Python 学习笔记

2024-05-22

字数统计: 3.2k字 | 阅读时长≈ 16分

Python基础知识总结

1. Python 基础

1.1 了解Python

Python简介
安装Python和IDE（如VSCode、PyCharm）

1.2 基本语法

变量和数据类型
基本输入和输出
基本运算符

# 变量和数据类型
a = 10        # 整数
b = 3.14      # 浮点数
c = 'Hello'   # 字符串
d = True      # 布尔值
e = None      # 空值

# 基本输入和输出
name = input("Enter your name: ")
print(f"Hello, {name}!")

# 基本运算符
x = 10 + 3
y = 10 - 3
z = 10 * 3
w = 10 / 3

1.3 控制结构

条件语句（if, elif, else）
循环语句（for, while）
列表推导式

# 条件语句
x = 10
if x > 0:
    print("x is positive")
elif x == 0:
    print("x is zero")
else:
    print("x is negative")

# 循环语句
for i in range(5):
    print(i)

count = 0
while count < 5:
    print(count)
    count += 1

# 列表推导式
squares = [x**2 for x in range(10)]

1.4 数据结构

列表
元组
字典
集合

# 列表
my_list = [1, 2, 3, 4, 5]

# 元组
my_tuple = (1, 2, 3, 4, 5)

# 字典
my_dict = {'name': 'Alice', 'age': 25}

# 集合
my_set = {1, 2, 3, 4, 5}

1.5 字符串处理

字符串操作
字符串方法

s = "hello world"
print(s.upper())     # 转为大写
print(s.capitalize()) # 首字母大写
print(s.replace("world", "Python")) # 替换子串

1.6 文件操作

读写文件
文件方法

# 写文件
with open('example.txt', 'w') as file:
    file.write("Hello, world!")

# 读文件
with open('example.txt', 'r') as file:
    content = file.read()
    print(content)

# 追加写文件
with open('example.txt', 'a') as file:
    file.write("\nAppended text.")

1.7 异常处理

try-except 语句
异常类型

try:
    result = 10 / 0
except ZeroDivisionError:
    print("You can't divide by zero!")
except Exception as e:
    print(f"An error occurred: {e}")
finally:
    print("This will always be executed")

2. 函数和模块

2.1 函数

定义函数
函数参数
返回值
高阶函数和匿名函数（lambda）

def greet(name):
    return f"Hello, {name}!"

print(greet("Alice"))

# 高阶函数
def apply_func(x, func):
    return func(x)

print(apply_func(5, lambda x: x**2))

2.2 模块和包

创建和导入模块
标准库模块
第三方库的安装和使用（如pip）

# 创建一个模块 my_module.py
def greet(name):
    return f"Hello, {name}!"

# 在另一个脚本中导入模块
import my_module

print(my_module.greet("Alice"))

# 使用标准库
import math
print(math.sqrt(16))

3. 面向对象编程

3.1 类和对象

定义类和对象
属性和方法
类的继承和多态

class Dog:
    def __init__(self, name, age):
        self.name = name
        self.age = age
    
    def bark(self):
        return f"{self.name} is barking"

dog1 = Dog("Buddy", 3)
print(dog1.bark())

# 类的继承
class Animal:
    def __init__(self, name):
        self.name = name

    def speak(self):
        raise NotImplementedError("Subclasses must implement this method")

class Dog(Animal):
    def speak(self):
        return f"{self.name} says woof!"

dog = Dog("Buddy")
print(dog.speak())

4. 进阶主题

4.1 装饰器

定义装饰器
使用装饰器

def my_decorator(func):
    def wrapper():
        print("Something is happening before the function is called.")
        func()
        print("Something is happening after the function is called.")
    return wrapper

@my_decorator
def say_hello():
    print("Hello!")

say_hello()

4.2 生成器

定义生成器
使用生成器

def my_generator():
    for i in range(5):
        yield i

gen = my_generator()
for value in gen:
    print(value)

4.3 迭代器

定义迭代器
使用迭代器

class MyIterator:
    def __init__(self, max):
        self.max = max
        self.current = 0

    def __iter__(self):
        return self

    def __next__(self):
        if self.current < self.max:
            self.current += 1
            return self.current
        else:
            raise StopIteration

my_iter = MyIterator(5)
for num in my_iter:
    print(num)

