Python入門 - 第 4 節(jié)課：腳本編寫

目錄

1. Python 安裝和環(huán)境設(shè)置

安裝 Anaconda

對(duì)數(shù)據(jù)科學(xué)方面，強(qiáng)烈建議安裝 Anaconda，即使你已經(jīng)在計(jì)算機(jī)上安裝了 Python。如果你尚未設(shè)置計(jì)算機(jī)，請(qǐng)參閱我們的 Anaconda 和 Jupyter notebook 簡(jiǎn)短課程設(shè)置計(jì)算機(jī)。你將學(xué)習(xí)如何為這門課程設(shè)置環(huán)境，需要安裝 Python 3.6、Jupyter Notebook、NumPy、pandas、Matplotlib 和 Seaborn。

Anaconda 包含大量專門針對(duì)數(shù)據(jù)科學(xué)的庫(kù)和軟件分發(fā)版本，某些庫(kù)和軟件比較難安裝。同時(shí)，你可以很輕松地在計(jì)算機(jī)上設(shè)置不同的環(huán)境，以便在不同版本的 Python 和軟件包之間快速切換！例如，如果你正在處理的某個(gè)項(xiàng)目需要 Python 3.6 以及不同的依賴項(xiàng)，那么 Anaconda 的環(huán)境管理功能可以提供幫助。上面給出鏈接的 Anaconda 和 Jupyter notebook 免費(fèi)課程講授了如何處理這類情形。

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2. 與用戶輸入交互

我們可以使用內(nèi)置函數(shù) input獲取用戶的原始輸入，該函數(shù)接受一個(gè)可選字符串參數(shù)，用于指定在要求用戶輸入時(shí)向用戶顯示的消息。

name = input("Enter your name: ")
print("Hello there, {}!".format(name.title()))

這段代碼提示用戶輸入姓名，然后在問(wèn)候語(yǔ)中使用該輸入。input函數(shù)獲取用戶輸入的任何內(nèi)容并將其存儲(chǔ)為字符串。如果你想將輸入解析為字符串之外的其他類型，例如整數(shù)（如以下示例所示），需要用新的類型封裝結(jié)果并從字符串轉(zhuǎn)換為該類型。

num = int(input("Enter an integer"))
print("hello" * num)

我們還可以使用內(nèi)置函數(shù) eval將用戶輸入解析為 Python 表達(dá)式。該函數(shù)會(huì)將字符串評(píng)估為一行 Python 代碼。

result = eval(input("Enter an expression: "))
print(result)

如果用戶輸入 2 * 3，輸出為 6。

練習(xí)：生成消息
假設(shè)你是一名老師，需要向每位學(xué)生發(fā)一條消息，提醒他們未交的作業(yè)和分?jǐn)?shù)是多少。你知道每名學(xué)生的姓名，沒(méi)交的作業(yè)份數(shù)和分?jǐn)?shù)，這些數(shù)據(jù)保存在了電子表格中，你只需將這些輸入插入你想到的以下消息中即可：

寫一個(gè)完成以下操作的腳本：

請(qǐng)求用戶輸入三次。一次是名字列表，一次是未交作業(yè)數(shù)量列表，一次是分?jǐn)?shù)列表。使用該輸入創(chuàng)建 names、assignments 和grades 列表。
使用循環(huán)為每個(gè)學(xué)生輸出一條信息并包含正確的值。潛在分?jǐn)?shù)是 2 乘以未交作業(yè)數(shù)加上當(dāng)前分?jǐn)?shù)。
下面是在終端內(nèi)成功運(yùn)行該腳本的示例。

image.png

代碼如下

names = input("Enter names separated by commas: ").title().split(",")
assignments = input("Enter assignment counts separated by commas: ").split(",")
grades = input("Enter grades separated by commas: ").split(",")

message = "Hi {},\n\nThis is a reminder that you have {} assignments left to \
submit before you can graduate. You're current grade is {} and can increase \
to {} if you submit all assignments before the due date.\n\n"

for name, assignment, grade in zip(names, assignments, grades):
    print(message.format(name, assignment, grade, int(grade) + int(assignment)*2))

