指令和程序

計算機(jī)的硬件系統(tǒng)通常由五大部件構(gòu)成，包括：運(yùn)算器、控制器、存儲器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備。其中，運(yùn)算器和控制器放在一起就是我們通常所說的中央處理器，它的功能是執(zhí)行各種運(yùn)算和控制指令以及處理計算機(jī)軟件中的數(shù)據(jù)。我們通常所說的程序?qū)嶋H上就是指令的集合，我們程序就是將一系列的指令按照某種方式組織到一起，然后通過這些指令去控制計算機(jī)做我們想讓它做的事情。今天我們大多數(shù)時候使用的計算機(jī)，雖然它們的元器件做工越來越精密，處理能力越來越強(qiáng)大，但究其本質(zhì)來說仍然屬于“馮·諾依曼結(jié)構(gòu)”的計算機(jī)?！榜T·諾依曼結(jié)構(gòu)”有兩個關(guān)鍵點(diǎn)，一是指出要將存儲設(shè)備與中央處理器分開，二是提出了將數(shù)據(jù)以二進(jìn)制方式編碼。二進(jìn)制是一種“逢二進(jìn)一”的計數(shù)法，跟我們?nèi)祟愂褂玫摹胺晔M(jìn)一”的計數(shù)法沒有實質(zhì)性的區(qū)別，人類因為有十根手指所以使用了十進(jìn)制（因為在數(shù)數(shù)時十根手指用完之后就只能進(jìn)位了，當(dāng)然凡事都有例外，瑪雅人可能是因為長年光著腳的原因把腳趾頭也算上了，于是他們使用了二十進(jìn)制的計數(shù)法，在這種計數(shù)法的指導(dǎo)下瑪雅人的歷法就與我們平常使用的歷法不一樣，而按照瑪雅人的歷法，2012年是上一個所謂的“太陽紀(jì)”的最后一年，而2013年則是新的“太陽紀(jì)”的開始，后來這件事情被以訛傳訛的方式誤傳為”2012年是瑪雅人預(yù)言的世界末日“這種荒誕的說法，今天我們可以大膽的猜測，瑪雅文明之所以發(fā)展緩慢估計也與使用了二十進(jìn)制有關(guān)）。對于計算機(jī)來說，二進(jìn)制在物理器件上來說是最容易實現(xiàn)的（高電壓表示1，低電壓表示0），于是在“馮·諾依曼結(jié)構(gòu)”的計算機(jī)都使用了二進(jìn)制。雖然我們并不需要每個程序員都能夠使用二進(jìn)制的思維方式來工作，但是了解二進(jìn)制以及它與我們生活中的十進(jìn)制之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，以及二進(jìn)制與八進(jìn)制和十六進(jìn)制的轉(zhuǎn)換關(guān)系還是有必要的。如果你對這一點(diǎn)不熟悉，可以自行使用維基百科或者百度百科科普一下。

提示：近期關(guān)于量子計算機(jī)的研究已經(jīng)被推倒了風(fēng)口浪尖，量子計算機(jī)基于量子力學(xué)進(jìn)行運(yùn)算，使用量子瞬移的方式來傳遞信息。2018年6月，Intel宣布開發(fā)出新款量子芯片并通過了在接近絕對零度環(huán)境下的測試；2019年1月，IBM向全世界發(fā)布了首款商業(yè)化量子計算機(jī)。

變量和類型

在程序設(shè)計中，變量是一種存儲數(shù)據(jù)的載體。計算機(jī)中的變量是實際存在的數(shù)據(jù)或者說是存儲器中存儲數(shù)據(jù)的一塊內(nèi)存空間，變量的值可以被讀取和修改，這是所有計算和控制的基礎(chǔ)。計算機(jī)能處理的數(shù)據(jù)有很多種類型，除了數(shù)值之外還可以處理文本、圖形、音頻、視頻等各種各樣的數(shù)據(jù)，那么不同的數(shù)據(jù)就需要定義不同的存儲類型。Python中的數(shù)據(jù)類型很多，而且也允許我們自定義新的數(shù)據(jù)類型（這一點(diǎn)在后面會講到），我們先介紹幾種常用的數(shù)據(jù)類型。

