001-Python简介与环境搭建

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学习目标

完成本章节后，你将能够：

• 理解Python语言的特点和应用领域
• 掌握Python的发展历史和版本差异
• 在不同操作系统上安装和配置Python环境
• 使用Python交互式解释器和IDE
• 编写并运行第一个Python程序

Python语言简介

什么是Python

Python是一种高级、解释型、面向对象的编程语言，由Guido van Rossum于1989年发明。Python的设计哲学强调代码的可读性和简洁性，使用缩进来表示代码块，语法简洁明了。

Python的特点

mindmap
  root((Python特点))
    简洁易读
      语法简单
      代码清晰
      学习曲线平缓
    跨平台
      Windows
      macOS
      Linux
      Unix
    丰富的库
      标准库
      第三方库
      科学计算
      Web开发
    解释型语言
      无需编译
      交互式开发
      快速原型
    面向对象
      类和对象
      继承
      多态
      封装

特点	描述	优势
简洁性	语法简单，代码可读性强	降低学习成本，提高开发效率
跨平台	支持多种操作系统	一次编写，到处运行
丰富的库	拥有庞大的标准库和第三方库	避免重复造轮子，快速开发
解释型	无需编译，直接执行	开发调试方便，快速迭代
动态类型	运行时确定变量类型	编程灵活，代码简洁
面向对象	支持面向对象编程范式	代码重用性强，易于维护

Python的应用领域

Python版本历史

版本	发布时间	主要特性	状态
Python 1.0	1994年1月	基础功能，lambda, map, filter	已停止支持
Python 2.0	2000年10月	列表推导式，垃圾回收	已停止支持
Python 2.7	2010年7月	最后的2.x版本	2020年停止支持
Python 3.0	2008年12月	重大重构，不向后兼容	当前主流
Python 3.6	2016年12月	f-string，类型注解	LTS版本
Python 3.8	2019年10月	海象操作符，位置参数	稳定版本
Python 3.10	2021年10月	模式匹配，更好的错误信息	推荐版本
Python 3.11	2022年10月	性能提升，更好的错误追踪	最新稳定版
Python 3.12	2023年10月	更多性能优化，新语法特性	最新版本

⚠️ 重要提示: 本教程基于Python 3.8+版本，建议使用Python 3.10或更高版本以获得最佳体验。

环境搭建

检查系统是否已安装Python

在开始安装之前，先检查系统是否已经安装了Python：

# 检查Python版本
python --version
# 或者
python3 --version

# 检查Python解释器位置
which python
# 或者
which python3

Windows系统安装

方法一：官方安装包（推荐）

1. 下载Python安装包

   • 访问 Python官网
   • 下载最新的Python 3.x版本
   • 选择适合你系统的版本（32位或64位）

2. 安装步骤

3. 重要配置

   • ✅ 勾选 “Add Python to PATH”
   • ✅ 勾选 “Install pip”
   • ✅ 选择 “Install for all users”（可选）

方法二：Microsoft Store

# 在Microsoft Store中搜索Python
# 安装Python 3.x版本

方法三：包管理器

# 使用Chocolatey
choco install python

# 使用Scoop
scoop install python

macOS系统安装

方法一：官方安装包

1. 访问 Python官网
2. 下载macOS安装包
3. 运行.pkg文件进行安装

方法二：Homebrew（推荐）

# 安装Homebrew（如果未安装）
/bin/bash -c "$(curl -fsSL https://raw.githubusercontent.com/Homebrew/install/HEAD/install.sh)"

# 使用Homebrew安装Python
brew install python

# 验证安装
python3 --version
pip3 --version

方法三：pyenv（版本管理）

# 安装pyenv
brew install pyenv

# 配置shell环境
echo 'export PATH="$HOME/.pyenv/bin:$PATH"' >> ~/.zshrc
echo 'eval "$(pyenv init --path)"' >> ~/.zshrc
echo 'eval "$(pyenv init -)"' >> ~/.zshrc

# 重新加载配置
source ~/.zshrc

# 安装Python版本
pyenv install 3.11.0
pyenv global 3.11.0

Linux系统安装

Ubuntu/Debian系统

# 更新包列表
sudo apt update

# 安装Python 3和pip
sudo apt install python3 python3-pip python3-venv

# 安装开发工具（可选）
sudo apt install python3-dev build-essential

# 验证安装
python3 --version
pip3 --version

CentOS/RHEL/Fedora系统

# CentOS/RHEL
sudo yum install python3 python3-pip

# Fedora
sudo dnf install python3 python3-pip

# 验证安装
python3 --version
pip3 --version

从源码编译安装

# 安装依赖
sudo apt install build-essential zlib1g-dev libncurses5-dev libgdbm-dev libnss3-dev libssl-dev libreadline-dev libffi-dev libsqlite3-dev wget libbz2-dev

