第01课：初识Python

Python简介

Python是由荷兰人吉多·范罗苏姆（Guido von Rossum）发明的一种编程语言，是目前世界上最受欢迎和拥有最多用户群体的编程语言。

Python的历史

1. 1989年圣诞节：Guido开始写Python语言的编译器。
2. 1991年2月：第一个Python解释器诞生，它是用C语言实现的，可以调用C语言的库函数。
3. 1994年1月：python 1.0正式发布。
4. 2000年10月：python 2.0发布，Python的整个开发过程更加透明，生态圈开始慢慢形成。
5. 2008年12月：python 3.0发布，引入了诸多现代编程语言的新特性，但并不完全兼容之前的Python代码。
6. 2020年1月：在Python 2和Python 3共存了11年之后，官方停止了对Python 2的更新和维护，希望用户尽快过渡到Python 3。

说明：大多数软件的版本号一般分为三段，形如A.B.C，其中A表示大版本号，当软件整体重写升级或出现不向后兼容的改变时，才会增加A；B表示功能更新，出现新功能时增加B；C表示小的改动（例如：修复了某个Bug），只要有修改就增加C。

Python的优缺点

Python的优点很多，简单为大家列出几点。

1. 简单明确，跟其他很多语言相比，Python更容易上手。
2. 能用更少的代码做更多的事情，提升开发效率。
3. 开放源代码，拥有强大的社区和生态圈。
4. 能够做的事情非常多，有极强的适应性。
5. 能够在Windows、macOS、Linux等各种系统上运行。

Python最主要的缺点是执行效率低，但是当我们更看重产品的开发效率而不是执行效率的时候，Python就是很好的选择。

Python的应用领域

目前Python在Web服务器应用开发、云基础设施开发、网络数据采集（爬虫）、数据分析、量化交易、机器学习、深度学习、自动化测试、自动化运维等领域都有用武之地。

安装Python环境

想要开始你的Python编程之旅，首先得在计算机上安装Python环境，简单的说就是得安装运行Python程序的工具，通常也称之为Python解释器。我们强烈建议大家安装Python 3的环境，很明显它是目前更好的选择。

Windows环境

可以在Python官方网站找到下载链接并下载Python 3的安装程序。

对于Windows操作系统，可以下载“executable installer”。需要注意的是，如果在Windows 7环境下安装Python 3，需要先安装Service Pack 1补丁包，大家可以在Windows的“运行”中输入winver命令，从弹出的窗口上可以看到你的系统是否安装了该补丁包。如果没有该补丁包，一定要先通过“Windows Update”或者类似“CCleaner”这样的工具自动安装该补丁包，安装完成后通常需要重启你的Windows系统，然后再开始安装Python环境。

双击运行刚才下载的安装程序，会打开Python环境的安装向导。在执行安装向导的时候，记得勾选“Add python 3.x to PATH”选项，这个选项会帮助我们将Python的解释器添加到PATH环境变量中（不理解没关系，照做就行），具体的步骤如下图所示。

安装完成后可以打开Windows的“命令行提示符”工具（或“PowerShell”）并输入python --version或python -V来检查安装是否成功，命令行提示符可以在“运行”中输入cmd来打开或者在“开始菜单”的附件中找到它。如果看了Python解释器对应的版本号（如：python 3.7.8），说明你的安装已经成功了，如下图所示。

说明：如果安装过程显示安装失败或执行上面的命令报错，很有可能是因为你的Windows系统缺失了一些动态链接库文件或C构建工具导致的问题。可以在微软官网下载Visual C++ Redistributable for Visual Studio 2015文件进行修复，64位的系统需要下载有x64标记的安装文件。也可以通过下面的百度云盘地址获取修复工具，运行修复工具，按照如下图所示的方式进行修复，链接: https://pan.baidu.com/s/1iNDnU5UVdDX5sKFqsiDg5Q 提取码: cjs3。

除此之外，你还应该检查一下Python的包管理工具是否已经可用，对应的命令是pip --version。

macOS环境

macOS自带了Python 2，但是我们需要安装和使用的是Python 3。可以通过Python官方网站提供的下载链接找到适合macOS的“macOS installer”来安装Python 3，安装过程基本不需要做任何勾选，直接点击“下一步”即可。安装完成后，可以在macOS的“终端”工具中输入python3命令来调用Python 3解释器，因为如果直接输入python，将会调用Python 2的解释器。

总结

Python语言可以做很多的事情，也值得我们去学习。要使用Python语言，首先需要在自己的计算机上安装Python环境，也就是运行Python程序的Python解释器。

第02课：第一个Python程序

在上一课中，我们已经了解了Python语言并安装了运行Python程序所需的环境，相信大家已经迫不及待的想开始自己的Python编程之旅了。首先我们来看看应该在哪里编写我们的Python程序。

编写代码的工具

交互式环境

我们打开Windows的“命令提示符”工具，输入命令python然后回车就可以进入到Python的交互式环境中。所谓交互式环境，就是我们输入一行代码回车，代码马上会被执行，如果代码有产出结果，那么结果会被显示在窗口中。例如：

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python 3.7.6
Type "help", "copyright", "credits" or "license" for more information.
>>> 2 * 3
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>>> 2 + 3
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提示：使用macOS系统的用户需要打开“终端”工具，输入python3进入交互式环境。

如果希望退出交互式环境，可以在交互式环境中输入quit()，如下所示。

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>>> quit()

更好的交互式环境 - IPython

Python默认的交互式环境用户体验并不怎么好，我们可以用IPython来替换掉它，因为IPython提供了更为强大的编辑和交互功能。我们可以使用Python的包管理工具pip来安装IPython，如下所示。

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pip install ipython

温馨提示：在使用上面的命令安装IPython之前，可以先通过pip config set global.index-url https://pypi.doubanio.com/simple命令将pip的下载源修改为国内的豆瓣网，否则下载安装的过程可能会非常的缓慢。

可以使用下面的命令启动IPython，进入交互式环境。

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ipython

文本编辑器 - Visual Studio Code

Visual Studio Code（通常简称为VSCode）是一个由微软开发能够在Windows、 Linux和macOS等操作系统上运行的代码编辑神器。它支持语法高亮、自动补全、多点编辑、运行调试等一系列便捷功能，而且能够支持多种编程语言。如果大家要选择一款高级文本编辑工具，强烈建议使用VSCode。关于VSCode的下载、安装和使用，推荐大家阅读一篇名为《VScode安装使用》的文章。

集成开发环境 - PyCharm

如果用Python开发商业项目，我们推荐大家使用更为专业的工具PyCharm。PyCharm是由捷克一家名为JetBrains的公司开发的用于Python项目开发的集成开发环境（IDE)。所谓集成开发环境，通常是指工具中提供了编写代码、运行代码、调试代码、分析代码、版本控制等一系列功能，因此特别适合商业项目的开发。在JetBrains的官方网站上提供了PyCharm的下载链接，其中社区版（Community）是免费的但功能相对弱小（其实已经足够强大了），专业版（Professional）功能非常强大，但需要按年或月付费使用，新用户可以试用30天时间。

运行PyCharm，可以看到如下图所示的欢迎界面，可以选择“New Project”来创建一个新的项目。

创建项目的时候需要指定项目的路径并创建运行项目的”虚拟环境“，如下图所示。

项目创建好以后会出现如下图所示的画面，我们可以通过在项目文件夹上点击鼠标右键，选择“New”菜单下的“python File”来创建一个Python文件，创建好的Python文件会自动打开进入可编辑的状态。

写好代码后，可以在编辑代码的窗口点击鼠标右键，选择“Run”菜单项来运行代码，下面的“Run”窗口会显示代码的执行结果，如下图所示。

PyCharm常用的快捷键如下表所示，我们也可以在“File”菜单的“Settings”中定制PyCharm的快捷键（macOS系统是在“PyCharm”菜单的“Preferences”中对快捷键进行设置）。

表1. PyCharm常用快捷键。

说明：使用macOS系统，可以将上面的ctrl键换成command键，在macOS系统上，可以使用ctrl + space组合键来获得万能提示，在Windows系统上不能使用该快捷键，因为它跟Windows默认的切换输入法的快捷键是冲突的，需要重新设置。

hello, world

按照行业惯例，我们学习任何一门编程语言写的第一个程序都是输出hello, world，因为这段代码是伟大的丹尼斯·里奇（C语言之父，和肯·汤普森一起开发了Unix操作系统）和布莱恩·柯尼汉（awk语言的发明者）在他们的不朽著作The C Programming Language中写的第一段代码。

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print('hello, world')

运行程序

如果不使用PyCharm这样的集成开发环境，我们可以将上面的代码命名为hello.py，对于Windows操作系统，可以在你保存代码的目录下先按住键盘上的shift键再点击鼠标右键，这时候鼠标右键菜单中会出现“命令提示符”选项，点击该选项就可以打开“命令提示符”工具，我们输入下面的命令。

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python hello.py

提醒：我们也可以在任意位置打开“命令提示符”，然后将需要执行的Python代码通过拖拽的方式拖入到“命令提示符”中，这样相当于指定了文件的绝对路径来运行该文件中的Python代码。再次提醒，macOS系统要通过python3命令来运行该程序。

你可以尝试将上面程序单引号中的hello, world换成其他内容；你也可以尝试着多写几个这样的语句，看看会运行出怎样的结果。需要提醒大家，上面代码中的print('hello, world')就是一条完整的语句，我们用Python写程序，最好每一行代码中只有一条语句。虽然使用;分隔符可以将多个语句写在一行代码中，但是最好不要这样做，因为代码会变得非常难看。

注释你的代码

注释是编程语言的一个重要组成部分，用于在源代码中解释代码的作用从而增强程序的可读性。当然，我们也可以将源代码中暂时不需要运行的代码段通过注释来去掉，这样当你需要重新使用这些代码的时候，去掉注释符号就可以了。简单的说，注释会让代码更容易看懂但不会影响程序的执行结果。

Python中有两种形式的注释：

1. 单行注释：以#和空格开头，可以注释掉从#开始后面一整行的内容。
2. 多行注释：三个引号开头，三个引号结尾，通常用于添加多行说明性内容。

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"""
第一个Python程序 - hello, world


"""
# print('hello, world')
print("你好，世界！")

总结

到这里，我们已经把第一个Python程序运行起来了，是不是很有成就感？只要你坚持学习下去，再过一段时间，我们就可以用Python制作小游戏、编写爬虫程序、完成办公自动化操作等。写程序本身就是一件很酷的事情，在未来编程就像英语一样，对很多人来说或都是必须要掌握的技能。

第03课：Python语言元素之变量

作为一个程序员，可能经常会被外行问到两个问题，其一是“什么是（计算机）程序”，其二是“写（计算机）程序能做什么”，这里我先对这两个问题做一个回答。程序是指令的集合，写程序就是用指令控制计算机做我们想让它做的事情。那么，为什么要用Python语言来写程序呢？因为Python语言简单优雅，相比C、C++、Java这样的编程语言，Python对初学者更加友好，当然这并不是说Python不像其他语言那样强大，Python几乎是无所不能的，在第一节课的时候，我们就说到了Python可以用于服务器程序开发、云平台开发、数据分析、机器学习等各个领域。当然，Python语言还可以用来粘合其他语言开发的系统，所以也经常被戏称为“胶水语言”。