• 整型：Python中可以處理任意大小的整數(shù)（Python 2.x中有int和long兩種類型的整數(shù)，但這種區(qū)分對Python來說意義不大，因此在Python 3.x中整數(shù)只有int這一種了），而且支持二進(jìn)制（如0b100，換算成十進(jìn)制是4）、八進(jìn)制（如0o100，換算成十進(jìn)制是64）、十進(jìn)制（100）和十六進(jìn)制（0x100，換算成十進(jìn)制是256）的表示法。
• 浮點(diǎn)型：浮點(diǎn)數(shù)也就是小數(shù)，之所以稱為浮點(diǎn)數(shù)，是因為按照科學(xué)記數(shù)法表示時，一個浮點(diǎn)數(shù)的小數(shù)點(diǎn)位置是可變的，浮點(diǎn)數(shù)除了數(shù)學(xué)寫法（如123.456）之外還支持科學(xué)計數(shù)法（如1.23456e2）。
• 字符串型：字符串是以單引號或雙引號括起來的任意文本，比如'hello'和"hello",字符串還有原始字符串表示法、字節(jié)字符串表示法、Unicode字符串表示法，而且可以書寫成多行的形式（用三個單引號或三個雙引號開頭，三個單引號或三個雙引號結(jié)尾）。
• 布爾型：布爾值只有True、False兩種值，要么是True，要么是False，在Python中，可以直接用True、False表示布爾值（請注意大小寫），也可以通過布爾運(yùn)算計算出來（例如3 < 5會產(chǎn)生布爾值True，而2 == 1會產(chǎn)生布爾值False）。
• 復(fù)數(shù)型：形如3+5j，跟數(shù)學(xué)上的復(fù)數(shù)表示一樣，唯一不同的是虛部的i換成了j。實際上，這個類型并不能算作常用類型，大家了解下就可以了。

變量命名

對于每個變量我們需要給它取一個名字，就如同我們每個人都有屬于自己的響亮的名字一樣。在Python中，變量命名需要遵循以下這些必須遵守硬性規(guī)則和強(qiáng)烈建議遵守的非硬性規(guī)則。

• 硬性規(guī)則：
  • 變量名由字母（廣義的Unicode字符，不包括特殊字符）、數(shù)字和下劃線構(gòu)成，數(shù)字不能開頭。
  • 大小寫敏感（大寫的a和小寫的A是兩個不同的變量）。
  • 不要跟關(guān)鍵字（有特殊含義的單詞，后面會講到）和系統(tǒng)保留字（如函數(shù)、模塊等的名字）沖突。
• PEP 8要求：
  • 用小寫字母拼寫，多個單詞用下劃線連接。
  • 受保護(hù)的實例屬性用單個下劃線開頭（后面會講到）。
  • 私有的實例屬性用兩個下劃線開頭（后面會講到）。

當(dāng)然，作為一個專業(yè)的程序員，給變量（事實上應(yīng)該是所有的標(biāo)識符）命名時做到見名知意也是非常重要的。

變量的使用

下面通過幾個例子來說明變量的類型和變量使用。

"""
使用變量保存數(shù)據(jù)并進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算

Version: 0.1
Author: fby
"""

a = 321
b = 123
print(a + b)
print(a - b)
print(a * b)
print(a / b)
print(a // b)
print(a % b)
print(a ** b)

在Python中可以使用type函數(shù)對變量的類型進(jìn)行檢查。程序設(shè)計中函數(shù)的概念跟數(shù)學(xué)上函數(shù)的概念是一致的，數(shù)學(xué)上的函數(shù)相信大家并不陌生，它包括了函數(shù)名、自變量和因變量。如果暫時不理解這個概念也不要緊，我們會在后續(xù)的章節(jié)中專門講解函數(shù)的定義和使用。

"""
使用type()檢查變量的類型

Version: 0.1
Author: fby
Date: 2018-02-27
"""

a = 100
b = 12.345
c = 1 + 5j
d = 'hello, world'
e = True
print(type(a)) # <class 'int'>
print(type(b)) # <class 'float'>
print(type(c)) # <class 'complex'>
print(type(d)) # <class 'str'>
print(type(e)) # <class 'bool'>

可以使用Python中內(nèi)置的函數(shù)對變量類型進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

• int()：將一個數(shù)值或字符串轉(zhuǎn)換成整數(shù)，可以指定進(jìn)制。
• float()：將一個字符串轉(zhuǎn)換成浮點(diǎn)數(shù)。
• str()：將指定的對象轉(zhuǎn)換成字符串形式，可以指定編碼。
• chr()：將整數(shù)轉(zhuǎn)換成該編碼對應(yīng)的字符串（一個字符）。
• ord()：將字符串（一個字符）轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的編碼（整數(shù)）。

