Python程序设计基础及应用（全微课视频版）

TIOBE网站的统计数字表明，Python是近20年以来获得“年度编程语言奖”次数多的编程语言。2020年和2021年，Python连续两年位居榜首，而且截至本书定稿时，Python仍独占鳌头。
通常人们认为Python是好的编程语言，因为它非常平易近人，是一种快速、易于使用且易于部署的编程语言。Python也是美国大学选用多的编程语言，著名的哈佛大学、麻省理工学院、加州大学伯克利分校、卡耐基-梅隆大学等，已将Python语言作为计算机专业和非计算机专业的入门语言。Python崇尚简、短、精、小，其应用几乎无限制，各方面地位超然。Python在软件质量控制、提升开发效率、可移植性、组件集成、丰富的库支持等方面均处于领先地位。更重要的是，Python简单易学、免费开源、可移植、可扩展、可嵌入。此外，Python还支持面向对象编程，而且它的面向对象编程甚至比Java和C#.net更彻底。
Python是“高性价比”的语言。它合理地结合了高性能与低成本(代码量小、维护成本低、编程效率高)的特色，致力于用简洁的代码完成任务。完成同样的业务逻辑，在其他编程语言中可能需要编写大量的代码，而在Python中只需调用内建函数或内建对象的方法即可实现，甚至可以直接调用第三方扩展库来完成。一般情况下，Python的代码量仅仅是Java的1/5，足见Python编程的高效。
Python是应用“无限制”的语言。它被广泛地应用于后端开发、游戏开发、网站开发、科学计算、大数据分析、云计算、图形开发等领域。美国中央情报局CIA网站、世界上的视频网站YouTube、国内的问答社区“知乎”等，都是由Python开发的，搜狐、金山、腾讯、盛大、网易、百度、阿里、淘宝、土豆、新浪、果壳等著名的IT公司都在使用Python完成各种各样的任务。
Python是一种代表“简单主义”思想的语言。它的设计哲学是优雅、明确、简单。阅读一个良好的Python程序，感觉就像在阅读英语，尽管这对英语的要求非常严格。Python的这种伪代码本质是它的优点之一。
Python是“高层次”的语言。它内建优异的数据结构，很容易表达各种常见的数据结构，不再需要定义指针、分配内存，编程也简单了许多，也无须考虑程序对内存的使用等底层细节，把许多机器层面的细节隐藏起来，凸显逻辑层面的编程思考。
Python是免费、开源、跨平台的高级动态编程语言。它支持命令式编程、函数式编程，全面支持面向对象编程；它语法简洁、清晰，拥有功能丰富而强大的标准库和大量的第三方扩展库；它可使用户能够专注于解决问题而不是去搞明白语言本身，这是其开发效率高的根本原因。
由此可见，用“出类拔萃”来形容Python并不为过。Python如此众多的优势，吸引着无数的程序员投身于Python。网上的一句流行语颇耐人寻味：“人生苦短，我用Python。”
在国外，“Python热”正在逐步升温，涉及方方面面的领域；在国内，越来越多的大学已将Python列入本科生的必修课程或选修课程，越来越多的IT企业将开发语言瞄向了Python。可以预见的是，国内的“Python热”方兴未艾，本书的出版顺应了这一大趋势。
为了拓展应用范围，充分利用现有资源，对于Python程序员而言，熟练运用第三方扩展库是非常重要的。使用成熟的扩展库可以帮助我们快速实现业务逻辑，达到事半功倍的效果。但是，第三方扩展库的理解和运用无疑要建立在对Python基础知识和基本数据结构熟练掌握的基础上。因此，本书兼顾“基础”与“应用”两个方面，前7章把重点放在基础上，通过大量的经典例题讲解了Python语言的核心内容；后5章则把重点放在应用上，通过大量案例介绍了Python在实际开发中的应用。关于不同应用领域的第三方扩展库，读者可以参考附录B，并结合自己的专业领域查阅相关文档。本书共分12章，主要内容如下。
第1章Python程序设计概述。介绍什么是编程语言，什么是Python，学习Python的原因，Python的发展历史，多种平台下Python环境的搭建，使用集成开发环境IDLE来帮助学习Python，Python常用的开发工具，后给出了本书个Python程序。