# 下载Python源码
wget https://www.python.org/ftp/python/3.11.0/Python-3.11.0.tgz
tar -xf Python-3.11.0.tgz
cd Python-3.11.0

# 配置和编译
./configure --enable-optimizations
make -j 8
sudo make altinstall

开发环境配置

Python交互式解释器

# 启动Python解释器
$ python3
Python 3.11.0 (main, Oct 24 2022, 18:26:48) [MSC v.1933 64 bit (AMD64)] on win32
Type "help", "copyright", "credits" or "license" for more information.
>>> print("Hello, Python!")
Hello, Python!
>>> exit()

IPython增强解释器

# 安装IPython
pip install ipython

# 启动IPython
ipython

IPython特性：

• 语法高亮
• 自动补全
• 魔术命令
• 历史记录
• 内置帮助

集成开发环境(IDE)

PyCharm（推荐）

安装步骤：

1. 访问 JetBrains官网
2. 选择Community版本（免费）或Professional版本
3. 下载并安装
4. 配置Python解释器

Visual Studio Code

// settings.json配置示例
{
    "python.defaultInterpreterPath": "/usr/bin/python3",
    "python.linting.enabled": true,
    "python.linting.pylintEnabled": true,
    "python.formatting.provider": "black",
    "python.testing.pytestEnabled": true
}

推荐插件：

• Python Extension Pack
• Pylance
• Python Docstring Generator
• autoDocstring
• Python Test Explorer

Jupyter Notebook

# 安装Jupyter
pip install jupyter

# 启动Jupyter Notebook
jupyter notebook

# 或安装JupyterLab
pip install jupyterlab
jupyterlab

虚拟环境管理

venv（内置）

# 创建虚拟环境
python3 -m venv myproject

# 激活虚拟环境
# Windows
myproject\Scripts\activate
# macOS/Linux
source myproject/bin/activate

# 停用虚拟环境
deactivate

conda

# 安装Miniconda
# 下载：https://docs.conda.io/en/latest/miniconda.html

# 创建环境
conda create -n myproject python=3.11

# 激活环境
conda activate myproject

# 停用环境
conda deactivate

pipenv

# 安装pipenv
pip install pipenv

# 创建项目和虚拟环境
mkdir myproject && cd myproject
pipenv install

# 激活环境
pipenv shell

# 安装包
pipenv install requests

第一个Python程序

Hello World程序

# 文件路径: hello_world.py
#!/usr/bin/env python3
# -*- coding: utf-8 -*-
"""
第一个Python程序
功能：输出Hello World
作者：Python学习者
日期：2024-12-19
"""

def main():
    """主函数"""
    print("Hello, World!")  # 输出Hello World
    print("欢迎来到Python世界！")  # 输出中文
    
    # 获取用户输入
    name = input("请输入你的名字: ")
    print(f"你好，{name}！欢迎学习Python！")

if __name__ == "__main__":
    main()

运行程序

# 方法一：直接运行
python hello_world.py

# 方法二：使用python3
python3 hello_world.py

# 方法三：在Unix/Linux系统上设置可执行权限
chmod +x hello_world.py
./hello_world.py

程序结构解析

flowchart TD
    A[Shebang行] --> B[编码声明]
    B --> C[文档字符串]
    C --> D[导入模块]
    D --> E[全局变量]
    E --> F[函数定义]
    F --> G[类定义]
    G --> H[主程序入口]
    
    A1[#!/usr/bin/env python3] --> A
    B1[# -*- coding: utf-8 -*-] --> B
    C1["""模块说明"""] --> C
    D1[import sys] --> D
    E1[CONSTANT = 'value'] --> E
    F1[def function():] --> F
    G1[class MyClass:] --> G
    H1[if __name__ == '__main__':] --> H

包管理工具

pip基础使用

# 查看pip版本
pip --version

# 升级pip
python -m pip install --upgrade pip

# 安装包
pip install package_name

# 安装指定版本
pip install package_name==1.2.3

# 安装最新版本
pip install package_name --upgrade

# 卸载包
pip uninstall package_name

# 列出已安装的包
pip list

# 显示包信息
pip show package_name

# 导出依赖列表
pip freeze > requirements.txt

# 从文件安装依赖
pip install -r requirements.txt

requirements.txt示例

# 文件路径: requirements.txt
# 核心依赖
requests>=2.28.0
numpy>=1.21.0
pandas>=1.3.0

# 开发依赖
pytest>=7.0.0
black>=22.0.0
flake8>=4.0.0

# 可选依赖
matplotlib>=3.5.0  # 用于数据可视化
seaborn>=0.11.0    # 统计图表

常见问题与解决方案

问题1：Python命令不识别

症状：

'python' is not recognized as an internal or external command

解决方案：

1. 检查Python是否正确安装
2. 确认PATH环境变量包含Python路径
3. 使用python3命令替代python

问题2：pip安装包失败

症状：

ERROR: Could not install packages due to an EnvironmentError

解决方案：

# 使用用户安装
pip install --user package_name

# 升级pip
python -m pip install --upgrade pip

# 使用国内镜像源
pip install -i https://pypi.tuna.tsinghua.edu.cn/simple package_name

问题3：编码错误

症状：

UnicodeDecodeError: 'gbk' codec can't decode byte

解决方案：

# 在文件开头添加编码声明
# -*- coding: utf-8 -*-

# 或者使用
# coding: utf-8

问题4：模块导入失败

症状：

ModuleNotFoundError: No module named 'xxx'

