什么是程序？?

程序 是一系列說明如何執(zhí)行計算（computation）的指令。計算可以是數(shù)學(xué)上的計算，例如尋找公式的解或多項式的根，也可以是一個符號計算（symbolic computation），例如在文檔中搜索并替換文本或者圖片，就像處理圖片或播放視頻。

不同編程語言中，程序的具體細(xì)節(jié)也不一樣，但是有一些基本的指令幾乎出現(xiàn)在每種語言當(dāng)中：

• 輸入（input）：

• 從鍵盤、文件、網(wǎng)絡(luò)或者其他設(shè)備獲取數(shù)據(jù)。

• 輸出（output）：

• 在屏幕上顯示數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)保存至文件，通過網(wǎng)絡(luò)傳送數(shù)據(jù)，等等。

• 數(shù)學(xué)（math）：

• 執(zhí)行基本的數(shù)學(xué)運算，如加法和乘法。

• 有條件執(zhí)行（conditional execution）：

• 檢查符合某個條件后，執(zhí)行相應(yīng)的代碼。

• 重復(fù)（repetition）：

• 重復(fù)執(zhí)行某個動作，通常會有一些變化。

無論你是否相信，這幾乎是程序的全部指令了。每個你曾經(jīng)用過的程序，無論多么復(fù)雜，都是由跟這些差不多的指令構(gòu)成的。因此，你可以認(rèn)為編程就是將龐大、復(fù)雜的任務(wù)分解為越來越小的子任務(wù)，直到這些子任務(wù)簡單到可以用這其中的一個基本指令執(zhí)行。

運行Python?

Python入門的一個障礙，是你可能需要在電腦上安裝Python和相關(guān)軟件。如果你熟悉電腦的操作系統(tǒng)，特別是如果你能熟練使用命令行（command-line interface），安裝Python對你來說就不是問題了。但是對于初學(xué)者，同時學(xué)習(xí)系統(tǒng)管理（system administration）和編程這兩方面的知識是件痛苦的事。

為了避免這個問題，我建議你首先在瀏覽器中運行Python。等你對Python更加了解之后，我會建議你在電腦上安裝Python。

網(wǎng)絡(luò)上有許多網(wǎng)頁可以讓你運行Python。如果你已經(jīng)有最喜歡的網(wǎng)站，那就打開網(wǎng)頁運行Python吧。如果沒有，我推薦PythonAnywhere。我在 http:///thinkpython2e 給出了詳細(xì)的使用指南。

目前Python有兩個版本，分別是Python 2和Python 3。二者十分相似，因此如果你學(xué)過某個版本，可以很容易地切換到另一個版本。事實上，作為初學(xué)者，你只會接觸到很少數(shù)的不同之處。本書采用的是Python 3，但是我會加入一些關(guān)于Python 2的說明。

Python的 解釋器 是一個讀取并執(zhí)行Python代碼的程序。根據(jù)你的電腦環(huán)境不同，你可以通過雙擊圖標(biāo)，或者在命令行輸入python的方式來啟動解釋器。解釋器啟動后，你應(yīng)該看到類似下面的輸出：

前三行中包含了關(guān)于解釋器及其運行的操作系統(tǒng)的信息，因此你看到的內(nèi)容可能不一樣。但是你應(yīng)該檢查下版本號是否以3開頭，上面示例中的版本號是3.4.0。如果以3開頭，那說明你正在運行Python 3。如果以2開頭，那說明你正在運行（你猜對了）Python 2。

最后一行是一個提示符（prompt），表明你可以在解釋器中輸入代碼了。如果你輸入一行代碼然后按回車（Enter），解釋器就會顯示結(jié)果：

>>> 1 + 12

現(xiàn)在你已經(jīng)做好了開始學(xué)習(xí)的準(zhǔn)備。接下來，我將默認(rèn)你已經(jīng)知道如何啟動Python解釋器和執(zhí)行代碼。

第一個程序?

根據(jù)傳統(tǒng)，你用一門新語言寫的第一個程序叫做“Hello, World!”，因為它的功能只不過是顯示單詞“Hello, World!”。在Python中，它看起來是這樣：

這是一個 print 函數(shù)的示例，盡管它并不會真的在紙上打印。它將結(jié)果顯示在屏幕上。在此例中，結(jié)果是單詞：

Hello, World!

程序中的單引號標(biāo)記了被打印文本的首尾；它們不會出現(xiàn)在結(jié)果中。

括號說明 print 是一個函數(shù)。我們將在第三章介紹函數(shù)。在Python 2中， print是一個語句；不是函數(shù)，所以不需要使用括號。

很快你就會明白二者之間的區(qū)別，現(xiàn)在知道這些就足夠了。

譯者注：Python核心開發(fā)者Brett Cannon詳細(xì)解釋了 為什么print在Python 3中變成了函數(shù)。

算術(shù)運算符?

