学计算领域取得成功，与此特点密切相关。

5. 胶水语言：

   • Python的一大优点是可以用作“胶水语言”，将C/C++等其他编程语言粘合起来。

   • 这个特性巧妙地弥补了Python执行速度相对较慢的缺点——这可能是Python唯一可能被诟病的性能问题。

   • 作为一种动态性极高的编程语言，有时执行Python程序所需的时间可能是用其他语言编写并编译后的静态程序的100倍。因此，为了解决这类性能瓶颈，我们可以在Python语言中无缝地调用和使用那些已经用其他语言编译好的高效代码。

6. 开源：

   • Python是一门开源编程语言。Python语言的参考实现——CPython是完全免费、开源的。

   • 此外，Python的每一个模块和库也都是开源的，你可以在网上找到它们的源代码。

   • 每月，庞大的开发者社区都会为Python带来诸多改进，持续丰富Python的库，并提升它们的性能。

   • CPython项目由成立于2001年的非营利机构——**Python软件基金会（Python Software Foundation, PSF）**管理。该基金会的宗旨是宣传、保护和推动Python编程语言的发展。

7. 便于理解和使用：

   • 这可能是Python最为重要的一个特点，因为它直接影响到开发者，尤其是新手的第一感受。

   • Python代码非常直观，阅读起来很容易，往往会引发用户由衷的赞叹（比如那句经典的：“人生苦短，我用Python”）。

   • 久而久之，Python就成为了大多数编程新手的首选语言。

   • 然而，“简单”并不意味着它的应用范围窄。相反，Python被广泛应用于各个计算领域。

   • 此外，与C++、Java和Fortran等其他编程语言相比，Python处理各种任务时更加简单，远没有其他语言那么复杂。

---

2.2 Python——解释器

上一节我们提到，Python是一种解释型语言，它的运行离不开解释器。

每次你在命令行中输入python命令，Python解释器就会启动，你将看到一个命令提示符>>>。Python解释器程序的核心任务就是读取并解释你输入到提示符后面的代码。

解释器既可以一次只接收一条单独的命令，也可以接收一个完整的Python代码文件。无论哪种情况，解释器的处理机制都是相同的。

解释器的工作流程：
每次你按下回车键之后，解释器会启动一个过程：

1. 单词化 (Tokenization)： 解释器开始以“单词”为单位逐一扫描代码（一行或整个文件的所有代码）。这些“单词”实际上是一个个文本片段。

2. 构建逻辑结构： 解释器将这些单词片段组织成一个表示程序逻辑结构的树状结构（你可以想象成一个语法树）。

3. 生成字节码： 随后，这些代码片段（或树状结构）将会被转化为字节码（通常以.pyc或.pyo文件的形式存在）。

4. 虚拟机执行： 最后，生成的字节码会交由**Python虚拟机（PVM）**执行。

至此，一个Python解释过程就完成了。

图2-1 Python解释器解释代码的过程

Python解释器的种类：
Python的标准解释器被称作CPython，因为它完全是用C语言编写的。除了CPython，还有一些用其他语言编写的解释器：

• Jython： 用Java语言开发的解释器。

• IronPython： 用C#开发的解释器（因此目前只适用于Windows系统）。

• PyPy： 完全用Python自身开发的解释器。

下面我们对其中几个重要的解释器做更详细的介绍。

2.2.1 Cython

Cython项目旨在开发一个能将Python代码转换为等价C代码的编译器。转换后的C代码随后在Cython环境中执行。这种编译机制使得在Python代码中嵌入能够提升效率的C代码成为可能。

你可以将Cython视为一门新的编程语言，它的发明实现了两种编程语言（Python和C）的融合。网上有大量的相关文档可供查阅，建议大家访问http://docs.cython.org了解更多信息。

2.2.2 Jython

与Cython相对，Jython是完全用Java语言开发和编译的Python解释器。它由Jim Hugunin于1997年开发（官网：http://www.jython.org）。

Jython是用Java语言实现的Python编程语言。更进一步来说，它具有以下特点：Python的扩展和包可以用Java类而不是Python模块来实现。这使得Python程序能够无缝地与Java生态系统集成。

2.2.3 PyPy

PyPy解释器是一种即时（Just-In-Time, JIT）编译器。它的特点是在程序运行时直接将Python代码转化为机器码。这样做是为了显著提升Python代码的执行速度。

然而，为了实现JIT编译的高效性，PyPy目前只支持所有Python命令中的一小部分子集，这个子集被称为RPython。关于PyPy的更多信息，请访问其官方网站：http://pypy.org。

---

2.4 安装 Python

要开始使用Python开发程序，你首先需要在你的操作