5. 数据分析和科学计算

5.1 NumPy

数组操作
数学运算

import numpy as np

arr = np.array([1, 2, 3, 4, 5])
print(arr.mean())  # 计算均值

5.2 Pandas

数据处理
数据分析

import pandas as pd

data = {'name': ['Alice', 'Bob'], 'age': [25, 30]}
df = pd.DataFrame(data)
print(df)

5.3 Matplotlib

数据可视化

import matplotlib.pyplot as plt

x = [1, 2, 3, 4, 5]
y = [2, 3, 5, 7, 11]

plt.plot(x, y)
plt.xlabel('x')
plt.ylabel('y')
plt.title('Simple Plot')
plt.show()

6. Web开发

6.1 Flask

创建简单的Web应用
路由和视图函数

from flask import Flask

app = Flask(__name__)

@app.route('/')
def hello_world():
    return 'Hello, World!'

if __name__ == '__main__':
    app.run(debug=True)

6.2 Django

创建项目和应用
URL路由和视图
模板和静态文件

# 创建Django项目和应用
django-admin startproject myproject
cd myproject
python manage.py startapp myapp

# 在 myapp/views.py 中定义视图
from django.http import HttpResponse

def hello_world(request):
    return HttpResponse("Hello, World!")

# 在 myproject/urls.py 中配置URL路由
from django.contrib import admin
from django.urls import path
from myapp import views

urlpatterns = [
    path('admin/', admin.site.urls),
    path('', views.hello_world),
]

7. 数据库

7.1 SQLite

数据库连接
CRUD操作

import sqlite3

# 连接数据库
conn = sqlite3.connect('example.db')
c = conn.cursor()

# 创建表
c.execute('''CREATE TABLE IF NOT EXISTS users (id INTEGER PRIMARY KEY, name TEXT)''')

# 插入数据
c.execute("INSERT INTO users (name) VALUES ('Alice')")
c.execute("INSERT INTO users (name) VALUES ('Bob')")

# 查询数据
c.execute("SELECT * FROM users")
print(c.fetchall())

# 提交事务
conn.commit()

# 关闭连接
conn.close()

7.2 SQLAlchemy

ORM操作
模型定义

from sqlalchemy import create_engine, Column, Integer, String
from sqlalchemy.ext.declarative import declarative_base
from sqlalchemy.orm import sessionmaker

# 创建数据库引擎
engine = create_engine('sqlite:///example.db')
Base = declarative_base()

# 定义模型
class User(Base):
    __tablename__ = 'users'
    id = Column(Integer, primary_key=True)
    name = Column(String)

# 创建表
Base.metadata.create_all(engine)

# 创建会话
Session = sessionmaker(bind=engine)
session = Session()

# 插入数据
new_user = User(name='Alice')
session.add(new_user)
session.commit()

# 查询数据
users = session.query(User).all()
for user in users:
    print(user.name)

8. 实战项目

8.1 项目1：命令行记事本

功能：添加、查看、删除和搜索笔记
技术：文件操作、命令行输入输出

import os

def display_notes():
    if not os.path.exists('notes.txt'):
        print("No notes found.")
        return
    
    with open('notes.txt', 'r') as file:
        notes = file.readlines()
        for idx, note in enumerate(notes, 1):
            print(f"{idx}. {note.strip()}")

def add_note():
    note = input("Enter your note: ")
    with open('notes.txt', 'a') as file:
        file.write(note + '\n')
    print("Note added!")

def delete_note():
    display_notes()
    note_id = int(input("Enter the note number to delete: "))
    with open('notes.txt', 'r') as file:
        notes = file.readlines()
    with open('notes.txt', 'w') as file:
        for idx, note in enumerate(notes, 1):
            if idx != note_id:
                file.write(note)
    print("Note deleted!")

def search_note():
    search_term = input("Enter a search term: ")
    with open('notes.txt', 'r') as file:
        notes = file.readlines()
        for idx, note in enumerate(notes, 1):
            if search_term in note:
                print(f"{idx}. {note.strip()}")

def main():
    while True:
        print("\n1. View Notes")
        print("2. Add Note")
        print("3. Delete Note")
        print("4. Search Note")
        print("5. Exit")

        choice = input("Enter your choice: ")
        if choice == '1':
            display_notes()
        elif choice == '2':
            add_note()
        elif choice == '3':
            delete_note()
        elif choice == '4':
            search_note()
        elif choice == '5':
            break
        else:
            print("Invalid choice, please try again.")

if __name__ == "__main__":
    main()