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3. 處理異常

錯(cuò)誤和異常

當(dāng) Python 無(wú)法解析代碼時(shí)，就會(huì)發(fā)生語(yǔ)法錯(cuò)誤，因?yàn)槲覀儧](méi)有遵守正確的 Python 語(yǔ)法。當(dāng)你出現(xiàn)拼寫錯(cuò)誤或第一次開(kāi)始學(xué)習(xí) Python 時(shí)，可能會(huì)遇到這些錯(cuò)誤。

當(dāng)在程序執(zhí)行期間出現(xiàn)意外情況時(shí)，就會(huì)發(fā)生異常，即使代碼在語(yǔ)法上正確無(wú)誤。Python 有不同類型的內(nèi)置異常，你可以在錯(cuò)誤消息中查看系統(tǒng)拋出了什么異常。

以下是常見(jiàn)的內(nèi)置異常:

image.png

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Try 語(yǔ)句

我們可以使用 try 語(yǔ)句處理異常。你可以使用 4 個(gè)子句（除了視頻中顯示的子句之外還有一個(gè)子句）。

  • try：這是 try 語(yǔ)句中的唯一必需子句。該塊中的代碼是 Python 在 try 語(yǔ)句中首先運(yùn)行的代碼。
  • except：如果 Python 在運(yùn)行 try 塊時(shí)遇到異常，它將跳到處理該異常的 except 塊。
  • else：如果 Python 在運(yùn)行 try 塊時(shí)沒(méi)有遇到異常，它將在運(yùn)行 try 塊后運(yùn)行該塊中的代碼。
  • finally：在 Python 離開(kāi)此 try 語(yǔ)句之前，在任何情形下它都將運(yùn)行此 finally 塊中的代碼，即使要結(jié)束程序，例如：如果 Python 在運(yùn)行 except 或 else 塊中的代碼時(shí)遇到錯(cuò)誤，在停止程序之前，依然會(huì)執(zhí)行此finally 塊。

為何在 Python 中需要 finally 子句？
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指定異常

我們實(shí)際上可以指定要在 except 塊中處理哪個(gè)錯(cuò)誤，如下所示：

try:
    # some code
except ValueError:
    # some code

現(xiàn)在它會(huì)捕獲 ValueError 異常，但是不會(huì)捕獲其他異常。如果我們希望該處理程序處理多種異常，我們可以在 except后面添加異常元組。

try:
    # some code
except (ValueError, KeyboardInterrupt):
    # some code

或者，如果我們希望根據(jù)異常執(zhí)行不同的代碼塊，可以添加多個(gè) except 塊。

try:
    # some code
except ValueError:
    # some code
except KeyboardInterrupt:
    # some code

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訪問(wèn)錯(cuò)誤消息

在處理異常時(shí)，依然可以如下所示地訪問(wèn)其錯(cuò)誤消息：

try:
    # some code
except ZeroDivisionError as e:
   # some code
   print("ZeroDivisionError occurred: {}".format(e))

應(yīng)該會(huì)輸出如下所示的結(jié)果：

ZeroDivisionError occurred: division by zero

因此依然可以訪問(wèn)錯(cuò)誤消息，即使已經(jīng)處理異常以防止程序崩潰！

如果沒(méi)有要處理的具體錯(cuò)誤，依然可以如下所示地訪問(wèn)消息：

try:
    # some code
except Exception as e:
   # some code
   print("Exception occurred: {}".format(e))

Exception 是所有內(nèi)置異常的基礎(chǔ)類。你可以在此處詳細(xì)了解 Python 的異常。

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4.讀寫文件

讀取文件

f = open('my_path/my_file.txt', 'r')
file_data = f.read()
f.close()
  1. 首先使用內(nèi)置函數(shù)open 打開(kāi)文件。需要文件路徑字符串。open 函數(shù)會(huì)返回文件對(duì)象，它是一個(gè) Python 對(duì)象，Python 通過(guò)該對(duì)象與文件本身交互。在此示例中，我們將此對(duì)象賦值給變量 f。
  2. 可以在 open 函數(shù)中指定可選參數(shù)。參數(shù)之一是打開(kāi)文件時(shí)采用的模式。在此示例中，我們使用 r，即只讀模式。這實(shí)際上是模式參數(shù)的默認(rèn)值。
  3. 使用 read 訪問(wèn)文件對(duì)象的內(nèi)容。該 read 方法會(huì)接受文件中包含的文本并放入字符串中。在此示例中，我們將該方法返回的字符串賦值給變量 file_data。
  4. 當(dāng)我們處理完文件后，使用 close 方法釋放該文件占用的系統(tǒng)資源。

