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第一个 Python 程序

欢迎进入编程世界！​

这是编程语言书籍的一个传统，第一句话永远是上面这句问候。而第一个编写的程序就是打印出“Hello, World!”这句话。我们也沿用这一传统，从 Hello World 开始。

实现这一功能只需要运行以下的语句：

print("Hello, World!")

使用在线编辑环境​

使用在线编辑环境非常简单，不需要任何额外工作。打开在线编辑环境页面，输入上面那行代码并运行即可。比如：https://qizhen.xyz/pyodide 或 https://qizhen.xyz/brython。

直接在 Python 解释器中运行​

如果不使用任何 IDE，可以打开计算机的命令行终端，然后输入 python（在 macOS 或 Linux 上通常需要输入 python3）并回车，系统会启动 Python 解释器。读者现在应该看到 >>> 这样的提示符，表示 Python 解释器已经准备好接受命令了。

在 >>> 提示符后，输入以下代码：

print("Hello, World!")

然后回车。

读者应该看到输出为：

Hello, World!

恭喜！你刚刚编写并运行了你的第一个 Python 程序。

使用集成开发环境（IDE）​

如果使用前文介绍的任何一种集成开发环境编写程序，通常都需要先创建一个文件来保存程序。将下面这行代码复制到新建的文件中：

print("Hello, World!")

然后将其保存为以 .py 为后缀的文件（例如 hello.py）。再点击 IDE 上的运行按钮，就可以运行程序了。

运行一个 .py 文件​

对于已保存的 .py 文件，我们既可以在 IDE 中打开并运行，也可以在命令行终端中运行。例如，假设我们有一个名为 welcome.py 的文件，其内容如下：

name = input("你叫什么名字？")
print(f"你好，{name}！欢迎来到 Python 的编程世界！")

打开命令行或终端，导航到 welcome.py 文件所在的目录。输入以下命令并回车：

python welcome.py

当程序提示输入名字时，输入你的名字并回车。

现在应该看到一个类似 你好，ruanqizhen！欢迎来到 Python 的编程世界！ 的消息了。

Python 的语法​

编程语言的语法是一套规则和约定，用于定义如何书写和组织代码，使计算机能够理解和执行。就像自然语言的语法规定了如何构造句子一样，编程语言的语法也规定了如何构造程序中的各种元素。

Python 以其简洁明了的语法而著称。我们下面简要介绍一下 Python 的语法，主要是方便已有其它编程语言经验的读者快速熟悉 Python 的特点。对于没有经验的读者，如果觉得介绍得太过笼统也不要紧，后文还会对它们进行详细解析。

和大多数主流编程语言一样，Python 由一行一行的“语句”组成。比如下面的程序：

print("Hello, World!")

在这行语句中，print 是一个函数名。如果读者没有接触过其他编程语言，可以把这里的函数想象成类似数学中的函数：在函数名后面的括号中传入数据，函数就会输出或产生相应的结果。在这里，输入的数据是一串字符“Hello, World!”。Python 语言中，双引号中间的内容表示字符串。print 的运行结果是把输入的字符串打印在屏幕上。

如果运行：

print(1+2)

此时 print 函数括号内不再是字符串，而是一个数值运算表达式。Python 会先计算该表达式的值（即 3），然后再打印出结果 3。

如果程序有多行代码，比如：

name = input("你叫什么名字？ ")
print(f"你好，{name}！欢迎来到 Python 的编程世界！")

那么程序一般会按照从上到下的顺序逐句运行。在上面的示例中，input 也是一个函数，它的主要作用是暂停程序运行，等待用户输入。括号里的文字是提示符，会先显示在屏幕上告诉用户该输入什么。name 是一个变量，用于保存 input 函数返回的数据（即用户通过键盘输入的内容）。接下来的 print 函数会把字符串数据连同变量 name 中的内容一起打印在屏幕上。

程序语句通常由数据、变量、操作符、表达式等部分组成。下面我们简要解释一下这些部分以及一些其它常见编程术语的含义：

数据​

数据（Data）是程序中存储和处理的基本信息。在上面的示例程序中，我们看到的数字 1、2，文本 "Hello, World!" 等，都是程序中的数据。Python 支持多种数据类型，用于存储不同类型的信息。最常见的几种数据类型包括：