8.2 项目2：Flask博客

功能：用户注册、登录、发布和查看文章
技术：Flask、SQLAlchemy、模板渲染

# app.py
from flask import Flask, render_template, request, redirect, url_for
from flask_sqlalchemy import SQLAlchemy

app = Flask(__name__)
app.config['SQLALCHEMY_DATABASE_URI'] = 'sqlite:///blog.db'
db = SQLAlchemy(app)

class User(db.Model):
    id = db.Column(db.Integer, primary_key=True)
    username = db.Column(db.String(80), unique=True, nullable=False)
    password = db.Column(db.String(120), nullable=False)

class Post(db.Model):
    id = db.Column(db.Integer, primary_key=True)
    title = db.Column(db.String(120), nullable=False)
    content = db.Column(db.Text, nullable=False)
    author_id = db.Column(db.Integer, db.ForeignKey('user.id'), nullable=False)
    author = db.relationship('User', backref=db.backref('posts', lazy=True))

@app.route('/')
def index():
    posts = Post.query.all()
    return render_template('index.html', posts=posts)

@app.route('/register', methods=['GET', 'POST'])
def register():
    if request.method == 'POST':
        username = request.form['username']
        password = request.form['password']
        user = User(username=username, password=password)
        db.session.add(user)
        db.session.commit()
        return redirect(url_for('login'))
    return render_template('register.html')

@app.route('/login', methods=['GET', 'POST'])
def login():
    if request.method == 'POST':
        username = request.form['username']
        password = request.form['password']
        user = User.query.filter_by(username=username, password=password).first()
        if user:
            return redirect(url_for('index'))
    return render_template('login.html')

@app.route('/post', methods=['GET', 'POST'])
def post():
    if request.method == 'POST':
        title = request.form['title']
        content = request.form['content']
        author_id = 1  # 假设已登录用户的ID
        post = Post(title=title, content=content, author_id=author_id)
        db.session.add(post)
        db.session.commit()
        return redirect(url_for('index'))
    return render_template('post.html')

if __name__ == '__main__':
    db.create_all()
    app.run(debug=True)

8.3 项目3：数据分析项目

功能：数据读取、清洗、分析和可视化
技术：Pandas、Matplotlib

import pandas as pd
import matplotlib.pyplot as plt

# 读取数据
df = pd.read_csv('data.csv')

# 数据清洗
df = df.dropna()

# 数据分析
print(df.describe())

# 数据可视化
df['column_name'].hist()
plt.xlabel('Column Name')
plt.ylabel('Frequency')
plt.title('Histogram of Column Name')
plt.show()

9. 深入学习

9.1 高级Python编程

9.1.1 元编程

元编程是指编写能够操作代码的代码，可以通过装饰器、元类等方式实现。

装饰器

装饰器用于在不修改原函数的情况下，增强或改变函数的功能。

def my_decorator(func):
    def wrapper(*args, **kwargs):
        print("Before function call")
        result = func(*args, **kwargs)
        print("After function call")
        return result
    return wrapper

@my_decorator
def say_hello():
    print("Hello!")

say_hello()

元类

元类是用于创建类的类，可以通过定义元类来控制类的创建过程。

class Meta(type):
    def __new__(cls, name, bases, dct):
        print(f"Creating class {name}")
        return super().__new__(cls, name, bases, dct)

class MyClass(metaclass=Meta):
    pass

9.1.2 设计模式

设计模式是解决特定问题的通用方案。常见的设计模式包括单例模式、工厂模式、观察者模式等。

单例模式

单例模式确保一个类只有一个实例。

class Singleton:
    _instance = None

    def __new__(cls, *args, **kwargs):
        if not cls._instance:
            cls._instance = super(Singleton, cls).__new__(cls, *args, **kwargs)
        return cls._instance

singleton1 = Singleton()
singleton2 = Singleton()
print(singleton1 is singleton2)  # True

工厂模式

工厂模式通过工厂方法创建对象，避免直接实例化类。

class Dog:
    def speak(self):
        return "Woof!"

class Cat:
    def speak(self):
        return "Meow!"

class AnimalFactory:
    @staticmethod
    def create_animal(animal_type):
        if animal_type == "dog":
            return Dog()
        elif animal_type == "cat":
            return Cat()

dog = AnimalFactory.create_animal("dog")
print(dog.speak())  # Woof!