一些计算机常识

在开始系统的学习编程之前，我们先来科普一些计算机的基础知识。计算机的硬件系统通常由五大部件构成，包括：运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。其中，运算器和控制器放在一起就是我们常说的中央处理器，它的功能是执行各种运算和控制指令。刚才我们提到过程序是指令的集合，写程序就是将一系列的指令按照某种方式组织到一起，然后通过这些指令去控制计算机做我们想让它做的事情。目前，我们使用的计算机基本都是“冯·诺依曼体系结构”的计算机，这种计算机有两个关键点：一是要将存储设备与中央处理器分开；二是将数据以二进制方式编码。

二进制是一种“逢二进一”的计数法，跟我们人类使用的“逢十进一”的计数法本质是一样的。人类因为有十根手指所以使用了十进制，因为在计数时十根手指用完之后就只能用进位的方式来表示更大的数值。当然凡事都有例外，玛雅人可能是因为长年光着脚的原因，把脚趾头也都用上了，于是他们使用了二十进制的计数法。在这种计数法的指导下，玛雅人的历法就与我们平常使用的历法并不相同。按照玛雅人的历法，2012年是上一个所谓的“太阳纪”的最后一年，而2013年则是新的“太阳纪”的开始，后来这件事情被以讹传讹的方式误传为”2012年是玛雅人预言的世界末日“的荒诞说法。今天很多人都在猜测，玛雅文明之所以发展缓慢跟使用了二十进制是有关系的。对于计算机来说，二进制在物理器件上最容易实现的，因为可以用高电压表示1，用低电压表示0。不是所有写程序的人都需要知道十进制与二进制如何转换，大多数时候我们即便不了解这些知识也能写出程序，但是我们必须要知道计算机是使用二进制计数的，不管什么数据到了计算机内存中都是以二进制形式存在的。

变量和类型

要想在计算机内存中保存数据，首先就得说一说变量这个概念。在编程语言中，变量是数据的载体，简单的说就是一块用来保存数据的内存空间，变量的值可以被读取和修改，这是所有计算和控制的基础。计算机能处理的数据有很多种类型，最常见的就是数值，除了数值之外还有文本、图形、音频、视频等各种各样的数据。虽然数据在计算机中都是以二进制形态存在的，但是我们可以用不同类型的变量来表示数据类型的差异。Python中的数据类型很多，而且也允许我们自定义新的数据类型（这一点在后面会讲到），这里我们需要先了解几种常用的数据类型。

• 整型（int）：Python中可以处理任意大小的整数，而且支持二进制（如0b100，换算成十进制是4）、八进制（如0o100，换算成十进制是64）、十进制（100）和十六进制（0x100，换算成十进制是256）的表示法。
• 浮点型（float）：浮点数也就是小数，之所以称为浮点数，是因为按照科学记数法表示时，一个浮点数的小数点位置是可变的，浮点数除了数学写法（如123.456）之外还支持科学计数法（如1.23456e2）。
• 字符串型（str）：字符串是以单引号或双引号括起来的任意文本，比如'hello'和"hello"。
• 布尔型（bool）：布尔值只有True、False两种值，要么是True，要么是False。

变量命名

对于每个变量我们需要给它取一个名字，就如同我们每个人都有自己的名字一样。在Python中，变量命名需要遵循以下这些规则，这些规则又分为必须遵守的硬性规则和建议遵守的非硬性规则。

• 硬性规则：
  • 规则1：变量名由字母、数字和下划线构成，数字不能开头。需要说明的是，这里说的字母指的是Unicode字符，Unicode称为万国码，囊括了世界上大部分的文字系统，这也就意味着中文、日文、希腊字母等都可以作为变量名中的字符，但是像!、@、#这些特殊字符是不能出现在变量名中的，而且我们强烈建议大家尽可能使用英文字母。
  • 规则2：大小写敏感，简单的说就是大写的A和小写的a是两个不同的变量。
  • 规则3：变量名不要跟Python语言的关键字（有特殊含义的单词，后面会讲到）和保留字（如已有的函数、模块等的名字）发生重名的冲突。
• 非硬性规则：
  • 规则1：变量名通常使用小写英文字母，多个单词用下划线进行连接。
  • 规则2：受保护的变量用单个下划线开头。
  • 规则3：私有的变量用两个下划线开头。

规则2和规则3大家暂时不用理解，后面自然会明白的。当然，作为一个专业的程序员，给变量（事实上应该是所有的标识符）命名时做到见名知意也非常重要。

变量的使用

下面通过例子来说明变量的类型和变量的使用。

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"""
使用变量保存数据并进行加减乘除运算


"""
a = 45          # 变量a保存了45
b = 12          # 变量b保存了12
print(a + b)    # 57
print(a - b)    # 33
print(a * b)    # 540
print(a / b)    # 3.75

在Python中可以使用type函数对变量的类型进行检查。程序设计中函数的概念跟数学上函数的概念基本一致，数学上的函数相信大家并不陌生，它包括了函数名、自变量和因变量。如果暂时不理解函数这个概念也不要紧，我们会在后续的内容中专门讲解函数的定义和使用。

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"""
使用type()检查变量的类型


"""
a = 100
b = 12.345
c = 'hello, world'
d = True
print(type(a))    # <class 'int'>
print(type(b))    # <class 'float'>
print(type(c))    # <class 'str'>
print(type(d))    # <class 'bool'>

不同类型的变量可以相互转换，这一点可以通过Python的内置函数来实现。

• int()：将一个数值或字符串转换成整数，可以指定进制。
• float()：将一个字符串转换成浮点数。
• str()：将指定的对象转换成字符串形式，可以指定编码。
• chr()：将整数转换成该编码对应的字符串（一个字符）。
• ord()：将字符串（一个字符）转换成对应的编码（整数）。

下面的例子为大家演示了Python中类型转换的操作。

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"""
Python中的类型转换操作


"""
a = 100
b = 12.345
c = 'hello, world'
d = True
# 整数转成浮点数
print(float(a))    # 100.0
# 浮点型转成字符串 (输出字符串时不会看到引号哟)
print(str(b))      # 12.345
# 字符串转成布尔型 (有内容的字符串都会变成True)
print(bool(c))     # True
# 布尔型转成整数 (True会转成1，False会转成0)
print(int(d))      # 1
# 将整数变成对应的字符 (97刚好对应字符表中的字母a)
print(chr(97))     # a
# 将字符转成整数 (Python中字符和字符串表示法相同)
print(ord('a'))    # 97

总结

在Python程序中，我们可以使用变量来保存数据，变量有不同的类型，变量可以做运算（下一课会有详细的讲解），也可以通过内置函数来转换变量类型。

第04课：Python语言元素之运算符

Python语言支持很多种运算符，我们先用一个表格为大家列出这些运算符，然后选择一些马上就会用到的运算符为大家进行讲解。

说明： 上面这个表格实际上是按照运算符的优先级从上到下列出了各种运算符。所谓优先级就是在一个运算的表达式中，如果出现了多个运算符，应该先执行哪个运算再执行哪个运算的顺序。在实际开发中，如果搞不清楚运算符的优先级，可以使用圆括号来确保运算的执行顺序。

算术运算符

Python中的算术运算符非常丰富，除了大家最为熟悉的加减乘除之外，还有整除运算符、求模（求余数）运算符和求幂运算符。下面的例子为大家展示了算术运算符的使用。

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"""
算术运算符


"""
print(321 + 123)     # 加法运算
print(321 - 123)     # 减法运算
print(321 * 123)     # 乘法运算
print(321 / 123)     # 除法运算
print(321 % 123)     # 求模运算
print(321 // 123)    # 整除运算
print(321 ** 123)    # 求幂运算

赋值运算符

赋值运算符应该是最为常见的运算符，它的作用是将右边的值赋给左边的变量。下面的例子演示了赋值运算符和复合赋值运算符的使用。

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"""
赋值运算符和复合赋值运算符


"""
a = 10
b = 3
a += b        # 相当于：a = a + b
a *= a + 2    # 相当于：a = a * (a + 2)
print(a)      # 算一下这里会输出什么

###比较运算符和逻辑运算符

比较运算符有的地方也称为关系运算符，包括==、!=、<、>、<=、>=，我相信没有什么好解释的，大家一看就能懂，需要提醒的是比较相等用的是==，请注意这里是两个等号，因为=是赋值运算符，我们在上面刚刚讲到过，==才是比较相等的运算符；比较不相等用的是!=，这不同于数学上的不等号，python 2中曾经使用过<>来表示不等关系，大家知道就可以了。比较运算符会产生布尔值，要么是True要么是False。

逻辑运算符有三个，分别是and、or和not。and字面意思是“而且”，所以and运算符会连接两个布尔值，如果两个布尔值都是True，那么运算的结果就是True；左右两边的布尔值有一个是False，最终的运算结果就是False。相信大家已经想到了，如果and左边的布尔值是False，不管右边的布尔值是什么，最终的结果都是False，所以在做运算的时候右边的值会被跳过（短路处理），这也就意味着在and运算符左边为False的情况下，右边的表达式根本不会执行。or字面意思是“或者”，所以or运算符也会连接两个布尔值，如果两个布尔值有任意一个是True，那么最终的结果就是True。当然，or运算符也是有短路功能的，在它左边的布尔值为True的情况下，右边的表达式根本不会执行。not运算符的后面会跟上一个布尔值，它的作用是得到与该布尔值相反的值，也就是说，not后面的布尔值如果是True，运算结果就是False；而not后面的布尔值如果是False，运算结果就是True。

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"""
比较运算符和逻辑运算符的使用


"""
flag0 = 1 == 1
flag1 = 3 > 2
flag2 = 2 < 1
flag3 = flag1 and flag2
flag4 = flag1 or flag2
flag5 = not (1 != 2)
print('flag0 =', flag0)    # flag0 = True
print('flag1 =', flag1)    # flag1 = True
print('flag2 =', flag2)    # flag2 = False
print('flag3 =', flag3)    # flag3 = False
print('flag4 =', flag4)    # flag4 = True
print('flag5 =', flag5)    # flag5 = False

说明：比较运算符的优先级高于赋值运算符，所以flag0 = 1 == 1先做1 == 1产生布尔值True，再将这个值赋值给变量flag0。print函数可以输出多个值，多个值之间可以用,进行分隔，输出的内容之间默认以空格分开。

运算符的例子

例子1：华氏温度转换为摄氏温度。

提示：华氏温度到摄氏温度的转换公式为：C = (F - 32) / 1.8。

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"""
将华氏温度转换为摄氏温度


"""
f = float(input('请输入华氏温度: '))
c = (f - 32) / 1.8
print('%.1f华氏度 = %.1f摄氏度' % (f, c))

说明：在使用print函数输出时，也可以对字符串内容进行格式化处理，上面print函数中的字符串%.1f是一个占位符，稍后会由一个float类型的变量值替换掉它。同理，如果字符串中有%d，后面可以用一个int类型的变量值替换掉它，而%s会被字符串的值替换掉。除了这种格式化字符串的方式外，还可以用下面的方式来格式化字符串，其中{f:.1f}和{c:.1f}可以先看成是{f}和{c}，表示输出时会用变量f和变量c的值替换掉这两个占位符，后面的:.1f表示这是一个浮点数，小数点后保留1位有效数字。

1	print(f'{f:.1f}华氏度 = {c:.1f}摄氏度')

例子2：输入圆的半径计算计算周长和面积。

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"""
输入半径计算圆的周长和面积


"""
radius = float(input('请输入圆的半径: '))
perimeter = 2 * 3.1416 * radius
area = 3.1416 * radius * radius
print('周长: %.2f' % perimeter)
print('面积: %.2f' % area)