  • 数字类型：如整数 int 和浮点数 float。例如：42, 3.14
  • 字符串类型：用引号括起来的字符序列，例如："Hello, World!"
  • 布尔类型：表示逻辑值 True 和 False，用于条件判断。
  • 列表、字典等集合数据：用来存储多个数据项的集合，例如列表（list）可以包含多个元素 [1, 2, 3]，字典（dict）使用键值对存储数据 {"name": "Alice", "age": 30}。

关于数据，我们将在数据与变量一节做详细介绍。

变量​

变量（Variable）是用来保存数据的命名空间，可以将数据赋值给变量，通过变量来操作数据。在 Python 中，变量的定义不需要声明类型，可以直接用等号赋值。例如：

age = 25             # 整数类型
name = "Alice"       # 字符串类型
is_student = True    # 布尔类型

上面每一行代码中，等号左边的文字是变量名，它可以包含字母、数字和下划线，不能以数字开头；等号右边是变量的数据。在数据与变量一节，我们将对变量进行详细的讨论。

操作符​

操作符（Operator）是用于操作数据和变量的符号，比如，用于数学计算的加减乘除（+ - * /）等操作符。Python 中还有用于处理其他类型数据的操作符，我们将在基础数学运算一节详细介绍这些操作符。

关键字​

在编程语言中，关键字（Keyword）是指被该语言赋予了特殊意义的词汇，用于定义语法和结构规则。关键字是编程语言的一部分，被预先定义在语言的规范中，我们在编程时可以直接使用它们。由于关键字具有特殊的意义，它们作为保留字，只能用于特定用途，不能再被用作变量名、函数名或其他标识符。如果把关键字用作普通的标识符，比如变量名，将会导致语法错误。

Python 中常用的关键字包括 if, else, for 等。运行下面的代码可以打印出 Python 中所有的关键字：

import keyword
print(keyword.kwlist)

我们将在后续章节分别对这些关键字做详细介绍。

标识符​

标识符（Identifier）是用于命名变量、函数、类或其他用户定义对象的名称。标识符是程序中可用来标记和引用对象的唯一名称。

标识符的定义必须遵循以下规则：

  • 由字母（a-z、A-Z 或其他语言的字符）、数字（0-9）和下划线（_）组成。
  • 首字符必须是字母或下划线，不能是数字。
  • 不能与 Python 的关键字冲突。
  • 不允许特殊符号，比如空格、@、$、% 等。

比如，一些合法的标识符：my_variable、_privateVar、var1、Σ_value； 下面这些是非法标识符：1variable、var-name、me@qq.com、def、my var。

标识符可以包含 unicode 字符。Unicode 是一套覆盖了全世界所有的字符的字符集。这使得标识符可以使用任何语言（如中文、希腊文等）。我们可以利用这一点，使用中文来编写 Python 程序，比如这个示例程序。

Python 标识符是大小写敏感的（比如大写的 A 与小写的 a 代表不同的标识符），但是对于等效的 Unicode 字符（比如对应的半角和全角字母），Python 会认为它们是相同的标识符。Unicode 中等效字符的定义相当复杂，大多数人并不能记住所有的等效字符。使用中文命名标识符对于不熟悉英语的开发者是个优势，但是由于 Unicode 中存在等效字符，且字符集中存在着大量外观极其相似但编码不同的字符，这可能导致程序变得难以理解和调试。所以，还是应当尽量只使用英文字母作为标识符。下面示例只用来展示一些合法的标识符，但不推荐这样使用：

变量 = 42
print(变量)             # 使用中文字符作为变量名

ｐｒｉｎｔ("全角字母")   # 全角英文字符组成的函数名，相当于 print() ，全角字母与半角字母等价

fi = 1
print(fi)              # fi 与 fi 和 ｆｉ 是同一个标识符

xⁿ = 1
print(xn)              # xⁿ 与 xn 是同一个标识符

var = 1
print(Var)             # 报错，因为 var 和 Var 是两个不同的标识符。

表达式​

表达式（Expression）是计算机科学中的一个术语，指一个可以计算出一个值的代码单元。它是由数据、变量和操作符组成的序列，总是产生或返回一个结果值。表达式可以非常简单，如单独一个数字、变量；或者更复杂，如整个数学公式或者函数调用等。

比如下面是一些表达式的例子：

  • 3 + 4 返回 7
  • "Hello" + " " + "World" 返回 "Hello World"
  • my_function(2, 3) 返回函数 my_function 的运行结果
  • print("Hello World") 返回 None

有些函数看似没有返回结果，例如我们通常不会将 print() 的返回值赋值给任何变量（如 x = print(1)）。但实际上，Python 中的所有函数都有返回值，如果没有显式指定，则默认返回 None。