9.2 并发编程

并发编程使得程序能够同时处理多个任务，提高效率和性能。

9.2.1 多线程和多进程

多线程

多线程允许程序同时执行多个线程。

import threading

def print_numbers():
    for i in range(5):
        print(i)

thread1 = threading.Thread(target=print_numbers)
thread2 = threading.Thread(target=print_numbers)

thread1.start()
thread2.start()

thread1.join()
thread2.join()

多进程

多进程允许程序同时执行多个进程。

import multiprocessing

def print_numbers():
    for i in range(5):
        print(i)

process1 = multiprocessing.Process(target=print_numbers)
process2 = multiprocessing.Process(target=print_numbers)

process1.start()
process2.start()

process1.join()
process2.join()

9.2.2 异步编程（asyncio）

异步编程使得程序可以在等待I/O操作时执行其他任务。

import asyncio

async def say_hello():
    print("Hello")
    await asyncio.sleep(1)
    print("World")

asyncio.run(say_hello())

9.3 数据科学

数据科学包括高级数据分析和机器学习。

9.3.1 高级数据分析（SciPy, Scikit-learn）

SciPy

SciPy是用于科学计算的库。

import scipy.integrate as spi

result = spi.quad(lambda x: x**2, 0, 1)
print(result)

Scikit-learn

Scikit-learn是用于机器学习的库。

from sklearn.datasets import load_iris
from sklearn.model_selection import train_test_split
from sklearn.ensemble import RandomForestClassifier
from sklearn.metrics import accuracy_score

# 加载数据集
iris = load_iris()
X = iris.data
y = iris.target

# 拆分数据集
X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, y, test_size=0.3)

# 训练模型
model = RandomForestClassifier()
model.fit(X_train, y_train)

# 预测和评估
y_pred = model.predict(X_test)
print(accuracy_score(y_test, y_pred))

9.3.2 机器学习基础

线性回归

线性回归是最基本的回归算法。

import numpy as np
from sklearn.linear_model import LinearRegression

# 准备数据
X = np.array([[1], [2], [3], [4], [5]])
y = np.array([2, 3, 4, 5, 6])

# 训练模型
model = LinearRegression()
model.fit(X, y)

# 预测
print(model.predict([[6]]))  # 结果接近7

K-means 聚类

K-means 聚类是一种无监督学习算法，用于将数据集分为K个簇。

import numpy as np
from sklearn.cluster import KMeans
import matplotlib.pyplot as plt

# 生成数据
X = np.random.rand(100, 2)

# 训练模型
kmeans = KMeans(n_clusters=3)
kmeans.fit(X)

# 预测和可视化
labels = kmeans.labels_
centroids = kmeans.cluster_centers_

plt.scatter(X[:, 0], X[:, 1], c=labels, cmap='viridis')
plt.scatter(centroids[:, 0], centroids[:, 1], c='red', marker='X')
plt.show()

9.4 Web开发进阶

9.4.1 RESTful API

RESTful API是一种使用HTTP请求来访问和操作资源的架构风格。

# Flask RESTful API 示例
from flask import Flask, request, jsonify

app = Flask(__name__)

# 数据库模拟
items = []

@app.route('/items', methods=['GET'])
def get_items():
    return jsonify(items)

@app.route('/items', methods=['POST'])
def add_item():
    item = request.get_json()
    items.append(item)
    return jsonify(item), 201

if __name__ == '__main__':
    app.run(debug=True)

9.4.2 前后端分离开发（如Flask + React）

前后端分离的开发模式中，后端使用API提供数据，前端使用框架如React展示数据。

后端（Flask）

from flask import Flask, jsonify

app = Flask(__name__)

@app.route('/api/data', methods=['GET'])
def get_data():
    data = {'message': 'Hello, World!'}
    return jsonify(data)

if __name__ == '__main__':
    app.run(debug=True)

前端（React）

// React 示例代码
import React, { useEffect, useState } from 'react';

function App() {
  const [data, setData] = useState(null);

  useEffect(() => {
    fetch('/api/data')
      .then(response => response.json())
      .then(data => setData(data));
  }, []);

  return (
    <div>
      {data ? <p>{data.message}</p> : <p>Loading...</p>}
    </div>
  );
}

export default App;

10. 参与开源项目和社区

在GitHub上寻找并贡献开源项目
参与Python社区的讨论和交流（如Reddit, StackOverflow）

本文作者： hzr
本文链接： https://HZR0709.github.io/2024/05/22/Python-progranming/
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