解决方案：

# 确认模块已安装
pip list | grep module_name

# 检查Python路径
python -c "import sys; print(sys.path)"

# 安装缺失模块
pip install module_name

实践练习

练习1：环境验证

创建一个Python脚本，验证你的环境配置：

# 文件路径: environment_check.py
import sys
import platform
import subprocess

def check_environment():
    """检查Python环境配置"""
    print("=== Python环境检查 ===")
    
    # Python版本信息
    print(f"Python版本: {sys.version}")
    print(f"Python路径: {sys.executable}")
    
    # 系统信息
    print(f"操作系统: {platform.system()} {platform.release()}")
    print(f"架构: {platform.machine()}")
    
    # pip版本
    try:
        result = subprocess.run([sys.executable, '-m', 'pip', '--version'], 
                              capture_output=True, text=True)
        print(f"pip版本: {result.stdout.strip()}")
    except Exception as e:
        print(f"pip检查失败: {e}")
    
    # 测试基本功能
    print("\n=== 功能测试 ===")
    test_basic_operations()

def test_basic_operations():
    """测试基本操作"""
    # 数学运算
    result = 2 + 3 * 4
    print(f"数学运算 (2 + 3 * 4): {result}")
    
    # 字符串操作
    text = "Hello, Python!"
    print(f"字符串长度: {len(text)}")
    
    # 列表操作
    numbers = [1, 2, 3, 4, 5]
    print(f"列表求和: {sum(numbers)}")
    
    # 字典操作
    person = {"name": "张三", "age": 25}
    print(f"字典访问: {person['name']}")
    
    print("\n✅ 所有测试通过！Python环境配置正确。")

if __name__ == "__main__":
    check_environment()

练习2：简单计算器

# 文件路径: simple_calculator.py
def calculator():
    """简单计算器程序"""
    print("=== 简单计算器 ===")
    print("支持的操作: +, -, *, /, **（幂运算）")
    print("输入 'quit' 退出程序")
    
    while True:
        try:
            # 获取用户输入
            expression = input("\n请输入表达式: ").strip()
            
            # 检查退出条件
            if expression.lower() == 'quit':
                print("再见！")
                break
            
            # 计算结果
            result = eval(expression)
            print(f"结果: {result}")
            
        except ZeroDivisionError:
            print("❌ 错误：除数不能为零")
        except SyntaxError:
            print("❌ 错误：表达式语法错误")
        except Exception as e:
            print(f"❌ 错误：{e}")

if __name__ == "__main__":
    calculator()

练习3：系统信息收集

# 文件路径: system_info.py
import platform
import psutil
import datetime

def get_system_info():
    """获取系统信息"""
    info = {
        "系统": platform.system(),
        "版本": platform.release(),
        "架构": platform.machine(),
        "处理器": platform.processor(),
        "Python版本": platform.python_version(),
        "当前时间": datetime.datetime.now().strftime("%Y-%m-%d %H:%M:%S")
    }
    
    # 如果安装了psutil，获取更多信息
    try:
        info["CPU核心数"] = psutil.cpu_count()
        info["内存总量"] = f"{psutil.virtual_memory().total // (1024**3)} GB"
        info["磁盘使用率"] = f"{psutil.disk_usage('/').percent}%"
    except ImportError:
        print("提示：安装psutil可获取更多系统信息: pip install psutil")
    
    return info

def display_info(info):
    """显示系统信息"""
    print("=== 系统信息 ===")
    for key, value in info.items():
        print(f"{key}: {value}")

if __name__ == "__main__":
    system_info = get_system_info()
    display_info(system_info)

总结

本章节我们学习了：

核心知识点

• ✅ Python语言特点和应用领域
• ✅ Python版本历史和选择建议
• ✅ 多平台Python环境安装配置
• ✅ 开发工具和IDE的选择使用
• ✅ 虚拟环境管理最佳实践
• ✅ 包管理工具pip的使用
• ✅ 第一个Python程序的编写和运行

技能掌握

• 🎯 能够在任意平台安装配置Python环境
• 🎯 熟练使用Python交互式解释器
• 🎯 掌握基本的包管理操作
• 🎯 能够创建和管理虚拟环境
• 🎯 具备基本的问题排查能力

最佳实践

• 💡 始终使用虚拟环境进行项目开发
• 💡 保持Python和pip版本更新
• 💡 使用requirements.txt管理项目依赖
• 💡 编写清晰的代码注释和文档字符串
• 💡 遵循PEP 8代码风格规范

下一步

环境搭建完成后，我们将在下一章节学习：

• Python基础语法规则
• 代码风格和规范
• 注释和文档编写
• 基本的程序结构

继续学习：002-基础语法与代码规范

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📚 扩展阅读:

• Python官方安装指南
• PEP 8 – Style Guide for Python Code
• Python虚拟环境指南
• pip用户指南