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寫入文件

f = open('my_path/my_file.txt', 'w')
f.write("Hello there!")
f.close()
  1. 以寫入 'w'模式打開(kāi)文件。如果文件不存在，Python 將為你創(chuàng)建一個(gè)文件。如果以寫入模式打開(kāi)現(xiàn)有文件，該文件中之前包含的所有內(nèi)容將被刪除。如果你打算向現(xiàn)有文件添加內(nèi)容，但是不刪除其中的內(nèi)容，可以使用附加 'a'模式，而不是寫入模式。
  2. 使用 write 方法向文件中添加文本。
  3. 操作完畢后，關(guān)閉文件。
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With

Python 提供了一個(gè)特殊的語(yǔ)法，該語(yǔ)法會(huì)在你使用完文件后自動(dòng)關(guān)閉該文件。

with open('my_path/my_file.txt', 'r') as f:
    file_data = f.read()

該with 關(guān)鍵字使你能夠打開(kāi)文件，對(duì)文件執(zhí)行操作，并在縮進(jìn)代碼（在此示例中是讀取文件）執(zhí)行之后自動(dòng)關(guān)閉文件。現(xiàn)在，我們不需要調(diào)用f.close()了！你只能在此縮進(jìn)塊中訪問(wèn)文件對(duì)象f。

f.read()調(diào)用沒(méi)有傳入?yún)?shù)。它自動(dòng)變成從當(dāng)前位置讀取文件的所有剩余內(nèi)容，即整個(gè)文件。如果向 .read()傳入整型參數(shù)，它將讀取長(zhǎng)度是這么多字符的內(nèi)容，輸出所有內(nèi)容，并使 'window' 保持在該位置以準(zhǔn)備繼續(xù)讀取。

with open(camelot.txt) as song:
    print(song.read(2))
    print(song.read(8))
    print(song.read())

輸出：

We
're the 
knights of the round table
We dance whenever we're able

每次讀取一行方法

Python 將使用語(yǔ)法for line in file循環(huán)訪問(wèn)文件中的各行內(nèi)容。 我可以使用該語(yǔ)法創(chuàng)建列表中的行列表。因?yàn)槊啃幸廊话瑩Q行符，因此我使用.strip()刪掉換行符。

camelot_lines = []
with open("camelot.txt") as f:
    for line in f:
        camelot_lines.append(line.strip())

print(camelot_lines)

輸出：

["We're the knights of the round table", "We dance whenever we're able"]

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5. 導(dǎo)入本地、標(biāo)準(zhǔn)和第三方模塊

導(dǎo)入本地腳本

我們實(shí)際上可以導(dǎo)入其他腳本中的 Python，如果你處理的是大型項(xiàng)目，需要將代碼整理成多個(gè)文件并重復(fù)利用這些文件中的代碼，則導(dǎo)入腳本很有用。如果你要導(dǎo)入的 Python 腳本與當(dāng)前腳本位于同一個(gè)目錄下，只需輸入 import，然后是文件名，無(wú)需擴(kuò)展名.py。

import useful_functions

Import語(yǔ)句寫在 Python 腳本的頂部，每個(gè)導(dǎo)入語(yǔ)句各占一行。該import語(yǔ)句會(huì)創(chuàng)建一個(gè)模塊對(duì)象，叫做 useful_functions。模塊是包含定義和語(yǔ)句的 Python 文件。要訪問(wèn)導(dǎo)入模塊中的對(duì)象，需要使用點(diǎn)記法。

import useful_functions
useful_functions.add_five([1, 2, 3, 4])

我們可以為導(dǎo)入模塊添加別名，以使用不同的名稱引用它。

import useful_functions as uf
uf.add_five([1, 2, 3, 4])