例子3：输入年份判断是不是闰年。

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"""
输入年份 如果是闰年输出True 否则输出False


"""
year = int(input('请输入年份: '))
is_leap = year % 4 == 0 and year % 100 != 0 or year % 400 == 0
print(is_leap)

说明：比较运算符会产生布尔值，而逻辑运算符and和or会对这些布尔值进行组合，最终也是得到一个布尔值，闰年输出True，平年输出False。

总结

通过上面的例子相信大家感受到了，学会使用运算符以及由运算符构成的表达式，就可以帮助我们解决很多实际的问题，运算符和表达式对于任何一门编程语言都是非常重要的。

第05课：分支结构

应用场景

迄今为止，我们写的Python代码都是一条一条语句顺序执行，这种代码结构通常称之为顺序结构。然而仅有顺序结构并不能解决所有的问题，比如我们设计一个游戏，游戏第一关的通关条件是玩家获得1000分，那么在完成本局游戏后，我们要根据玩家得到分数来决定究竟是进入第二关，还是告诉玩家“Game Over”，这里就会产生两个分支，而且这两个分支只有一个会被执行。类似的场景还有很多，我们将这种结构称之为“分支结构”或“选择结构”。给大家一分钟的时间，你应该可以想到至少5个以上这样的例子，赶紧试一试。

if语句的使用

在Python中，要构造分支结构可以使用if、elif和else关键字。所谓关键字就是有特殊含义的单词，像if和else就是专门用于构造分支结构的关键字，很显然你不能够使用它作为变量名。下面的例子中演示了如何构造一个分支结构。

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"""
用户身份验证


"""
username = input('请输入用户名: ')
password = input('请输入口令: ')
# 用户名是admin且密码是123456则身份验证成功否则身份验证失败
if username == 'admin' and password == '123456':
    print('身份验证成功!')
else:
    print('身份验证失败!')

需要说明的是，不同于C++、Java等编程语言，Python中没有用花括号来构造代码块而是使用了缩进的方式来表示代码的层次结构，如果if条件成立的情况下需要执行多条语句，只要保持多条语句具有相同的缩进就可以了。换句话说连续的代码如果又保持了相同的缩进那么它们属于同一个代码块，相当于是一个执行的整体。缩进可以使用任意数量的空格，但通常使用4个空格，强烈建议大家不要使用制表键来缩进代码，如果你已经习惯了这么做，可以设置代码编辑工具将1个制表键自动变成4个空格，很多的代码编辑工具都支持这项功能。

提示：if和else 的最后面有一个:，它是用英文输入法输入的冒号；程序中输入的'、"、=、(、)等特殊字符，都是在英文输入法状态下输入的。有很多初学者经常不注意这一点，结果运行代码的时候就会遇到很多莫名其妙的错误提示。强烈建议大家在写代码的时候都打开英文输入法（注意是英文输入法而不是中文输入法的英文输入模式），这样可以避免很多不必要的麻烦。

如果要构造出更多的分支，可以使用if...elif...else...结构或者嵌套的if...else...结构，下面的代码演示了如何利用多分支结构实现分段函数求值。

$$
f(x) = \begin{cases} 3x - 5, & (x \gt 1) \ x + 2, & (-1 \le x \le 1) \ 5x + 3, & (x \lt -1) \end{cases}
$$

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"""
分段函数求值


"""
x = float(input('x = '))
if x > 1:
    y = 3 * x - 5
elif x >= -1:
    y = x + 2
else:
    y = 5 * x + 3
print(f'f({x}) = {y}')

当然根据实际开发的需要，分支结构是可以嵌套的，例如判断是否通关以后还要根据你获得的宝物或者道具的数量对你的表现给出等级（比如点亮两颗或三颗星星），那么我们就需要在if的内部构造出一个新的分支结构，同理elif和else中也可以再构造新的分支，我们称之为嵌套的分支结构，也就是说上面的代码也可以写成下面的样子。

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"""
分段函数求值


"""
x = float(input('x = '))
if x > 1:
    y = 3 * x - 5
else:
    if x >= -1:
        y = x + 2
    else:
        y = 5 * x + 3
print(f'f({x}) = {y}')

说明： 大家可以自己感受和评判一下这两种写法到底是哪一种更好。在Python之禅中有这么一句话：“Flat is better than nested”，之所以提倡代码“扁平化”，是因为代码嵌套的层次如果很多，会严重的影响代码的可读性，所以使用更为扁平化的结构在很多场景下都是较好的选择。

一些例子

例子1：英制单位英寸与公制单位厘米互换。

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"""
英制单位英寸和公制单位厘米互换


"""
value = float(input('请输入长度: '))
unit = input('请输入单位: ')
if unit == 'in' or unit == '英寸':
    print('%f英寸 = %f厘米' % (value, value * 2.54))
elif unit == 'cm' or unit == '厘米':
    print('%f厘米 = %f英寸' % (value, value / 2.54))
else:
    print('请输入有效的单位')

例子2：百分制成绩转换为等级制成绩。

要求：如果输入的成绩在90分以上（含90分）输出A；80分-90分（不含90分）输出B；70分-80分（不含80分）输出C；60分-70分（不含70分）输出D；60分以下输出E。

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"""
百分制成绩转换为等级制成绩


"""
score = float(input('请输入成绩: '))
if score >= 90:
    grade = 'A'
elif score >= 80:
    grade = 'B'
elif score >= 70:
    grade = 'C'
elif score >= 60:
    grade = 'D'
else:
    grade = 'E'
print('对应的等级是:', grade)

例子3：输入三条边长，如果能构成三角形就计算周长和面积。

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"""
判断输入的边长能否构成三角形，如果能则计算出三角形的周长和面积


"""
a = float(input('a = '))
b = float(input('b = '))
c = float(input('c = '))
if a + b > c and a + c > b and b + c > a:
    peri = a + b + c
    print(f'周长: {peri}')
    half = peri / 2
    area = (half * (half - a) * (half - b) * (half - c)) ** 0.5
    print(f'面积: {area}')
else:
    print('不能构成三角形')

说明： 上面通过边长计算三角形面积的公式叫做海伦公式。

简单的总结

学会了Python中的分支结构和循环结构，我们就可以用Python程序来解决很多实际的问题了。这一节课相信已经帮助大家记住了if、elif、else这几个关键字以及如何使用它们来构造分支结构，下一节课我们为大家介绍循环结构，学完这两次课你一定会发现，你能写出很多很多非常有意思的代码。继续加油！

第06课：循环结构

应用场景

我们在写程序的时候，一定会遇到需要重复执行某条指令或某些指令的场景。例如用程序控制机器人踢足球，如果机器人持球而且还没有进入射门范围，那么我们就要一直发出让机器人向球门方向移动的指令。在这个场景中，让机器人向球门方向移动就是一个需要重复的动作，当然这里还会用到上一课讲的分支结构来判断机器人是否持球以及是否进入射门范围。再举一个简单的例子，如果要实现每隔1秒中在屏幕上打印一次“hello, world”并持续打印一个小时，我们肯定不能够直接把print('hello, world')这句代码写3600遍，这里我们需要构造循环结构。

所谓循环结构，就是程序中控制某条或某些指令重复执行的结构。在Python中构造循环结构有两种做法，一种是for-in循环，另一种是while循环。

for-in循环

如果明确的知道循环执行的次数，我们推荐使用for-in循环，例如输出100行的”hello, world“。 被for-in循环控制的语句块也是通过缩进的方式来构造的，这一点跟分支结构完全相同，大家看看下面的代码就明白了。

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"""
用for循环实现1~100求和


"""
total = 0
for x in range(1, 101):
    total += x
print(total)

需要说明的是上面代码中的range(1, 101)可以用来构造一个从1到100的范围，当我们把这样一个范围放到for-in循环中，就可以通过前面的循环变量x依次取出从1到100的整数。当然，range的用法非常灵活，下面给出了一个例子：

• range(101)：可以用来产生0到100范围的整数，需要注意的是取不到101。
• range(1, 101)：可以用来产生1到100范围的整数，相当于前面是闭区间后面是开区间。
• range(1, 101, 2)：可以用来产生1到100的奇数，其中2是步长，即每次递增的值。
• range(100, 0, -2)：可以用来产生100到1的偶数，其中-2是步长，即每次递减的值。

知道了这一点，我们可以用下面的代码来实现1~100之间的偶数求和。

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"""
用for循环实现1~100之间的偶数求和


"""
total = 0
for x in range(2, 101, 2):
    total += x
print(total)

while循环

如果要构造不知道具体循环次数的循环结构，我们推荐使用while循环。while循环通过一个能够产生bool值的表达式来控制循环，当表达式的值为True时则继续循环，当表达式的值为False时则结束循环。

下面我们通过一个“猜数字”的小游戏来看看如何使用while循环。猜数字游戏的规则是：计算机出一个1到100之间的随机数，玩家输入自己猜的数字，计算机给出对应的提示信息（大一点、小一点或猜对了），如果玩家猜中了数字，计算机提示用户一共猜了多少次，游戏结束，否则游戏继续。

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"""
猜数字游戏


"""
import random

# 产生一个1-100范围的随机数
answer = random.randint(1, 100)
counter = 0
while True:
    counter += 1
    number = int(input('请输入: '))
    if number < answer:
        print('大一点')
    elif number > answer:
        print('小一点')
    else:
        print('恭喜你猜对了!')
        break
# 当退出while循环的时候显示用户一共猜了多少次
print(f'你总共猜了{counter}次')

break和continue

上面的代码中使用while True构造了一个条件恒成立的循环，也就意味着如果不做特殊处理，循环是不会结束的，这也就是常说的“死循环”。为了在用户猜中数字时能够退出循环结构，我们使用了break关键字，它的作用是提前结束循环。需要注意的是，break只能终止它所在的那个循环，这一点在使用嵌套循环结构时需要引起注意，下面的例子我们会讲到什么是嵌套的循环结构。除了break之外，还有另一个关键字是continue，它可以用来放弃本次循环后续的代码直接让循环进入下一轮。

嵌套的循环结构

和分支结构一样，循环结构也是可以嵌套的，也就是说在循环中还可以构造循环结构。下面的例子演示了如何通过嵌套的循环来输出一个乘法口诀表（九九表）。

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"""
打印乘法口诀表


"""
for i in range(1, 10):
    for j in range(1, i + 1):
        print(f'{i}*{j}={i * j}', end='\t')
    print()

很显然，在上面的代码中，外层循环用来控制一共会产生9行的输出，而内层循环用来控制每一行会输出多少列。内层循环中的输出就是九九表一行中的所有列，所以在内层循环完成时，有一个print()来实现换行输出的效果。

循环的例子

例子1：输入一个正整数判断它是不是素数。

提示：素数指的是只能被1和自身整除的大于1的整数。

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"""
输入一个正整数判断它是不是素数


"""
num = int(input('请输入一个正整数: '))
end = int(num ** 0.5)
is_prime = True
for x in range(2, end + 1):
    if num % x == 0:
        is_prime = False
        break
if is_prime and num != 1:
    print(f'{num}是素数')
else:
    print(f'{num}不是素数')

例子2：输入两个正整数，计算它们的最大公约数和最小公倍数。

提示：两个数的最大公约数是两个数的公共因子中最大的那个数；两个数的最小公倍数则是能够同时被两个数整除的最小的那个数。

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"""
输入两个正整数计算它们的最大公约数和最小公倍数


"""

x = int(input('x = '))
y = int(input('y = '))
for factor in range(x, 0, -1):
    if x % factor == 0 and y % factor == 0:
        print(f'{x}和{y}的最大公约数是{factor}')
        print(f'{x}和{y}的最小公倍数是{x * y // factor}')
        break