在 Python 中，我们可以把表达式放在任何需要一个值的地方，比如作为函数参数，作为 if 语句中的条件，作为其它表达式的一部分等。

表达式可以直接作为一行代码放在程序中。有些编辑环境在运行程序的时候，会把程序最后一行表达式的运算结果打印出来，以方便编程者查看。

语句​

语句（Statement）是执行一个操作的完整命令。语句不像表达式那样返回值，它做的是指导程序去做某件事，例如声明一个变量、执行一个条件判断、执行一个循环等。比如：

  • x = 3 + 2 赋值语句
  • if x > 0 条件控制语句

语句在 Python 中是一个完整的句子，它不能再成为其它语句或表达式的一部分了。

如果使用分号分隔每个语句，那么可以在一行代码中书写多个语句。其它一些编程语言也是这样的，但这样并不符合 Python 的编程规范。我们在编写程序的时候，每一行就应该只放置一条语句，以提高程序的清晰度和可读性。

注释​

注释（Comment）用于对代码进行说明和解释，它不会影响程序的逻辑。注释通常是为了帮助更方便地阅读和理解程序。

Python 有两种方式添加注释：

  • 单行注释：以 # 开头。在一行中，所有字符 # 之后的内容都是注释
  • 多行注释：Python 并没有专门的多行注释符号，但通常可以使用三个单引号 ''' 或三个双引号 """ 包裹的一段文本来作为多行注释。如果不将这些文本赋值给变量，Python 运行时会忽略它们。

上文介绍变量的示例程序中，就包含有注释：

age = 25             # 整数类型
"""
这也是一段注释
"""

代码块​

代码块（code block）是指由多行代码组成的结构，这些代码被组织在一起，用于完成一个特定的功能或逻辑单元。代码块通常用于条件判断、循环、函数、类等结构中，以便将代码逻辑清晰地划分和组织。

在多数编程语言中，代码块的界限通常由特定的符号（比如花括号 {}、小括号 ()）或特定的关键字（比如 begin 和 end）等定义。在 Python 中，代码块的定义方式比较特殊，它依赖缩进来表示代码的层级和逻辑关系。

代码缩进是编程中的一个常见概念，指的是某一行代码行的起始部分有一定数量的空白空间，空白后面才是真正的代码。在那些使用特定符号定义代码块的语言中，缩进只是为了美观并提高可读性，不会影响程序的逻辑。但在 Python 中，由于利用缩进定义代码块的特殊设定，不同的缩进会直接改变程序的逻辑。

Python 的这种设计决策旨在使代码更加可读，并鼓励程序员写出结构清晰、整洁的代码。在同一个代码块中，每一行代码的缩进必须是一致的。这意味着，如果使用了四个空格作为缩进，那么整个代码块中必须都使用四个空格。官方 Python 样式指南（PEP 8）推荐使用 4 个空格作为标准的缩进大小。

我们之前看到的示例程序的每一行代码之间，都仅有最简单的顺序逻辑关系，因此每个示例程序都只有一个代码块，还不用考虑缩进的问题。但之后的程序示例将会变得更加复杂，将会包含多个代码块了。

起初大家觉得缩进很容易出错，多一个或少一个空格都会导致问题。毕竟在其他语言中，缩进只影响美观而不影响逻辑，因而容易被忽视。不过，随着时间的推移，大家很快发现这种担心是多余的。在习惯了 Python 的代码分块方式后，缩进并没有导致更多错误，反而显著提升了代码的整洁度和可维护性。

下面，我们以 Python 中最主要的两种控制结构，以及函数为例，演示一下代码块的含义。

代码执行流程​

前文介绍过，如果有多行代码，程序一般会按照从上到下的顺序逐句运行。比如：

print("第一行")
print("第二行")
print("第三行")

上面这个示例中，每一行代码都是 0 缩进的，它们都在同一个代码块中。同一代码块中的代码，总是按顺序，逐行执行。

但很多时候，我们是需要改变代码执行的流程的，比如在满足一定条件时，需要跳过部分代码，或重复执行部分代码。这时，就需要使用到控制结构来控制代码执行的流程。Python 主要的控制结构包括条件判断和循环结构，使程序能够根据条件进行分支或重复执行。