接下來介紹算術(shù)。Python提供了許多代表加法和乘法等運算的特殊符號，叫做 運算符 （operators）。

運算符 + 、- 和 * 分別執(zhí)行加法、減法和乘法，詳見以下示例：

>>> 40 + 242>>> 43 - 142>>> 6 * 742

運算符 / 執(zhí)行除法運算：

你可能會問，為什么結(jié)果是42.0，而不是42。在下節(jié)中，我會進(jìn)行解釋。

最后，運算符 * 執(zhí)行乘方運算；也就是說，它將某個數(shù)字乘以自身相應(yīng)的次數(shù)：

>>> 6**2 + 642

某些語言使用 ^ 運算符執(zhí)行乘方運算，但是在Python中，它卻屬于一種位運算符，叫做XOR。如果你對位運算符不太了解，那么下面的結(jié)果會讓你感到驚訝：

我不打算在本書中介紹位運算符，但是你可以閱讀 Python官方百科 ，了解相關(guān)內(nèi)容。

值和類型?

值（value） 是程序處理的基本數(shù)據(jù)之一，比如說一個單詞或一個數(shù)字。我們目前已經(jīng)接觸到的值有：2，42.0，和 'Hello World!' 。

這些值又屬于不同的 類型（types） ：2是一個 整型數(shù)（integer），42.0 是一個 浮點數(shù)（floating point number），而 'Hello, World!' 則是一個 字符串（string），之所以這么叫是因為其中的字符被串在了一起（strung together）。

如果你不確定某個值的類型是什么，解釋器可以告訴你：

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

“class”一詞在上面的輸出結(jié)果中，是類別的意思；一個類型就是一個類別的值。

不出意料，整型數(shù)屬于 int 類型，字符串屬于 str 類型，浮點數(shù)屬于 float 類型。

那么像 '2' 和 '42.0' 這樣的值呢？它們看上去像數(shù)字，但是又和字符串一樣被引號括在了一起？

它們其實是字符串。

當(dāng)你輸入一個大數(shù)值的整型數(shù)時，你可能會想用逗號進(jìn)行區(qū)分，比如說像這樣：1,000,000。在Python中，這不是一個合法的 整型數(shù)，但卻是合法的值。

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

結(jié)果和我們預(yù)料的完全不同！Python把1,000,000當(dāng)作成了一個以逗號區(qū)分的整型數(shù)序列。在后面的章節(jié)中，我們會介紹更多有關(guān)這種序列的知識。

形式語言和自然語言?

自然語言（natural language） 是人們交流所使用的語言，例如英語、西班牙語和法語。它們不是人為設(shè)計出來的（盡管有人試圖這樣做）；而是自然演變而來。

形式語言（formal languages）是人類為了特殊用途而設(shè)計出來的。例如，數(shù)學(xué)家使用的記號（notation）就是形式語言，特別擅長表示數(shù)字和符號之間的關(guān)系。化學(xué)家使用形式語言表示分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)。 最重要的是：

編程語言是被設(shè)計用于表達(dá)計算的形式語言。

形式語言通常擁有嚴(yán)格的 語法 規(guī)則，規(guī)定了詳細(xì)的語句結(jié)構(gòu)。例如，3+3=6是語法正確的數(shù)學(xué)表達(dá)式，而3+=3$6則不是；H2O是語法正確的化學(xué)式，而2Zz則不是。

語法規(guī)則有兩種類型，分別涉及記號（tokens）和結(jié)構(gòu)。記號是語言的基本元素，例如單詞、數(shù)字和化學(xué)元素。3+=3$6這個式子的問題之一，就是 $ 在數(shù)學(xué)中不是一個合法的記號（至少據(jù)我所知）。類似的，2Zz 也不合法，因為沒有一個元素的簡寫是 Zz。

第二種語法規(guī)則與標(biāo)記的組合方式有關(guān)。3+=3這個方程是非法的，因為即使+和=都是合法的記號，但是你卻不能把它們倆緊挨在一起。類似的，在化學(xué)式中，下標(biāo)位于元素之后，而不是之前。

This is @ well-structured Engli$h sentence with invalid t*kens in it.This sentence all valid tokens has, but invalid structure with.

譯者注：上面兩句英文都是不符合語法的，一個包含非法標(biāo)記，另一個結(jié)構(gòu)不符合語法。

當(dāng)你讀一個用英語寫的句子或者用形式語言寫的語句時，你都必須要理清各自的結(jié)構(gòu)（盡管在閱讀自然語言時，你是下意識地進(jìn)行的）。這個過程被稱為 解析（parsing）。

雖然形式語言和自然語言有很多共同點——標(biāo)記、結(jié)構(gòu)和語法，它們也有一些不同：

• 歧義性：

• 自然語言充滿歧義，人們使用上下文線索以及其它信息處理這些歧義。形式語言被設(shè)計成幾乎或者完全沒有歧義，這意味著不管上下文是什么，任何語句都只有一個意義。

• 冗余性：

• 為了彌補歧義性并減少誤解，自然語言使用很多冗余。結(jié)果，自然語言經(jīng)常很冗長。形式語言則冗余較少，更簡潔。

• 字面性：

• 自然語言充滿成語和隱喻。如果我說“The penny dropped”，可能根本沒有便士、也沒什么東西掉下來（這個成語的意思是，經(jīng)過一段時間的困惑后終于理解某事）。形式語言的含義，與它們字面的意思完全一致。