简单的总结

学会了Python中的分支结构和循环结构，我们就可以解决很多实际的问题了。通过这节课的学习，大家应该已经知道了可以用for和while关键字来构造循环结构。如果知道循环的次数，我们通常使用for循环；如果循环次数不能确定，可以用while循环。在循环中还可以使用break来提前结束循环。

第07课：分支和循环结构的应用

通过上两节课的学习，大家对Python中的分支和循环结构已经有了感性的认识。分支和循环结构的重要性不言而喻，它是构造程序逻辑的基础，对于初学者来说也是比较困难的部分。大部分初学者在学习了分支和循环结构后都能理解它们的用途和用法，但是遇到实际问题的时候又无法下手；看懂别人的代码很容易，但是要自己写出同样的代码却又很难。如果你也有同样的问题和困惑，千万不要沮丧，这只是因为你才刚刚开始编程之旅，你的练习量还没有达到让你可以随心所欲的写出代码的程度，只要加强编程练习，这个问题迟早都会解决的。下面我们就为大家讲解一些经典的案例。

经典小案例

例子1：寻找水仙花数。

说明：水仙花数也被称为超完全数字不变数、自恋数、自幂数、阿姆斯特朗数，它是一个3位数，该数字每个位上数字的立方之和正好等于它本身，例如：$ 153=1^3+5^3+3^3 $。

这个题目的关键是将一个三位数拆分为个位、十位、百位，这一点利用Python中的//（整除）和%（求模）运算符其实很容易做到，代码如下所示。

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"""
找出所有水仙花数


"""
for num in range(100, 1000):
    low = num % 10
    mid = num // 10 % 10
    high = num // 100
    if num == low ** 3 + mid ** 3 + high ** 3:
        print(num)

上面利用//和%拆分一个数的小技巧在写代码的时候还是很常用的。我们要将一个不知道有多少位的正整数进行反转，例如将12345变成54321，也可以利用这两个运算来实现，代码如下所示。

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"""
正整数的反转


"""
num = int(input('num = '))
reversed_num = 0
while num > 0:
    reversed_num = reversed_num * 10 + num % 10
    num //= 10
print(reversed_num)

例子2：百钱百鸡问题。

说明：百钱百鸡是我国古代数学家张丘建在《算经》一书中提出的数学问题：鸡翁一值钱五，鸡母一值钱三，鸡雏三值钱一。百钱买百鸡，问鸡翁、鸡母、鸡雏各几何？翻译成现代文是：公鸡5元一只，母鸡3元一只，小鸡1元三只，用100块钱买一百只鸡，问公鸡、母鸡、小鸡各有多少只？

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"""
《百钱百鸡》问题


"""
# 假设公鸡的数量为x，x的取值范围是0到20
for x in range(0, 21):
    # 假设母鸡的数量为y，y的取值范围是0到33
    for y in range(0, 34):
        z = 100 - x - y
        if 5 * x + 3 * y + z // 3 == 100 and z % 3 == 0:
            print(f'公鸡: {x}只, 母鸡: {y}只, 小鸡: {z}只')

上面使用的方法叫做穷举法，也称为暴力搜索法，这种方法通过一项一项的列举备选解决方案中所有可能的候选项并检查每个候选项是否符合问题的描述，最终得到问题的解。这种方法看起来比较笨拙，但对于运算能力非常强大的计算机来说，通常都是一个可行的甚至是不错的选择，只要问题的解存在就能够找到它。

例子3：CRAPS赌博游戏。

说明：CRAPS又称花旗骰，是美国拉斯维加斯非常受欢迎的一种的桌上赌博游戏。该游戏使用两粒骰子，玩家通过摇两粒骰子获得点数进行游戏。简化后的规则是：玩家第一次摇骰子如果摇出了7点或11点，玩家胜；玩家第一次如果摇出2点、3点或12点，庄家胜；玩家如果摇出其他点数则玩家继续摇骰子，如果玩家摇出了7点，庄家胜；如果玩家摇出了第一次摇的点数，玩家胜；其他点数玩家继续摇骰子，直到分出胜负。

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"""
Craps赌博游戏
我们设定游戏开始时玩家有1000元的赌注
游戏结束的条件是玩家破产（输光所有的赌注）


"""
from random import randint

money = 1000
while money > 0:
    print(f'你的总资产为: {money}元')
    go_on = False
    # 下注金额必须大于0小于等于玩家总资产
    while True:
        debt = int(input('请下注: '))
        if 0 < debt <= money:
            break
    # 第一次摇色子
    # 用1到6均匀分布的随机数模拟摇色子得到的点数
    first = randint(1, 6) + randint(1, 6)
    print(f'\n玩家摇出了{first}点')
    if first == 7 or first == 11:
        print('玩家胜!\n')
        money += debt
    elif first == 2 or first == 3 or first == 12:
        print('庄家胜!\n')
        money -= debt
    else:
        go_on = True
    # 第一次摇色子没有分出胜负游戏继续
    while go_on:
        go_on = False
        current = randint(1, 6) + randint(1, 6)
        print(f'玩家摇出了{current}点')
        if current == 7:
            print('庄家胜!\n')
            money -= debt
        elif current == first:
            print('玩家胜!\n')
            money += debt
        else:
            go_on = True
print('你破产了, 游戏结束!')

例子4：斐波那契数列。

说明：斐波那契数列（Fibonacci sequence），通常也被称作黄金分割数列，是意大利数学家莱昂纳多·斐波那契（Leonardoda Fibonacci）在《计算之书》中研究在理想假设条件下兔子成长率问题而引入的数列，因此这个数列也常被戏称为“兔子数列”。斐波那契数列的特点是数列的前两个数都是1，从第三个数开始，每个数都是它前面两个数的和，按照这个规律，斐波那契数列的前10个数是：1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55。斐波那契数列在现代物理、准晶体结构、化学等领域都有直接的应用。

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"""
输出斐波那契数列前20个数


"""

a, b = 0, 1
for _ in range(20):
    a, b = b, a + b
    print(a)

例子5：打印100以内的素数。

说明：素数指的是只能被1和自身整除的正整数（不包括1）。

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"""
输出100以内的素数


"""
for num in range(2, 100):
    # 假设num是素数
    is_prime = True
    # 在2到num-1之间找num的因子
    for factor in range(2, num):
        # 如果找到了num的因子，num就不是素数
        if num % factor == 0:
            is_prime = False
            break
    # 如果布尔值为True在num是素数
    if is_prime:
        print(num)

简单的总结

还是那句话：分支结构和循环结构非常重要，是构造程序逻辑的基础，一定要通过大量的练习来达到融会贯通。刚才讲到的CRAPS赌博游戏那个例子可以作为一个标准，如果你能很顺利的完成这段代码，那么分支和循环结构的知识你就已经掌握了。

第08课：常用数据结构之列表

在开始本节课的内容之前，我们先给大家一个编程任务，将一颗色子掷6000次，统计每个点数出现的次数。这个任务对大家来说应该是非常简单的，我们可以用1到6均匀分布的随机数来模拟掷色子，然后用6个变量分别记录每个点数出现的次数，相信大家都能写出下面的代码。

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import random

f1 = 0
f2 = 0
f3 = 0
f4 = 0
f5 = 0
f6 = 0
for _ in range(6000):
    face = random.randint(1, 6)
    if face == 1:
        f1 += 1
    elif face == 2:
        f2 += 1
    elif face == 3:
        f3 += 1
    elif face == 4:
        f4 += 1
    elif face == 5:
        f5 += 1
    else:
        f6 += 1
print(f'1点出现了{f1}次')
print(f'2点出现了{f2}次')
print(f'3点出现了{f3}次')
print(f'4点出现了{f4}次')
print(f'5点出现了{f5}次')
print(f'6点出现了{f6}次')

看看上面的代码，相信大家一定觉得它非常的“笨重”和“丑陋”，更可怕的是，如果要统计掷两颗或者更多的色子统计每个点数出现的次数，那就需要定义更多的变量，写更多的分支结构。讲到这里，相信大家一定想问：有没有办法用一个变量来保存多个数据，有没有办法用统一的代码对多个数据进行操作？答案是肯定的，在Python中我们可以通过容器类型的变量来保存和操作多个数据，我们首先为大家介绍列表（list）这种新的数据类型。

定义和使用列表

在Python中，列表是由一系元素按特定顺序构成的数据序列，这样就意味着定义一个列表类型的变量，可以保存多个数据，而且允许有重复的数据。跟上一课我们讲到的字符串类型一样，列表也是一种结构化的、非标量类型，操作一个列表类型的变量，除了可以使用运算符还可以使用它的方法。

在Python中，可以使用[]字面量语法来定义列表，列表中的多个元素用逗号进行分隔，代码如下所示。

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items1 = [35, 12, 99, 68, 55, 87]
items2 = ['python', 'Java', 'Go', 'Kotlin']

除此以外，还可以通过Python内置的list函数将其他序列变成列表。准确的说，list并不是一个普通的函数，它是创建列表对象的构造器（后面会讲到对象和构造器这两个概念）。

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items1 = list(range(1, 10))
print(items1)    # [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9]
items2 = list('hello')
print(items2)    # ['h', 'e', 'l', 'l', 'o']

需要说明的是，列表是一种可变数据类型，也就是说列表可以添加元素、删除元素、更新元素，这一点跟我们上一课讲到的字符串有着鲜明的差别。字符串是一种不可变数据类型，也就是说对字符串做拼接、重复、转换大小写、修剪空格等操作的时候会产生新的字符串，原来的字符串并没有发生任何改变。

列表的运算符

和字符串类型一样，列表也支持拼接、重复、成员运算、索引和切片以及比较运算，对此我们不再进行赘述，请大家参考下面的代码。

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items1 = [35, 12, 99, 68, 55, 87]
items2 = [45, 8, 29]

# 列表的拼接
items3 = items1 + items2
print(items3)    # [35, 12, 99, 68, 55, 87, 45, 8, 29]

# 列表的重复
items4 = ['hello'] * 3
print(items4)    # ['hello', 'hello', 'hello']

# 列表的成员运算
print(100 in items3)        # False
print('hello' in items4)    # True

# 获取列表的长度(元素个数)
size = len(items3)
print(size)                 # 9

# 列表的索引
print(items3[0], items3[-size])        # 35 35
items3[-1] = 100
print(items3[size - 1], items3[-1])    # 100 100

# 列表的切片
print(items3[:5])          # [35, 12, 99, 68, 55]
print(items3[4:])          # [55, 87, 45, 8, 100]
print(items3[-5:-7:-1])    # [55, 68]
print(items3[::-2])        # [100, 45, 55, 99, 35]

# 列表的比较运算
items5 = [1, 2, 3, 4]
items6 = list(range(1, 5))
# 两个列表比较相等性比的是对应索引位置上的元素是否相等
print(items5 == items6)    # True
items7 = [3, 2, 1]
# 两个列表比较大小比的是对应索引位置上的元素的大小
print(items5 <= items7)    # True

值得一提的是，由于列表是可变类型，所以通过索引操作既可以获取列表中的元素，也可以更新列表中的元素。对列表做索引操作一样要注意索引越界的问题，对于有N个元素的列表，正向索引的范围是0到N-1，负向索引的范围是-1到-N，如果超出这个范围，将引发IndexError异常，错误信息为：list index out of range。