下面的代碼通過鍵盤輸入兩個整數(shù)來實現(xiàn)對兩個整數(shù)的算術(shù)運(yùn)算。

"""
使用input()函數(shù)獲取鍵盤輸入(字符串)
使用int()函數(shù)將輸入的字符串轉(zhuǎn)換成整數(shù)
使用print()函數(shù)輸出帶占位符的字符串

Version: 0.1
Author: fby
"""

a = int(input('a = '))
b = int(input('b = '))
print('%d + %d = %d' % (a, b, a + b))
print('%d - %d = %d' % (a, b, a - b))
print('%d * %d = %d' % (a, b, a * b))
print('%d / %d = %f' % (a, b, a / b))
print('%d // %d = %d' % (a, b, a // b))
print('%d %% %d = %d' % (a, b, a % b))
print('%d ** %d = %d' % (a, b, a ** b))

說明：上面的print函數(shù)中輸出的字符串使用了占位符語法，其中%d是整數(shù)的占位符，%f是小數(shù)的占位符，%%表示百分號（因為百分號代表了占位符，所以帶占位符的字符串中要表示百分號必須寫成%%），字符串之后的%后面跟的變量值會替換掉占位符然后輸出到終端中，運(yùn)行上面的程序，看看程序執(zhí)行結(jié)果就明白啦。

運(yùn)算符

Python支持多種運(yùn)算符，下表大致按照優(yōu)先級從高到低的順序列出了所有的運(yùn)算符，運(yùn)算符的優(yōu)先級指的是多個運(yùn)算符同時出現(xiàn)時，先做什么運(yùn)算然后再做什么運(yùn)算。除了我們之前已經(jīng)用過的賦值運(yùn)算符和算術(shù)運(yùn)算符，我們稍后會陸續(xù)講到其他運(yùn)算符的使用。

說明： 在實際開發(fā)中，如果搞不清楚運(yùn)算符的優(yōu)先級，可以使用括號來確保運(yùn)算的執(zhí)行順序。

下面的例子演示了賦值運(yùn)算符和復(fù)合賦值運(yùn)算符的使用。

"""
賦值運(yùn)算符和復(fù)合賦值運(yùn)算符

Version: 0.1
Author: fby
"""

a = 10
b = 3
a += b # 相當(dāng)于：a = a + b
a *= a + 2 # 相當(dāng)于：a = a * (a + 2)
print(a) # 想想這里會輸出什么

下面的例子演示了比較運(yùn)算符（關(guān)系運(yùn)算符）、邏輯運(yùn)算符和身份運(yùn)算符的使用。

"""
比較、邏輯和算身份運(yùn)算符的使用

Version: 0.1
Author: fby
"""

flag0 = 1 == 1
flag1 = 3 > 2
flag2 = 2 < 1
flag3 = flag1 and flag2
flag4 = flag1 or flag2
flag5 = not (1 != 2)
print('flag0 =', flag0) # flag0 = True
print('flag1 =', flag1) # flag1 = True
print('flag2 =', flag2) # flag2 = False
print('flag3 =', flag3) # flag3 = False
print('flag4 =', flag4) # flag4 = True
print('flag5 =', flag5) # flag5 = False
print(flag1 is True) # True
print(flag2 is not False) # False

練習(xí)

練習(xí)1：華氏溫度轉(zhuǎn)換為攝氏溫度。

提示：華氏溫度到攝氏溫度的轉(zhuǎn)換公式為：。

參考答案：

"""
將華氏溫度轉(zhuǎn)換為攝氏溫度

Version: 0.1
Author: fby
"""

f = float(input('請輸入華氏溫度: '))
c = (f - 32) / 1.8
print('%.1f華氏度 = %.1f攝氏度' % (f, c))

練習(xí)2：輸入圓的半徑計算計算周長和面積。

參考答案：

"""
輸入半徑計算圓的周長和面積

Version: 0.1
Author: fby
"""

import math

radius = float(input('請輸入圓的半徑: '))
perimeter = 2 * math.pi * radius
area = math.pi * radius * radius
print('周長: %.2f' % perimeter)
print('面積: %.2f' % area)

練習(xí)3：輸入年份判斷是不是閏年。

參考答案：

"""
輸入年份 如果是閏年輸出True 否則輸出False

Version: 0.1
Author: fby
"""

year = int(input('請輸入年份: '))
# 如果代碼太長寫成一行不便于閱讀 可以使用\對代碼進(jìn)行折行
is_leap = (year % 4 == 0 and year % 100 != 0) or \
           year % 400 == 0
print(is_leap)