第2章Python语言基础。讲解Python的语法和句法，Python的数据类型，Python的常量与变量，Python的运算符与优先级，Python的数值类型，Python的字符串类型，Python的高级数据类型(列表、元组、字典、集合)，后介绍了正则表达式及其应用。
第3章Python流程控制。介绍了算法与结构化程序设计的概念，讲解了if语句和for语句的基本格式、执行规则、嵌套用法，range()函数在循环中的使用方法，while语句的基本格式、执行规则、嵌套用法，后介绍了break、continue、pass等关键字在循环中的使用方法。
第4章函数与模块。讲解了Python代码编写规范和风格，函数的定义与调用，函数参数的传递，Python变量作用域，函数与递归，迭代器与生成器，Python自定义模块，输入输出语句的基本格式及执行规则，匿名函数的定义与使用。
第5章文件与目录操作。介绍了文件和文件对象，讲解了基于os模块的文件操作方法、基于shutil模块的文件操作方法，文本文件、CSV文件、Excel文件的基本操作，后介绍了HTML、XML文档的基本操作。
第6章面向对象编程。介绍了面向对象技术，讲解了类与对象的定义和使用、类的属性与方法、类的作用域与命名空间、类的单继承和多继承，后以数个典型实例讲解了面向对象程序设计的应用。
第7章异常处理与pdb模块调试。介绍了Python编程的常见错误、Python的异常处理机制，后介绍了如何使用pdb模块调试Python程序。
第8章数据库编程。讲解了数据库技术基础，SQLite和MySQL数据库的数据类型、基本操作，使用Python操作SQLite和MySQL数据库的方法。
第9章数据分析与可视化。讲解了使用Python进行数据挖掘的原因，介绍了NumPy库、SciPy库、Matplotlib库和pandas库，后通过数理统计中的数据离散度分析和数据挖掘中的离群点分析等典型案例，介绍了Python在数据可视化方面的应用。
第10章GUI编程和用户界面。讲解了GUI界面的概念，Tkinter模块及其各种组件，网格布局管理器，后介绍了GUI编程。
第11章Web开发。讲解了Web应用的工作方式，MVC设计模式，CGI通用网关接口，使用模板快速生成Web页面。
第12章网络爬虫。介绍了网络爬虫的基本原理及工作流程、Requests模块编码流程、网页数据解析工具Xpath，后介绍了应用Scrapy实现网络爬虫的方法。
本书的特点是内容精炼、案例丰富、联系实际；程序输出原汁原味，既有正确输出的结果，又有错误输出的提示，让读者既从“正”的方面学到经验，又从“负”的方面吸取教训，使经验与教训兼而得之。本书总体内容按照先基础、后应用的顺序安排，前7章为基础篇，其内容循序渐进；后5章为应用篇，其内容自成体系；每个知识点按照先讲解知识、后给出案例的顺序编写编；每个软件都配有安装过程截图，每道例题都配有运行结果截图，使读者一目了然。
本书由天津工业大学杨连贺、李姜及天津市电子计算机研究所杨阳担任主编，由天津工业大学朱宏飞、刘星雨、张莉琦担任副主编。杨连贺教授具有30余年的程序设计教学经验，讲授过多门编程语言，并编写过大量应用程序，青年时期曾参加过市级讲课大赛并取得优异成绩，特别是在美国访学期间，用Python语言开发过较大规模的软件。在内容的组织和安排上，本书结合了作者多年教学与科研中积累的经验，并巧妙地将其糅合到相应的章节中。
本书以目前流行的Python?3为基础，适当兼顾Python?2.x；既讲解Python的基础知识，又适当介绍Python在各个方面的应用，因而可以满足不同层次读者的需要。
本书作为教材，基础教学建议选取前7章内容，推荐36学时；“基础 应用”教学建议按“7 n”方式选取教学内容，后5章可根据专业需要择其一二，或全部选用，推荐42～64学时。建议采用边讲边练的教学模式。本书可以作为具有一定Python基础的读者进一步学习的资料，可供参加各类计算机考试的人员学习和参考，也可以作为从事数据分析、数据库开发、Web开发、界面设计、软件开发等工作的工程师的参考资料。对于打算利用业余时间快乐地学习一门编程语言并编写一些小程序来自我娱乐的读者，本书是的学习资料。本书也适合对编程有着浓厚兴趣的中小学生作为课外阅读书籍。
由于编者水平有限，书中的疏漏与不足之处在所难免，希望专家和读者不吝指正。