列表元素的遍历

如果想逐个取出列表中的元素，可以使用for循环的，有以下两种做法。

方法一：

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items = ['python', 'Java', 'Go', 'Kotlin']

for index in range(len(items)):
    print(items[index])

方法二：

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items = ['python', 'Java', 'Go', 'Kotlin']

for item in items:
    print(item)

讲到这里，我们可以用列表的知识来重构上面“掷色子统计每个点数出现次数”的代码。

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import random

counters = [0] * 6
for _ in range(6000):
    face = random.randint(1, 6)
    counters[face - 1] += 1
for face in range(1, 7):
    print(f'{face}点出现了{counters[face - 1]}次')

上面的代码中，我们用counters列表中的六个元素分别表示1到6的点数出现的次数，最开始的时候六个元素的值都是0。接下来用随机数模拟掷色子，如果摇出1点counters[0]的值加1，如果摇出2点counters[1]的值加1，以此类推。大家感受一下，这段代码是不是比之前的代码要简单优雅很多。

列表的方法

和字符串一样，列表类型的方法也很多，下面为大家讲解比较重要的方法。

添加和删除元素

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items = ['python', 'Java', 'Go', 'Kotlin']

# 使用append方法在列表尾部添加元素
items.append('Swift')
print(items)    # ['python', 'Java', 'Go', 'Kotlin', 'Swift']
# 使用insert方法在列表指定索引位置插入元素
items.insert(2, 'SQL')
print(items)    # ['python', 'Java', 'SQL', 'Go', 'Kotlin', 'Swift']

# 删除指定的元素
items.remove('Java')
print(items)    # ['python', 'SQL', 'Go', 'Kotlin', 'Swift']
# 删除指定索引位置的元素
items.pop(0)
items.pop(len(items) - 1)
print(items)    # ['SQL', 'Go', 'Kotlin']

# 清空列表中的元素
items.clear()
print(items)    # []

需要提醒大家，在使用remove方法删除元素时，如果要删除的元素并不在列表中，会引发ValueError异常，错误消息是：list.remove(x): x not in list。在使用pop方法删除元素时，如果索引的值超出了范围，会引发IndexError异常，错误消息是：pop index out of range。

从列表中删除元素其实还有一种方式，就是使用Python中的del关键字后面跟要删除的元素，这种做法跟使用pop方法指定索引删除元素没有实质性的区别，但后者会返回删除的元素，前者在性能上略优（del对应字节码指令是DELETE_SUBSCR，而pop对应的字节码指令是CALL_METHOD和POP_TOP，不理解就跳过，不用管它！！！）。

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items = ['python', 'Java', 'Go', 'Kotlin']
del items[1]
print(items)    # ['python', 'Go', 'Kotlin']

元素位置和次数

列表类型的index方法可以查找某个元素在列表中的索引位置；因为列表中允许有重复的元素，所以列表类型提供了count方法来统计一个元素在列表中出现的次数。请看下面的代码。

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items = ['python', 'Java', 'Java', 'Go', 'Kotlin', 'python']

# 查找元素的索引位置
print(items.index('python'))       # 0
print(items.index('python', 2))    # 5
# 注意：虽然列表中有'Java'，但是从索引为3这个位置开始后面是没有'Java'的
print(items.index('Java', 3))      # ValueError: 'Java' is not in list

再来看看下面这段代码。

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items = ['python', 'Java', 'Java', 'Go', 'Kotlin', 'python']

# 查找元素出现的次数
print(items.count('python'))    # 2
print(items.count('Go'))        # 1
print(items.count('Swfit'))     # 0

元素排序和反转

列表的sort操作可以实现列表元素的排序，而reverse操作可以实现元素的反转，代码如下所示。

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items = ['python', 'Java', 'Go', 'Kotlin', 'python']

# 排序
items.sort()
print(items)    # ['Go', 'Java', 'Kotlin', 'python', 'python']
# 反转
items.reverse()
print(items)    # ['python', 'python', 'Kotlin', 'Java', 'Go']

列表的生成式

在Python中，列表还可以通过一种特殊的字面量语法来创建，这种语法叫做生成式。我们给出两段代码，大家可以做一个对比，看看哪一种方式更加简单优雅。

通过for循环为空列表添加元素。

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# 创建一个由1到9的数字构成的列表
items1 = []
for x in range(1, 10):
    items1.append(x)
print(items1)

# 创建一个由'hello world'中除空格和元音字母外的字符构成的列表
items2 = []
for x in 'hello world':
    if x not in ' aeiou':
        items2.append(x)
print(items2)

# 创建一个由个两个字符串中字符的笛卡尔积构成的列表
items3 = []
for x in 'ABC':
    for y in '12':
        items3.append(x + y)
print(items3)

通过生成式创建列表。

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# 创建一个由1到9的数字构成的列表
items1 = [x for x in range(1, 10)]
print(items1)    # [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9]

# 创建一个由'hello world'中除空格和元音字母外的字符构成的列表
items2 = [x for x in 'hello world' if x not in ' aeiou']
print(items2)    # ['h', 'l', 'l', 'w', 'r', 'l', 'd']

# 创建一个由个两个字符串中字符的笛卡尔积构成的列表
items3 = [x + y for x in 'ABC' for y in '12']
print(items3)    # ['A1', 'A2', 'B1', 'B2', 'C1', 'C2']

下面这种方式不仅代码简单优雅，而且性能也优于上面使用for循环和append方法向空列表中追加元素的方式。可以简单跟大家交待下为什么生成式拥有更好的性能，那是因为Python解释器的字节码指令中有专门针对生成式的指令（LIST_APPEND指令）；而for循环是通过方法调用（LOAD_METHOD和CALL_METHOD指令）的方式为列表添加元素，方法调用本身就是一个相对耗时的操作。对这一点不理解也没有关系，记住“强烈建议用生成式语法来创建列表”这个结论就可以了。

嵌套的列表

Python语言没有限定列表中的元素必须是相同的数据类型，也就是说一个列表中的元素可以任意的数据类型，当然也包括列表。如果列表中的元素又是列表，那么我们可以称之为嵌套的列表。嵌套的列表可以用来表示表格或数学上的矩阵，例如：我们想保存5个学生3门课程的成绩，可以定义一个保存5个元素的列表保存5个学生的信息，而每个列表元素又是3个元素构成的列表，分别代表3门课程的成绩。但是，一定要注意下面的代码是有问题的。

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scores = [[0] * 3] * 5
print(scores)    # [[0, 0, 0], [0, 0, 0], [0, 0, 0], [0, 0, 0], [0, 0, 0]]

看上去我们好像创建了一个5 * 3的嵌套列表，但实际上当我们录入第一个学生的第一门成绩后，你就会发现问题来了，我们看看下面代码的输出。

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# 嵌套的列表需要多次索引操作才能获取元素
scores[0][0] = 95
print(scores)
# [[95, 0, 0], [95, 0, 0], [95, 0, 0], [95, 0, 0], [95, 0, 0]]

我们不去过多的解释为什么会出现这样的问题，如果想深入研究这个问题，可以通过python Tutor网站的可视化代码执行功能，看看创建列表时计算机内存中发生了怎样的变化，下面的图就是在这个网站上生成的。建议大家不去纠结这个问题，现阶段只需要记住不能用[[0] * 3] * 5]这种方式来创建嵌套列表就行了。那么创建嵌套列表的正确做法是什么呢，下面的代码会给你答案。

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scores = [[0] * 3 for _ in range(5)]
scores[0][0] = 95
print(scores)
# [[95, 0, 0], [0, 0, 0], [0, 0, 0], [0, 0, 0], [0, 0, 0]]

简单的总结

Python中的列表底层是一个可以动态扩容的数组，列表元素在内存中也是连续存储的，所以可以实现随机访问（通过一个有效的索引获取到对应的元素且操作时间与列表元素个数无关）。我们暂时不去触碰这些底层存储细节以及列表每个方法的渐近时间复杂度（执行这个方法耗费的时间跟列表元素个数的关系），等需要的时候再告诉大家。现阶段，大家只需要知道列表是容器，可以保存各种类型的数据，可以通过索引操作列表元素，知道这些就足够了。

第09课：常用数据结构之元组

上一节课为大家讲解了Python中的列表，它是一种容器型数据类型，我们可以通过定义列表类型的变量来保存和操作多个元素。当然，Python中容器型的数据类型肯定不止列表一种，接下来我们为大家讲解另一种重要的容器型数据类型，它的名字叫元组（tuple）。

定义和使用元组

在Python中，元组也是多个元素按照一定的顺序构成的序列。元组和列表的不同之处在于，元组是不可变类型，这就意味着元组类型的变量一旦定义，其中的元素不能再添加或删除，而且元素的值也不能进行修改。定义元组通常使用()字面量语法，也建议大家使用这种方式来创建元组。元组类型支持的运算符跟列表是一样。下面的代码演示了元组的定义和运算。

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# 定义一个三元组
t1 = (30, 10, 55)
# 定义一个四元组
t2 = ('骆昊', 40, True, '四川成都')

# 查看变量的类型
print(type(t1), type(t2))    # <class 'tuple'> <class 'tuple'>
# 查看元组中元素的数量
print(len(t1), len(t2))      # 3 4

# 通过索引运算获取元组中的元素
print(t1[0], t1[-3])         # 30 30
print(t2[3], t2[-1])         # 四川成都 四川成都

# 循环遍历元组中的元素
for member in t2:
    print(member)

# 成员运算
print(100 in t1)    # False
print(40 in t2)     # True

# 拼接
t3 = t1 + t2
print(t3)           # (30, 10, 55, '骆昊', 40, True, '四川成都')

# 切片
print(t3[::3])      # (30, '骆昊', '四川成都')

# 比较运算
print(t1 == t3)    # False
print(t1 >= t3)    # False
print(t1 < (30, 11, 55))    # True

一个元组中如果有两个元素，我们就称之为二元组；一个元组中如果五个元素，我们就称之为五元组。需要提醒大家注意的是，()表示空元组，但是如果元组中只有一个元素，需要加上一个逗号，否则()就不是代表元组的字面量语法，而是改变运算优先级的圆括号，所以('hello', )和(100, )才是一元组，而('hello')和(100)只是字符串和整数。我们可以通过下面的代码来加以验证。

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# 空元组
a = ()
print(type(a))    # <class 'tuple'>
# 不是元组
b = ('hello')
print(type(b))    # <class 'str'>
c = (100)
print(type(c))    # <class 'int'>
# 一元组
d = ('hello', )
print(type(d))    # <class 'tuple'>
e = (100, )
print(type(e))    # <class 'tuple'>

元组的应用场景

讲到这里，相信大家一定迫切的想知道元组有哪些应用场景，我们给大家举几个例子。

例子1：打包和解包操作。

当我们把多个用逗号分隔的值赋给一个变量时，多个值会打包成一个元组类型；当我们把一个元组赋值给多个变量时，元组会解包成多个值然后分别赋给对应的变量，如下面的代码所示。

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# 打包
a = 1, 10, 100
print(type(a), a)    # <class 'tuple'> (1, 10, 100)
# 解包
i, j, k = a
print(i, j, k)       # 1 10 100

在解包时，如果解包出来的元素个数和变量个数不对应，会引发ValueError异常，错误信息为：too many values to unpack（解包的值太多）或not enough values to unpack（解包的值不足）。