本书会在后面的章节详细讨论这两种控制结构，但是因为它们太过常用，有必要先简单介绍一下它们的基本用法，也可以帮助读者尽快了解 Python 的用法。

条件判断​

Python 使用 if 和 else 关键字来执行条件判断。当遇到 if 语句时，会根据条件表达式的真假决定是否执行相应的代码块。满足条件时执行代码块，条件不满足则跳过：

age = 18
if age >= 18:
    print("成年人")
    print("这是 if 的子代码块")
else:
    print("未成年人")
    print("这是 else 的子代码块")

在上面的代码中，程序会先判断 age >= 18 是否为 True。若条件为真则执行 if 语句下面的子代码块，也就是 if 语句下一行开始，所有相对缩进了 4 列的代码行；若判断条件为假，则执行 else 语句下面的子代码块，也就是 else 语句下一行开始，所有相对缩进了 4 列的代码行。

for 循环​

Python 中有两种常用的循环结构：for 循环和 while 循环。for 循环用于遍历序列（如列表、元组、字符串等）或范围内的数字。

下面的程序演示了如何使用 for 循环遍历一个列表中的数据：

# 遍历列表
fruits = ["苹果", "香蕉", "鸭梨"]
for fruit in fruits:
    print(fruit)
    print("这是 for 循环的代码块")

这段程序首先定义了一个包含三个水果名称的列表 fruits。for fruit in fruits: 表示使用 for 循环遍历列表中的每一个元素。其中，fruit 变量在循环体内依次代表列表中的每个水果。比如当首次进入循环迭代时，fruit 变量的值为 "苹果"；再次迭代，值变为 "香蕉"。

循环每次迭代将会执行循环体内的代码块，也就是 for 语句下一行开始，所有相对缩进了 4 列的代码行。

下面我们再看一个遍历范围内数字的示例：

# 遍历范围
for i in range(3):  # range(3) 生成 0, 1, 2
    print(i)
    print("这是 for 循环的代码块")

range() 是一个经常与 for 循环配合使用的函数。我们会在后文对其做详细介绍，目前我们只需要知道 range(n) 函数可以生成一组从 0 到 n-1 的整数数值即可。使用 for 循环遍历这个范围内的数字，i 变量会在每次循环时依次代表这个范围中的一个数字。

while 循环​

while 循环与 for 循环的主要区别在于它的循环次数通常无法预先设定。while 循环 在条件为 True 时反复执行代码块，直到条件为 False 时退出循环。例如：

count = 0
while count < 3:
    print("循环次数:", count)
    count += 1  # 更新 count 值，否则会变成死循环

在此示例中，while 循环会在 count < 3 为 True 时继续执行，一旦 count 达到 3，则退出循环。

函数​

函数（Function）是编程中的一个基本概念，指的是一段具有特定功能的代码块。它接收输入（参数），通过执行代码逻辑来完成任务，并且可以返回一个或多个结果。函数帮助我们将代码进行模块化，使得代码更加结构化、易读、易维护、可复用。在上面示例中，我们已经见到了一些 Python 内置的函数，比如 print()、range() 等。我们将在后续章节详细讲解函数。这里，我们先看几个简单示例，了解一下函数的基本用法：

一个基本的 Python 函数定义如下：

def function_name(parameters):
    statement_1
    statement_2
    ...
    return expression

函数定义以 def 关键字开头，表示定义一个新的函数。紧跟 def 之后的是函数名，其命名规则与变量相同。函数名后面是参数列表，用小括号 () 包围。参数列表可以为空，也可以包含一个或多个参数，并以逗号分隔。参数列表后面必须加一个冒号 :，标志着函数头的结束，随后进入函数体。函数体包含实际的代码逻辑，需要缩进一级。return 用于返回函数的计算结果；如果函数不需要返回任何结果，则可以省略 return。

下面我们编写一个最简单的函数，它用于计算两个数的和：

def add(a, b):
    result = a + b
    return result

在这个例子中：add 是函数的名称。a 和 b 是函数的参数。result = a + b 是函数的处理过程。return 语句将计算结果返回给调用者。

我们可以多次调用这个函数来计算不同的和：

print(add(3, 5))     # 打印 8
print(add(10, 20))   # 打印 30

使用函数有很多优点，例如可以实现：

  • 代码复用：定义一次函数后，可以在代码中多次调用，而不必重复编写逻辑。
  • 模块化：将大任务分解成小的、可管理的代码块，使代码更易于理解和调试。
  • 简化代码：函数的调用可以使主程序更加简洁和清晰。
  • 便于维护：修改函数代码会自动影响所有调用的地方，减少了出错的概率。