由于我們都是說著自然語言長大的，我們有時候很難適應(yīng)形式語言。形式語言與自然語言之間的不同，類似詩歌與散文之間的差異，而且更加明顯：

• 詩歌：

• 單詞的含義和聲音都有作用，整首詩作為一個整理，會對人產(chǎn)生影響，或是引發(fā)情感上的共鳴。歧義不但常見，而且經(jīng)常是故意為之。

• 散文：

• 單詞表面的含義更重要，句子結(jié)構(gòu)背后的寓意更深。散文比詩歌更適合分析，但仍然經(jīng)常有歧義。

• 程序：

• 計算機程序的含義是無歧義、無引申義的，通過分析程序的標(biāo)記和結(jié)構(gòu)，即可完全理解。

形式語言要比自然語言更加稠密，因此閱讀起來花的時間會更長。另外，形式語言的結(jié)構(gòu)也很重要，所以從上往下、從左往右閱讀，并不總是最好的策略。相反，你得學(xué)會在腦海里分析一個程序，識別不同的標(biāo)記并理解其結(jié)構(gòu)。最后，注重細(xì)節(jié)。拼寫和標(biāo)點方面的小錯誤在自然語言中無傷大雅，但是在形式語言中卻會產(chǎn)生很大的影響。

調(diào)試?

程序員都會犯錯。由于比較奇怪的原因，編程錯誤被稱為 故障（譯者注：英文為bug，一般指蟲子），追蹤錯誤的過程被稱為 調(diào)試（debugging）。

編程，尤其是調(diào)試，有時會讓人動情緒。如果你有個很難的bug解決不了，你可能會感到憤怒、憂郁抑或是丟人。

有證據(jù)表明，人們很自然地把計算機當(dāng)人來對待。當(dāng)計算機表現(xiàn)好的時候，我們認(rèn)為它們是隊友，而當(dāng)它們固執(zhí)或無禮的時候，我們也會像對待固執(zhí)或無禮人的一樣對待它們（Reeves and Nass, The Media Equation:How People Treat Computers, Television, and New Media Like Real Peopleand Places）。

對這些反應(yīng)做好準(zhǔn)備有助于你對付它們。一種方法是將計算機看做是一個雇員，擁有特定的長處，例如速度和精度，也有些特別的缺點，像缺乏溝通以及不善于把握大局。

你的工作是當(dāng)一個好的管理者：找到充分利用優(yōu)點、摒棄弱點的方法。并且找到使用你的情感來解決問題的方法，而不是讓你的情緒干擾你有效工作的能力。

學(xué)習(xí)調(diào)試可能很令人泄氣，但是它對于許多編程之外的活動也是一個非常有價值的技能。在每一章的結(jié)尾，我都會花一節(jié)內(nèi)容介紹一些調(diào)試建議，比如說這一節(jié)。希望能幫到你！

術(shù)語表?

• 解決問題：

• 將問題形式化、尋找并表達(dá)解決方案的過程。

• 高級語言（high-level language）：

• 像Python這樣被設(shè)計成人類容易閱讀和編寫的編程語言。

• 低級語言(low-level language)：

• 被設(shè)計成計算機容易運行的編程語言；也被稱為“機器語言”或“匯編語言（assembly language）”。

• 可移植性：

• 程序能夠在多種計算機上運行的特性。

• 解釋器：

• 讀取另一個程序并執(zhí)行該程序的程序。

• 提示符：

• 解釋器所顯示的字符，表明已準(zhǔn)備好接受用戶的輸入。

• 程序：

• 說明一個計算的一組指令。

• 打印語句：

• 使Python解釋器在屏幕上顯示某個值的指令。

• 運算符：

• 代表類似加法、乘法或者字符串連接（string concatenation）等簡單計算的特殊符號。

• 值：

• 程序所處理數(shù)據(jù)的基本元素之一，例如數(shù)字或字符串。

• 類型：

• 值的類別。我們目前接觸的類型有整型數(shù)（類型為 int）、浮點數(shù)（類型為 float ）和字符串（類型為 str ）

• 整型數(shù)：

• 代表整數(shù)的類型。

• 浮點數(shù)：

• 代表一個有小數(shù)點的數(shù)字的類型。

• 字符串：

• 代表一系列字符的類型。

• 自然語言：

• 任意一種人們?nèi)粘Ｊ褂玫?、自然演變而來的語言。

• 形式語言：

• 任意一種人類為了某種目的而設(shè)計的語言，例如用來表示數(shù)學(xué)概念或者電腦程序；所有的編程語言都是形式語言。

• 記號：

• 程序語法結(jié)構(gòu)中的基本元素之一，與自然語言中的單詞類似。

• 語法：

• 規(guī)定了程序結(jié)構(gòu)的規(guī)則。

• 解析：

• 閱讀程序，并分析其語法結(jié)構(gòu)的過程

• 故障：

• 程序中的錯誤。

• 調(diào)試：

• 尋找并解決錯誤的過程。

練習(xí)題?