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a = 1, 10, 100, 1000
# i, j, k = a             # ValueError: too many values to unpack (expected 3)
# i, j, k, l, m, n = a    # ValueError: not enough values to unpack (expected 6, got 4)

有一种解决变量个数少于元素的个数方法，就是使用星号表达式，我们之前讲函数的可变参数时使用过星号表达式。有了星号表达式，我们就可以让一个变量接收多个值，代码如下所示。需要注意的是，用星号表达式修饰的变量会变成一个列表，列表中有0个或多个元素。还有在解包语法中，星号表达式只能出现一次。

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a = 1, 10, 100, 1000
i, j, *k = a
print(i, j, k)          # 1 10 [100, 1000]
i, *j, k = a
print(i, j, k)          # 1 [10, 100] 1000
*i, j, k = a
print(i, j, k)          # [1, 10] 100 1000
*i, j = a
print(i, j)             # [1, 10, 100] 1000
i, *j = a
print(i, j)             # 1 [10, 100, 1000]
i, j, k, *l = a
print(i, j, k, l)       # 1 10 100 [1000]
i, j, k, l, *m = a
print(i, j, k, l, m)    # 1 10 100 1000 []

需要说明一点，解包语法对所有的序列都成立，这就意味着对列表以及我们之前讲到的range函数返回的范围序列都可以使用解包语法。大家可以尝试运行下面的代码，看看会出现怎样的结果。

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a, b, *c = range(1, 10)
print(a, b, c)
a, b, c = [1, 10, 100]
print(a, b, c)
a, *b, c = 'hello'
print(a, b, c)

例子2：交换两个变量的值。

交换两个变量的值是编程语言中的一个经典案例，在很多编程语言中，交换两个变量的值都需要借助一个中间变量才能做到，如果不用中间变量就需要使用比较晦涩的位运算来实现。在Python中，交换两个变量a和b的值只需要使用如下所示的代码。

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a, b = b, a

同理，如果要将三个变量a、b、c的值互换，即b赋给a，c赋给b，a赋给c，也可以如法炮制。

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a, b, c = b, c, a

需要说明的是，上面并没有用到打包和解包语法，Python的字节码指令中有ROT_TWO和ROT_THREE这样的指令可以实现这个操作，效率是非常高的。但是如果有多于三个变量的值要依次互换，这个时候没有直接可用的字节码指令，执行的原理就是我们上面讲解的打包和解包操作。

元组和列表的比较

这里还有一个非常值得探讨的问题，Python中已经有了列表类型，为什么还需要元组这样的类型呢？这个问题对于初学者来说似乎有点困难，不过没有关系，我们先抛出观点，大家可以一边学习一边慢慢体会。

1. 元组是不可变类型，不可变类型更适合多线程环境，因为它降低了并发访问变量的同步化开销。关于这一点，我们会在后面讲解多线程的时候为大家详细论述。

2. 元组是不可变类型，通常不可变类型在创建时间和占用空间上面都优于对应的可变类型。我们可以使用sys模块的getsizeof函数来检查保存相同元素的元组和列表各自占用了多少内存空间。我们也可以使用timeit模块的timeit函数来看看创建保存相同元素的元组和列表各自花费的时间，代码如下所示。

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   import sys import timeit a = list(range(100000)) b = tuple(range(100000)) print(sys.getsizeof(a), sys.getsizeof(b)) # 900120 800056 print(timeit.timeit('[1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9]')) print(timeit.timeit('(1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9)'))

3. Python中的元组和列表是可以相互转换的，我们可以通过下面的代码来做到。

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   # 将元组转换成列表 info = ('骆昊', 175, True, '四川成都') print(list(info)) # ['骆昊', 175, True, '四川成都'] # 将列表转换成元组 fruits = ['apple', 'banana', 'orange'] print(tuple(fruits)) # ('apple', 'banana', 'orange')

简单的总结

列表和元组都是容器型的数据类型，即一个变量可以保存多个数据。列表是可变数据类型，元组是不可变数据类型，所以列表添加元素、删除元素、清空、排序等方法对于元组来说是不成立的。但是列表和元组都可以进行拼接、成员运算、索引和切片这些操作，后面我们要讲到的字符串类型也是这样，因为字符串就是字符按一定顺序构成的序列，在这一点上三者并没有什么区别。我们推荐大家使用列表的生成式语法来创建列表，它很好用，也是Python中非常有特色的语法。

第10课：字符串的使用

第二次世界大战促使了现代电子计算机的诞生，世界上的第一台通用电子计算机叫ENIAC（电子数值积分计算机），诞生于美国的宾夕法尼亚大学，占地167平米，重量27吨，每秒钟大约能够完成约5000次浮点运算，如下图所示。ENIAC诞生之后被应用于导弹弹道的计算，而数值计算也是现代电子计算机最为重要的一项功能。

随着时间的推移，虽然数值运算仍然是计算机日常工作中最为重要的组成部分，但是今天的计算机还要处理大量的以文本形式存在的信息。如果我们希望通过Python程序来操作本这些文本信息，就必须要先了解字符串这种数据类型以及与它相关的知识。

字符串的定义

所谓字符串，就是由零个或多个字符组成的有限序列，一般记为：
$$
s = a_1a_2 \cdots a_n ,,,,, (0 \le n \le \infty)
$$
在Python程序中，如果我们把单个或多个字符用单引号或者双引号包围起来，就可以表示一个字符串。字符串中的字符可以是特殊符号、英文字母、中文字符、日文的平假名或片假名、希腊字母、Emoji字符等。

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s1 = 'hello, world!'
s2 = "你好，世界！"
print(s1, s2)
# 以三个双引号或单引号开头的字符串可以折行
s3 = '''
hello, 
world!
'''
print(s3, end='')

提示：print函数中的end=''表示输出后不换行，即将默认的结束符\n（换行符）更换为''（空字符）。

转义字符和原始字符串

可以在字符串中使用\（反斜杠）来表示转义，也就是说\后面的字符不再是它原来的意义，例如：\n不是代表反斜杠和字符n，而是表示换行；\t也不是代表反斜杠和字符t，而是表示制表符。所以如果字符串本身又包含了'、"、\这些特殊的字符，必须要通过\进行转义处理。例如要输出一个带单引号或反斜杠的字符串，需要用如下所示的方法。

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s1 = '\'hello, world!\''
print(s1)
s2 = '\\hello, world!\\'
print(s2)

Python中的字符串可以r或R开头，这种字符串被称为原始字符串，意思是字符串中的每个字符都是它本来的含义，没有所谓的转义字符。例如，在字符串'hello\n'中，\n表示换行；而在r'hello\n'中，\n不再表示换行，就是反斜杠和字符n。大家可以运行下面的代码，看看会输出什么。

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# 字符串s1中\t是制表符，\n是换行符
s1 = '\time up \now'
print(s1)
# 字符串s2中没有转义字符，每个字符都是原始含义
s2 = r'\time up \now'
print(s2)

Python中还允许在\后面还可以跟一个八进制或者十六进制数来表示字符，例如\141和\x61都代表小写字母a，前者是八进制的表示法，后者是十六进制的表示法。另外一种表示字符的方式是在\u后面跟Unicode字符编码，例如\u9a86\u660a代表的是中文“骆昊”。运行下面的代码，看看输出了什么。

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s1 = '\141\142\143\x61\x62\x63'
s2 = '\u9a86\u660a'
print(s1, s2)

字符串的运算

Python为字符串类型提供了非常丰富的运算符，我们可以使用+运算符来实现字符串的拼接，可以使用*运算符来重复一个字符串的内容，可以使用in和not in来判断一个字符串是否包含另外一个字符串，我们也可以用[]和[:]运算符从字符串取出某个字符或某些字符。

拼接和重复

下面的例子演示了使用+和*运算符来实现字符串的拼接和重复操作。

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s1 = 'hello' + ' ' + 'world'
print(s1)    # hello world
s2 = '!' * 3
print(s2)    # !!!
s1 += s2     # s1 = s1 + s2
print(s1)    # hello world!!!
s1 *= 2      # s1 = s1 * 2
print(s1)    # hello world!!!hello world!!!

用*实现字符串的重复是非常有意思的一个运算符，在很多编程语言中，要表示一个有10个a的字符串，你只能写成"aaaaaaaaaa"，但是在Python中，你可以写成'a' * 10。你可能觉得"aaaaaaaaaa"这种写法也没有什么不方便的，那么想一想，如果字符a要重复100次或者1000次又会如何呢？

比较运算

对于两个字符串类型的变量，可以直接使用比较运算符比较两个字符串的相等性或大小。需要说明的是，因为字符串在计算机内存中也是以二进制形式存在的，那么字符串的大小比较比的是每个字符对应的编码的大小。例如A的编码是65， 而a的编码是97，所以'A' < 'a'的结果相当于就是65 < 97的结果，很显然是True；而'boy' < 'bad'，因为第一个字符都是'b'比不出大小，所以实际比较的是第二个字符的大小，显然'o' < 'a'的结果是False，所以'boy' < 'bad'的结果也是False。如果不清楚两个字符对应的编码到底是多少，可以使用ord函数来获得，例如ord('A')的值是65，而ord('昊')的值是26122。下面的代码为大家展示了字符串的比较运算。

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s1 = 'a whole new world'
s2 = 'hello world'
print(s1 == s2, s1 < s2)      # False True
print(s2 == 'hello world')    # True
print(s2 == 'Hello world')    # False
print(s2 != 'Hello world')    # True
s3 = '骆昊'
print(ord('骆'), ord('昊'))               # 39558 26122
s4 = '王大锤'
print(ord('王'), ord('大'), ord('锤'))    # 29579 22823 38180
print(s3 > s4, s3 <= s4)      # True False

需要强调一下的是，字符串的比较运算比较的是字符串的内容，Python中还有一个is运算符（身份运算符），如果用is来比较两个字符串，它比较的是两个变量对应的字符串对象的内存地址（不理解先跳过），简单的说就是两个变量是否对应内存中的同一个字符串。看看下面的代码就比较清楚is运算符的作用了。

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s1 = 'hello world'
s2 = 'hello world'
s3 = s2
# 比较字符串的内容
print(s1 == s2, s2 == s3)    # True True
# 比较字符串的内存地址
print(s1 is s2, s2 is s3)    # False True

成员运算

Python中可以用in和not in判断一个字符串中是否存在另外一个字符或字符串，in和not in运算通常称为成员运算，会产生布尔值True或False，代码如下所示。

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s1 = 'hello, world'
print('wo' in s1)    # True
s2 = 'goodbye'
print(s2 in s1)      # False

获取字符串长度

获取字符串长度没有直接的运算符，而是使用内置函数len，我们在上节课的提到过这个内置函数，代码如下所示。

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s = 'hello, world'
print(len(s))                   # 12
print(len('goodbye, world'))    # 14

索引和切片

如果希望从字符串中取出某个字符，我们可以对字符串进行索引运算，运算符是[n]，其中n是一个整数，假设字符串的长度为N，那么n可以是从0到N-1的整数，其中0是字符串中第一个字符的索引，而N-1是字符串中最后一个字符的索引，通常称之为正向索引；在Python中，字符串的索引也可以是从-1到-N的整数，其中-1是最后一个字符的索引，而-N则是第一个字符的索引，通常称之为负向索引。注意，因为字符串是不可变类型，所以不能通过索引运算修改字符串中的字符。

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s = 'abc123456'
N = len(s)