使用if main塊

為了避免運(yùn)行從其他腳本中作為模塊導(dǎo)入的腳本中的可執(zhí)行語(yǔ)句，將這些行包含在 if __name__ == "__main__"塊中?；蛘撸瑢⑺鼈儼诤瘮?shù) main()中并在if main塊中調(diào)用該函數(shù)。

每當(dāng)我們運(yùn)行此類腳本時(shí)，Python 實(shí)際上會(huì)為所有模塊設(shè)置一個(gè)特殊的內(nèi)置變量__name__。當(dāng)我們運(yùn)行腳本時(shí)，Python 會(huì)將此模塊識(shí)別為主程序，并將此模塊的__name__變量設(shè)為字符串"__main__"。對(duì)于該腳本中導(dǎo)入的任何模塊，這個(gè)內(nèi)置__name__變量會(huì)設(shè)為該模塊的名稱。因此，條件 if __name__ == "__main__"會(huì)檢查該模塊是否為主程序。

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標(biāo)準(zhǔn)塊模塊

Python 標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)包含大量模塊！以下為部分推薦

  • datatime: 處理時(shí)間和日期
  • timeit: 顯示代碼的運(yùn)行時(shí)間
  • csv：對(duì)于讀取 csv 文件來(lái)說(shuō)非常便利
  • collections：常見(jiàn)數(shù)據(jù)類型的實(shí)用擴(kuò)展，包括 OrderedDict、defaultdict 和 namedtuple
  • random：生成假隨機(jī)數(shù)字，隨機(jī)打亂序列并選擇隨機(jī)項(xiàng)
  • string：關(guān)于字符串的更多函 數(shù)。此模塊還包括實(shí)用的字母集合例如 string.digits（包含所有字符都是有效數(shù)字的字符串)。
  • re：通過(guò)正則表達(dá)式在字符串中進(jìn)行模式匹配
  • math：一些標(biāo)準(zhǔn)數(shù)學(xué)函數(shù)
  • os：與操作系統(tǒng)交互
  • os.path：os 的子模塊，用于操縱路徑名稱
  • sys：直接使用 Python 解釋器
  • zipfile: 從 zip 文件中提取文件
  • json：適用于讀寫 json 文件（面向網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)）

可以在 Python 一周模塊博客中發(fā)現(xiàn)新的模塊。

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導(dǎo)入模塊技巧

還有一些在不同情形下很有用的其他形式的 import 語(yǔ)句。

要從模塊中導(dǎo)入單個(gè)函數(shù)或類：

from module_name import object_name

要從模塊中導(dǎo)入多個(gè)單個(gè)對(duì)象：

from module_name import first_object, second_object

要重命名模塊：

import module_name as new_name

要從模塊中導(dǎo)入對(duì)象并重命名：

from module_name import object_name as new_name

要從模塊中單個(gè)地導(dǎo)入所有對(duì)象（請(qǐng)勿這么做）：

from module_name import *

如果你真的想使用模塊中的所有對(duì)象，請(qǐng)使用標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)入 module_name 語(yǔ)句并使用點(diǎn)記法訪問(wèn)每個(gè)對(duì)象。

import module_name
image.png

模塊、軟件包和名稱

為了更好地管理代碼，Standard 標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)中的模塊被拆分成了子模塊并包含在軟件包中。軟件包是一個(gè)包含子模塊的模塊。子模塊使用普通的點(diǎn)記法指定。

子模塊的指定方式是軟件包名稱、點(diǎn)，然后是子模塊名稱。你可以如下所示地導(dǎo)入子模塊。

import package_name.submodule_name

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第三方庫(kù)

獨(dú)立開(kāi)發(fā)者編寫了成千上萬(wàn)的第三方庫(kù)！你可以使用 pip 安裝這些庫(kù)。pip 是在 Python 3 中包含的軟件包管理器，它是標(biāo)準(zhǔn) Python 軟件包管理器，但并不是唯一的管理器。另一個(gè)熱門的管理器是 Anaconda，該管理器專門針對(duì)數(shù)據(jù)科學(xué)。