编  者    

Python是一门简单易学、功能强大的编程语言，它内建了高效的数据结构，能够用简单而又高效的方式进行编程。它优雅的语法和动态的类型，再结合它的解释性，使其成为在大多数平台下编写脚本或开发应用程序的理想语言。
《Python程序设计基础及应用（全微课视频版）》系统而全面地介绍了Python语言的全部内容，既能为初学者夯实基础，又适合程序员提升技能。考虑到近几年数据挖掘技术和网络编程技术的发展，《Python程序设计基础及应用（全微课视频版）》加入了Python语言在科学计算、网络编程和数据可视化方面的内容。与一般的Python语言教材相比，《Python程序设计基础及应用（全微课视频版）》增加了许多实际案例的应用，可让读者更好地将Python基础知识应用到实际当中。书中的每道例题均以屏幕截图的方式原汁原味地给出运行结果，便于读者分析、理解程序。
响应关于课程思政建设的号召，《Python程序设计基础及应用（全微课视频版）》充分挖掘思政元素，在一定程度上融入了思政内容，使思政教育与专业教育有机衔接、融合。
《Python程序设计基础及应用（全微课视频版）》可作为高等院校计算机或非计算机相关专业的Python语言教材，也可作为软件开发人员的参考资料，还可供读者自学Python语言之用。

杨连贺，天津工业大学计算机学院教授，博士，博士生导师。主持完成原中国纺织总会、天津市科委、天津市、等项目10余项，获得两项天津市科研成果，获得天津市工程专业学位优秀课程奖；近年来在国内外学术刊物上公开发表论文百余篇，其中多篇被EI、SCI收录。从事Python语言程序设计科研与教学工作十余年，曾主编《C语言程序设计》《Python程序设计实用教程》等十余部著作。擅长算法语言类教学，曾在天津市高校教师教学基本功大赛中夺冠。

第1章  Python程序设计概述 1
1.1  程序设计语言 2
1.1.1  程序设计语言概述 2
1.1.2  编译型语言与解释型语言 4
1.2  Python概述 4
1.2.1  Python的概念 4
1.2.2  学习Python的意义 6
1.2.3  Python的发展 7
1.3  Python开发环境的搭建 8
1.3.1  Windows平台下Python开发环境的搭建 8
1.3.2  Linux平台下Python开发环境的搭建 10
1.3.3  使用IDLE来帮助学习Python 12
1.3.4  Python常用的开发工具 16
1.3.5  “Hello World！”——个Python程序 17
1.4  本章小结 18
习题 18

第2章  Python语言基础 21
2.1  基础Python语法 22
2.1.1  标识符 22
2.1.2  Python的语法和句法 23
2.2  数值 25
2.2.1  数据类型 25
2.2.2  变量与常量 30
2.2.3  运算符与优先级 31
2.3  字符串 34
2.4  列表与序列 43
2.5  元组 47
2.6  字典 50
2.7  集合 53
2.8  基本输入与输出 58
2.8.1  输出到屏幕 58
2.8.2  键盘输入 59
2.9  正则表达式 60
2.9.1  基本元素 60
2.9.2  正则表达式的操作举例 62
2.9.3  正则表达式测试工具 64
2.9.4  正则表达式的在线测试 67
2.10  本章小结 68
习题 68

第3章  Python流程控制 71
3.1  顺序结构程序设计 72
3.1.1  算法 72
3.1.2  顺序结构程序设计举例 73
3.2  选择结构程序设计 74
3.2.1  单分支选择结构 74
3.2.2  双分支选择结构 76
3.2.3  多分支选择结构 76
3.2.4  三元运算符 77
3.2.5  比较运算符 77
3.2.6  逻辑运算符 79
3.2.7  选择结构的嵌套 80
3.3  循环结构程序设计 81
3.3.1  for循环 81
3.3.2  while循环 85
3.3.3  break和continue语句在循环中的使用 86
3.3.4  循环中使用else分支 88
3.3.5  循环的嵌套 89
3.3.6  pass在循环中的使用 91
3.4  range()函数 91
3.5  案例实训 95
3.5.1  案例实训1：输出所有和为某个正整数的连续正数序列 95
3.5.2  案例实训2：歌咏比赛评分程序 96
3.6  本章小结 98
习题 98