# 获取第一个字符
print(s[0], s[-N])    # a a

# 获取最后一个字符
print(s[N-1], s[-1])  # 6 6

# 获取索引为2或-7的字符
print(s[2], s[-7])    # c c

# 获取索引为5和-4的字符
print(s[5], s[-4])    # 3 3

需要提醒大家注意的是，在进行索引操作时，如果索引越界（正向索引不在0到N-1范围，负向索引不在-1到-N范围），会引发IndexError异常，错误提示信息为：string index out of range（字符串索引超出范围）。

如果要从字符串中取出多个字符，我们可以对字符串进行切片，运算符是[i:j:k]，其中i是开始索引，索引对应的字符可以取到；j是结束索引，索引对应的字符不能取到；k是步长，默认值为1，表示从前向后获取相邻字符的连续切片，所以:k部分可以省略。假设字符串的长度为N，当k > 0时表示正向切片（从前向后获取字符），如果没有给出i和j的值，则i的默认值是0，j的默认值是N；当k < 0时表示负向切片（从后向前获取字符），如果没有给出i和j的值，则i的默认值是-1，j的默认值是-N - 1。如果不理解，直接看下面的例子，记住第一个字符的索引是0或-N，最后一个字符的索引是N-1或-1就行了。

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s = 'abc123456'

# i=2, j=5, k=1的正向切片操作
print(s[2:5])       # c12

# i=-7, j=-4, k=1的正向切片操作
print(s[-7:-4])     # c12

# i=2, j=9, k=1的正向切片操作
print(s[2:])        # c123456

# i=-7, j=9, k=1的正向切片操作
print(s[-7:])       # c123456

# i=2, j=9, k=2的正向切片操作
print(s[2::2])      # c246

# i=-7, j=9, k=2的正向切片操作
print(s[-7::2])     # c246

# i=0, j=9, k=2的正向切片操作
print(s[::2])       # ac246

# i=1, j=-1, k=2的正向切片操作
print(s[1:-1:2])    # b135

# i=7, j=1, k=-1的负向切片操作
print(s[7:1:-1])    # 54321c

# i=-2, j=-8, k=-1的负向切片操作
print(s[-2:-8:-1])  # 54321c

# i=7, j=-10, k=-1的负向切片操作
print(s[7::-1])     # 54321cba

# i=-1, j=1, k=-1的负向切片操作
print(s[:1:-1])     # 654321c

# i=0, j=9, k=1的正向切片
print(s[:])         # abc123456

# i=0, j=9, k=2的正向切片
print(s[::2])       # ac246

# i=-1, j=-10, k=-1的负向切片
print(s[::-1])      # 654321cba

# i=-1, j=-10, k=-2的负向切片
print(s[::-2])      # 642ca

循环遍历每个字符

如果希望从字符串中取出每个字符，可以使用for循环对字符串进行遍历，有两种方式。

方式一：

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s1 = 'hello'
for index in range(len(s1)):
    print(s1[index])

方式二：

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s1 = 'hello'
for ch in s1:
    print(ch)

字符串的方法

在Python中，我们可以通过字符串类型自带的方法对字符串进行操作和处理，对于一个字符串类型的变量，我们可以用变量名.方法名()的方式来调用它的方法。所谓方法其实就是跟某个类型的变量绑定的函数，后面我们讲面向对象编程的时候还会对这一概念详加说明。

大小写相关操作

下面的代码演示了和字符串大小写变换相关的方法。

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s1 = 'hello, world!'

# 使用capitalize方法获得字符串首字母大写后的字符串
print(s1.capitalize())   # Hello, world!
# 使用title方法获得字符串每个单词首字母大写后的字符串
print(s1.title())        # Hello, World!
# 使用upper方法获得字符串大写后的字符串
print(s1.upper())        # HELLO, WORLD!

s2 = 'GOODBYE'
# 使用lower方法获得字符串小写后的字符串
print(s2.lower())        # goodbye

查找操作

如果想在一个字符串中从前向后查找有没有另外一个字符串，可以使用字符串的find或index方法。

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s = 'hello, world!'

# find方法从字符串中查找另一个字符串所在的位置
# 找到了返回字符串中另一个字符串首字符的索引
print(s.find('or'))        # 8
# 找不到返回-1
print(s.find('shit'))      # -1
# index方法与find方法类似
# 找到了返回字符串中另一个字符串首字符的索引
print(s.index('or'))       # 8
# 找不到引发异常
print(s.index('shit'))     # ValueError: substring not found

在使用find和index方法时还可以通过方法的参数来指定查找的范围，也就是查找不必从索引为0的位置开始。find和index方法还有逆向查找（从后向前查找）的版本，分别是rfind和rindex，代码如下所示。

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s = 'hello good world!'

# 从前向后查找字符o出现的位置(相当于第一次出现)
print(s.find('o'))       # 4
# 从索引为5的位置开始查找字符o出现的位置
print(s.find('o', 5))    # 7
# 从后向前查找字符o出现的位置(相当于最后一次出现)
print(s.rfind('o'))      # 12

性质判断

可以通过字符串的startswith、endswith来判断字符串是否以某个字符串开头和结尾；还可以用is开头的方法判断字符串的特征，这些方法都返回布尔值，代码如下所示。

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s1 = 'hello, world!'

# startwith方法检查字符串是否以指定的字符串开头返回布尔值
print(s1.startswith('He'))    # False
print(s1.startswith('hel'))   # True
# endswith方法检查字符串是否以指定的字符串结尾返回布尔值
print(s1.endswith('!'))       # True

s2 = 'abc123456'

# isdigit方法检查字符串是否由数字构成返回布尔值
print(s2.isdigit())    # False
# isalpha方法检查字符串是否以字母构成返回布尔值
print(s2.isalpha())    # False
# isalnum方法检查字符串是否以数字和字母构成返回布尔值
print(s2.isalnum())    # True

格式化字符串

在Python中，字符串类型可以通过center、ljust、rjust方法做居中、左对齐和右对齐的处理。如果要在字符串的左侧补零，也可以使用zfill方法。

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s = 'hello, world'

# center方法以宽度20将字符串居中并在两侧填充*
print(s.center(20, '*'))  # ****hello, world****
# rjust方法以宽度20将字符串右对齐并在左侧填充空格
print(s.rjust(20))        #         hello, world
# ljust方法以宽度20将字符串左对齐并在右侧填充~
print(s.ljust(20, '~'))   # hello, world~~~~~~~~
# 在字符串的左侧补零
print('33'.zfill(5))      # 00033
print('-33'.zfill(5))     # -0033

我们之前讲过，在用print函数输出字符串时，可以用下面的方式对字符串进行格式化。

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a = 321
b = 123
print('%d * %d = %d' % (a, b, a * b))

当然，我们也可以用字符串的方法来完成字符串的格式，代码如下所示。

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a = 321
b = 123
print('{0} * {1} = {2}'.format(a, b, a * b))

从Python 3.6开始，格式化字符串还有更为简洁的书写方式，就是在字符串前加上f来格式化字符串，在这种以f打头的字符串中，{变量名}是一个占位符，会被变量对应的值将其替换掉，代码如下所示。

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a = 321
b = 123
print(f'{a} * {b} = {a * b}')

如果需要进一步控制格式化语法中变量值的形式，可以参照下面的表格来进行字符串格式化操作。

修剪操作

字符串的strip方法可以帮我们获得将原字符串修剪掉左右两端空格之后的字符串。这个方法非常有实用价值，通常用来将用户输入中因为不小心键入的头尾空格去掉，strip方法还有lstrip和rstrip两个版本，相信从名字大家已经猜出来这两个方法是做什么用的。

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s = '   jackfrued@126.com  \t\r\n'
# strip方法获得字符串修剪左右两侧空格之后的字符串
print(s.strip())    # jackfrued@126.com

替换操作

如果希望用新的内容替换字符串中指定的内容，可以使用replace方法，代码如下所示。replace方法的第一个参数是被替换的内容，第二个参数是替换后的内容，还可以通过第三个参数指定替换的次数。

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s = 'hello, world'
print(s.replace('o', '@'))     # hell@, w@rld
print(s.replace('o', '@', 1))  # hell@, world

拆分/合并操作

可以使用字符串的split方法将一个字符串拆分为多个字符串（放在一个列表中），也可以使用字符串的join方法将列表中的多个字符串连接成一个字符串，代码如下所示。

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s = 'I love you'
words = s.split()
print(words)            # ['I', 'love', 'you']
print('#'.join(words))  # I#love#you

需要说明的是，split方法默认使用空格进行拆分，我们也可以指定其他的字符来拆分字符串，而且还可以指定最大拆分次数来控制拆分的效果，代码如下所示。

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s = 'I#love#you#so#much'
words = s.split('#')
print(words)  # ['I', 'love', 'you', 'so', 'much']
words = s.split('#', 3)
print(words)  # ['I', 'love', 'you', 'so#much']

编码/解码操作

Python中除了字符串str类型外，还有一种表示二进制数据的字节串类型（bytes）。所谓字节串，就是由零个或多个字节组成的有限序列。通过字符串的encode方法，我们可以按照某种编码方式将字符串编码为字节串，我们也可以使用字节串的decode方法，将字节串解码为字符串，代码如下所示。

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a = '骆昊'
b = a.encode('utf-8')
c = a.encode('gbk')
print(b, c)  # b'\xe9\xaa\x86\xe6\x98\x8a' b'\xc2\xe6\xea\xbb'
print(b.decode('utf-8'))
print(c.decode('gbk'))

注意，如果编码和解码的方式不一致，会导致乱码问题（无法再现原始的内容）或引发UnicodeDecodeError错误导致程序崩溃。

其他方法

对于字符串类型来说，还有一个常用的操作是对字符串进行匹配检查，即检查字符串是否满足某种特定的模式。例如，一个网站对用户注册信息中用户名和邮箱的检查，就属于模式匹配检查。实现模式匹配检查的工具叫做正则表达式，Python语言通过标准库中的re模块提供了对正则表达式的支持，我们会在后续的课程中为大家讲解这个知识点。

简单的总结

知道如何表示和操作字符串对程序员来说是非常重要的，因为我们需要处理文本信息，Python中操作字符串可以用拼接、切片等运算符，也可以使用字符串类型的方法。

第11课：常用数据结构之集合

在学习了列表和元组之后，我们再来学习一种容器型的数据类型，它的名字叫集合（set）。说到集合这个词大家一定不会陌生，在数学课本上就有这个概念。通常我们对集合的定义是“把一定范围的、确定的、可以区别的事物当作一个整体来看待”，集合中的各个事物通常称为集合的元素。集合应该满足以下特性：

1. 无序性：一个集合中，每个元素的地位都是相同的，元素之间是无序的。
2. 互异性：一个集合中，任何两个元素都是不相同的，即元素在集合中只能出现一次。
3. 确定性：给定一个集合和一个任意元素，该元素要么属这个集合，要么不属于这个集合，二者必居其一，不允许有模棱两可的情况出现。

Python程序中的集合跟数学上的集合是完全一致的，需要强调的是上面所说的无序性和互异性。无序性说明集合中的元素并不像列中的元素那样一个挨着一个，可以通过索引实现随机访问（随机访问指的是给定一个有效的范围，随机抽取出一个数字，然后通过这个数字可以获取到对应的元素），所以Python中的集合肯定不能够支持索引运算。另外，集合的互异性决定了集合中不能有重复元素，这一点也是集合区别于列表的关键，说得更直白一些就是，Python中的集合类型会对其中的元素做去重处理。Python中的集合一定是支持in和not in成员运算的，这样就可以确定一个元素是否属于集合，也就是上面所说的集合的确定性。集合的成员运算在性能上要优于列表的成员运算，这是集合的底层存储特性（哈希存储）决定的，此处我们暂时不做讨论，大家可以先记下这个结论。