要使用 pip 安裝軟件包，在命令行中輸入“pip install”，然后是軟件包名稱，如下所示：pip install package_name。該命令會(huì)下載并安裝該軟件包，以便導(dǎo)入你的程序中。安裝完畢后，你可以使用從標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)中導(dǎo)入模塊時(shí)用到的相同語(yǔ)法導(dǎo)入第三方軟件包。

使用 requirements.txt 文件

大型 Python 程序可能依賴于十幾個(gè)第三方軟件包。為了更輕松地分享這些程序，程序員經(jīng)常會(huì)在叫做 requirements.txt 的文件中列出項(xiàng)目的依賴項(xiàng)。下面是一個(gè) requirements.txt 文件示例。

beautifulsoup4==4.5.1
bs4==0.0.1
pytz==2016.7
requests==2.11.1

該文件的每行包含軟件包名稱和版本號(hào)。版本號(hào)是可選項(xiàng)，但是通常都會(huì)包含。不同版本的庫(kù)之間可能變化不大，可能截然不同，因此有必要使用程序作者在寫程序時(shí)用到的庫(kù)版本。

你可以使用 pip 一次性安裝項(xiàng)目的所有依賴項(xiàng)，方法是在命令行中輸入 pip install -r requirements.txt。

實(shí)用的第三方軟件包

能夠安裝并導(dǎo)入第三方庫(kù)很有用，但是要成為優(yōu)秀的程序員，還需要知道有哪些庫(kù)可以使用。大家通常通過(guò)在線推薦或同事介紹了解實(shí)用的新庫(kù)。如果你是一名 Python 編程新手，可能沒(méi)有很多同事，因此為了幫助你了解入門信息，下面是優(yōu)達(dá)學(xué)城工程師很喜歡使用的軟件包列表。（可能部分網(wǎng)站在國(guó)內(nèi)網(wǎng)絡(luò)中無(wú)法打開(kāi)）

  • IPython - 更好的交互式 Python 解釋器
  • requests - 提供易于使用的方法來(lái)發(fā)出網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求。適用于訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò) API。
  • Flask - 一個(gè)小型框架，用于構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用和 API。
  • Django - 一個(gè)功能更豐富的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用構(gòu)建框架。Django 尤其適合設(shè)計(jì)復(fù)雜、內(nèi)容豐富的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。
  • Beautiful Soup - 用于解析 HTML 并從中提取信息。適合網(wǎng)頁(yè)數(shù)據(jù)抽取。
  • pytest - 擴(kuò)展了 Python 的內(nèi)置斷言，并且是最具單元性的模塊。
  • PyYAML - 用于讀寫 YAML 文件。
  • NumPy - 用于使用 Python 進(jìn)行科學(xué)計(jì)算的最基本軟件包。它包含一個(gè)強(qiáng)大的 N 維數(shù)組對(duì)象和實(shí)用的線性代數(shù)功能等。
  • pandas - 包含高性能、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)分析工具的庫(kù)。尤其是，pandas 提供 dataframe！
  • matplotlib - 二維繪制庫(kù)，會(huì)生成達(dá)到發(fā)布標(biāo)準(zhǔn)的高品質(zhì)圖片，并且采用各種硬拷貝格式和交互式環(huán)境。
  • ggplot - 另一種二維繪制庫(kù)，基于 R's ggplot2 庫(kù)。
  • Pillow - Python 圖片庫(kù)可以向你的 Python 解釋器添加圖片處理功能。
  • pyglet - 專門面向游戲開(kāi)發(fā)的跨平臺(tái)應(yīng)用框架。
  • Pygame - 用于編寫游戲的一系列 Python 模塊。
  • pytz - Python 的世界時(shí)區(qū)定義。

IPython

實(shí)際上有一個(gè)代替默認(rèn) python 交互式解釋器的強(qiáng)大解釋器 IPython，它具有很多其他功能。

  • Tab 鍵補(bǔ)充完整
  • ?：關(guān)于對(duì)象的詳細(xì)信息
  • !：執(zhí)行系統(tǒng) shell 命令
  • 語(yǔ)法突出顯示

你可以在此處查看更多其他功能！

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