第4章  函数与模块 101
4.1  Python代码编写规范 102
4.1.1  Python代码风格 103
4.1.2  典型案例 104
4.2  函数 106
4.2.1  函数定义 106
4.2.2  函数调用 107
4.2.3  按引用传递参数 108
4.2.4  参数类型 108
4.2.5  return语句 110
4.2.6  变量的作用域与命名空间 111
4.2.7  函数与递归 112
4.2.8  迭代器与生成器 116
4.2.9  自定义模块 118
4.3  标准模块 120
4.3.1  内建函数 120
4.3.2  格式化输出 120
4.3.3  内建模块 123
4.4  匿名函数 126
4.5  Python工具箱 127
4.6  案例实训：“哥德巴赫猜想”的验证 129
4.7  本章小结 130
习题 131

第5章  文件与目录操作 135
5.1  文件的基本操作 136
5.1.1  打开文件 136
5.1.2  关闭文件 138
5.1.3  在文本文件中读取数据 138
5.1.4  创建文本文件 139
5.1.5  向文本文件中添加数据 139
5.1.6  文件指针 139
5.1.7  截断文件 140
5.1.8  复制、删除、移动、更名文件 140
5.2  指定目录下的文件操作 142
5.2.1  获取当前目录 142
5.2.2  获取当前目录下的内容 142
5.2.3  创建、删除目录 143
5.3  CSV文件 143
5.3.1  读CSV文件 144
5.3.2  写CSV文件 144
5.4  Excel文件 145
5.4.1  使用xlrd读Excel文件 145
5.4.2  使用xlwt写Excel文件 146
5.4.3  使用xlutils修改Excel文件 148
5.5  HTML文件 149
5.5.1  Beautiful Soup安装 149
5.5.2  创建Beautiful Soup对象 150
5.5.3  解析HTML文件 151
5.6  XML文件 153
5.6.1  解析XML文件 153
5.6.2  创建XML文件 155
5.7  案例实训：广告极限词过滤 156
5.8  本章小结 158
习题 158

第6章  面向对象编程 161
6.1  类的定义与使用 163
6.1.1  类的定义——封装 164
6.1.2  类属性与方法 165
6.1.3  再谈Python的作用域和命名空间 169
6.2  Python类与对象 171
6.2.1  类对象 171
6.2.2  类属性 172
6.2.3  实例属性 174
6.2.4  几点说明 175
6.3  继承 176
6.3.1  单继承 176
6.3.2  多继承 177
6.3.3  方法重写与运算符重载 179
6.3.4  isinstance函数 181
6.3.5  super()函数 182
6.4  多态 183
6.5  案例实训：栈与队列 185
6.6  本章小结 188
习题 189

第7章  异常处理与pdb模块调试 191
7.1  编程常见错误 192
7.1.1  语法错误 192
7.1.2  逻辑错误 193
7.1.3  异常 193
7.2  异常处理 193
7.2.1  try、except、else、finally语句 195
7.2.2  主动触发异常和自定义异常 197
7.2.3  使用sys模块返回异常 198
7.3  使用pdb模块调试程序 199
7.3.1  常用的pdb函数 199
7.3.2  pdb调试命令 201
7.4  案例实训：文件操作中的异常事件处理 203
7.5  本章小结 205
习题 205

第8章  数据库编程 207
8.1  数据库技术基础 208
8.1.1  数据库的基本概念 208
8.1.2  数据库的类型 209
8.2  SQLite数据库 210
8.2.1  SQLite数据库的下载和安装 210
8.2.2  SQLite数据类型 211
8.2.3  创建SQLite数据库 212
8.2.4  SQLite的基本操作 212
8.2.5  使用Python操作SQLite数据库 215
8.3  MySQL数据库 218
8.3.1  MySQL数据库的下载和安装 218
8.3.2  MySQL数据类型 221
8.3.3  MySQL的基本操作 222
8.3.4  使用Python操作MySQL数据库 230
8.4  案例实训：管理信息系统的数据操作 231
8.5  本章小结 234
习题 234

第9章  数据分析与可视化 237
9.1  数据挖掘简介 238
9.2