创建集合

在Python中，创建集合可以使用{}字面量语法，{}中需要至少有一个元素，因为没有元素的{}并不是空集合而是一个空字典，我们下一节课就会大家介绍字典的知识。当然，也可以使用内置函数set来创建一个集合，准确的说set并不是一个函数，而是创建集合对象的构造器，这个知识点我们很快也会讲到，现在不理解跳过它就可以了。要创建空集合可以使用set()；也可以将其他序列转换成集合，例如：set('hello')会得到一个包含了4个字符的集合（重复的l会被去掉）。除了这两种方式，我们还可以使用生成式语法来创建集合，就像我们之前用生成式创建列表那样。要知道集合中有多少个元素，还是使用内置函数len；使用for循环可以实现对集合元素的遍历。

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# 创建集合的字面量语法(重复元素不会出现在集合中)
set1 = {1, 2, 3, 3, 3, 2}
print(set1)         # {1, 2, 3}
print(len(set1))    # 3

# 创建集合的构造器语法(后面会讲到什么是构造器)
set2 = set('hello')
print(set2)         # {'h', 'l', 'o', 'e'}

# 将列表转换成集合(可以去掉列表中的重复元素)
set3 = set([1, 2, 3, 3, 2, 1])
print(set3)         # {1, 2, 3}

# 创建集合的生成式语法(将列表生成式的[]换成{})
set4 = {num for num in range(1, 20) if num % 3 == 0 or num % 5 == 0}
print(set4)         # {3, 5, 6, 9, 10, 12, 15, 18}

# 集合元素的循环遍历
for elem in set4:
    print(elem)

需要提醒大家，集合中的元素必须是hashable类型。所谓hashable类型指的是能够计算出哈希码的数据类型，大家可以暂时将哈希码理解为和变量对应的唯一的ID值。通常不可变类型都是hashable类型，如整数、浮点、字符串、元组等，而可变类型都不是hashable类型，因为可变类型无法确定唯一的ID值，所以也就不能放到集合中。集合本身也是可变类型，所以集合不能够作为集合中的元素，这一点在使用集合的时候一定要注意。

集合的运算

Python为集合类型提供了非常丰富的运算符，主要包括：成员运算、交集运算、并集运算、差集运算、比较运算（相等性、子集、超集）等。

成员运算

可以通过成员运算in和not in 检查元素是否在集合中，代码如下所示。

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set1 = {11, 12, 13, 14, 15}
print(10 in set1)        # False 
print(15 in set1)        # True
set2 = {'python', 'Java', 'Go', 'Swift'}
print('Ruby' in set2)    # False
print('Java' in set2)    # True

交并差运算

Python中的集合跟数学上的集合一样，可以进行交集、并集、差集等运算，而且可以通过运算符和方法调用两种方式来进行操作，代码如下所示。

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set1 = {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7}
set2 = {2, 4, 6, 8, 10}

# 交集
# 方法一: 使用 & 运算符
print(set1 & set2)                # {2, 4, 6}
# 方法二: 使用intersection方法
print(set1.intersection(set2))    # {2, 4, 6}

# 并集
# 方法一: 使用 | 运算符
print(set1 | set2)         # {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 10}
# 方法二: 使用union方法
print(set1.union(set2))    # {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 10}

# 差集
# 方法一: 使用 - 运算符
print(set1 - set2)              # {1, 3, 5, 7}
# 方法二: 使用difference方法
print(set1.difference(set2))    # {1, 3, 5, 7}

# 对称差
# 方法一: 使用 ^ 运算符
print(set1 ^ set2)                        # {1, 3, 5, 7, 8, 10}
# 方法二: 使用symmetric_difference方法
print(set1.symmetric_difference(set2))    # {1, 3, 5, 7, 8, 10}
# 方法三: 对称差相当于两个集合的并集减去交集
print((set1 | set2) - (set1 & set2))      # {1, 3, 5, 7, 8, 10}

通过上面的代码可以看出，对两个集合求交集，&运算符和intersection方法的作用是完全相同的，使用运算符的方式更直观而且代码也比较简短。相信大家对交集、并集、差集、对称差这几个概念是比较清楚的，如果没什么印象了可以看看下面的图。

集合的交集、并集、差集运算还可以跟赋值运算一起构成复合赋值运算，如下所示。

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set1 = {1, 3, 5, 7}
set2 = {2, 4, 6}
# 将set1和set2求并集再赋值给set1
# 也可以通过set1.update(set2)来实现
set1 |= set2
print(set1)    # {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7}
set3 = {3, 6, 9}
# 将set1和set3求交集再赋值给set1
# 也可以通过set1.intersection_update(set3)来实现
set1 &= set3
print(set1)    # {3, 6}

比较运算

两个集合可以用==和!=进行相等性判断，如果两个集合中的元素完全相同，那么==比较的结果就是True，否则就是False。如果集合A的任意一个元素都是集合B的元素，那么集合A称为集合B的子集，即对于$ \forall{a} \in {A}$，均有$ {a} \in {B} $，则$ {A} \subseteq {B} $，A是B的子集，反过来也可以称B是A的超集。如果A是B的子集且A不等于B，那么A就是B的真子集。Python为集合类型提供了判断子集和超集的运算符，其实就是我们非常熟悉的<和>运算符，代码如下所示。

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set1 = {1, 3, 5}
set2 = {1, 2, 3, 4, 5}
set3 = set2
# <运算符表示真子集，<=运算符表示子集
print(set1 < set2, set1 <= set2)    # True True
print(set2 < set3, set2 <= set3)    # False True
# 通过issubset方法也能进行子集判断
print(set1.issubset(set2))      # True

# 反过来可以用issuperset或>运算符进行超集判断
print(set2.issuperset(set1))    # True
print(set2 > set1)              # True

集合的方法

Python中的集合是可变类型，我们可以通过集合类型的方法为集合添加或删除元素。

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# 创建一个空集合
set1 = set()

# 通过add方法添加元素
set1.add(33)
set1.add(55)
set1.update({1, 10, 100, 1000})
print(set1)    # {33, 1, 100, 55, 1000, 10}

# 通过discard方法删除指定元素
set1.discard(100)
set1.discard(99)
print(set1)    # {1, 10, 33, 55, 1000}

# 通过remove方法删除指定元素，建议先做成员运算再删除
# 否则元素如果不在集合中就会引发KeyError异常
if 10 in set1:
    set1.remove(10)
print(set1)    # {33, 1, 55, 1000}

# pop方法可以从集合中随机删除一个元素并返回该元素
print(set1.pop())

# clear方法可以清空整个集合
set1.clear()

print(set1)    # set()

如果要判断两个集合有没有相同的元素可以使用isdisjoint方法，没有相同元素返回True，否则返回False，代码如下所示。

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set1 = {'Java', 'python', 'Go', 'Kotlin'}
set2 = {'Kotlin', 'Swift', 'Java', 'Objective-C', 'Dart'}
set3 = {'HTML', 'CSS', 'JavaScript'}
print(set1.isdisjoint(set2))    # False
print(set1.isdisjoint(set3))    # True

不可变集合

Python中还有一种不可变类型的集合，名字叫frozenset。set跟frozenset的区别就如同list跟tuple的区别，frozenset由于是不可变类型，能够计算出哈希码，因此它可以作为set中的元素。除了不能添加和删除元素，frozenset在其他方面跟set基本是一样的，下面的代码简单的展示了frozenset的用法。

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set1 = frozenset({1, 3, 5, 7})
set2 = frozenset(range(1, 6))
print(set1 & set2)    # frozenset({1, 3, 5})
print(set1 | set2)    # frozenset({1, 2, 3, 4, 5, 7})
print(set1 - set2)    # frozenset({7})
print(set1 < set2)    # False

简单的总结

Python中的集合底层使用了哈希存储的方式，对于这一点我们暂时不做介绍，在后面的课程有需要的时候再为大家讲解集合的底层原理，现阶段大家只需要知道集合是一种容器，元素必须是hashable类型，与列表不同的地方在于集合中的元素没有序、不能用索引运算、不能重复。

第12课：常用数据结构之字典

迄今为止，我们已经为大家介绍了Python中的三种容器型数据类型，但是这些数据类型仍然不足以帮助我们解决所有的问题。例如，我们要保存一个人的信息，包括姓名、年龄、体重、单位地址、家庭住址、本人手机号、紧急联系人手机号等信息，你会发现我们之前学过的列表、元组和集合都不是最理想的选择。

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person1 = ['王大锤', 55, 60, '科华北路62号', '中同仁路8号', '13122334455', '13800998877']
person2 = ('王大锤', 55, 60, '科华北路62号', '中同仁路8号', '13122334455', '13800998877')
person3 = {'王大锤', 55, 60, '科华北路62号', '中同仁路8号', '13122334455', '13800998877'}

集合肯定是最不合适的，因为集合有去重特性，如果一个人的年龄和体重相同，那么集合中就会少一项信息；同理，如果这个人的家庭住址和单位地址是相同的，那么集合中又会少一项信息。另一方面，虽然列表和元组可以把一个人的所有信息都保存下来，但是当你想要获取这个人的手机号时，你得先知道他的手机号是列表或元组中的第6个还是第7个元素；当你想获取一个人的家庭住址时，你还得知道家庭住址是列表或元组中的第几项。总之，在遇到上述的场景时，列表、元组、字典都不是最合适的选择，我们还需字典（dictionary）类型，这种数据类型最适合把相关联的信息组装到一起，并且可以帮助我们解决程序中为真实事物建模的问题。

说到字典这个词，大家一定不陌生，读小学的时候每个人基本上都有一本《新华字典》，如下图所示。

Python程序中的字典跟现实生活中的字典很像，它以键值对（键和值的组合）的方式把数据组织到一起，我们可以通过键找到与之对应的值并进行操作。就像《新华字典》中，每个字（键）都有与它对应的解释（值）一样，每个字和它的解释合在一起就是字典中的一个条目，而字典中通常包含了很多个这样的条目。

创建和使用字典

在Python中创建字典可以使用{}字面量语法，这一点跟上一节课讲的集合是一样的。但是字典的{}中的元素是以键值对的形式存在的，每个元素由:分隔的两个值构成，:前面是键，:后面是值，代码如下所示。

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xinhua = {
    '麓': '山脚下',
    '路': '道，往来通行的地方；方面，地区：南～货，外～货；种类：他俩是一～人',
    '蕗': '甘草的别名',
    '潞': '潞水，水名，即今山西省的浊漳河；潞江，水名，即云南省的怒江'
}
print(xinhua)
person = {
    'name': '王大锤', 'age': 55, 'weight': 60, 'office': '科华北路62号',
    'home': '中同仁路8号', 'tel': '13122334455', 'econtact': '13800998877'
}
print(person)

通过上面的代码，相信大家已经看出来了，用字典来保存一个人的信息远远优于使用列表或元组，因为我们可以用:前面的键来表示条目的含义，而:后面就是这个条目所对应的值。

当然，如果愿意，我们也可以使用内置函数dict或者是字典的生成式语法来创建字典，代码如下所示。

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# dict函数(构造器)中的每一组参数就是字典中的一组键值对
person = dict(name='王大锤', age=55, weight=60, home='中同仁路8号')
print(person)    # {'name': '王大锤', 'age': 55, 'weight': 60, 'home': '中同仁路8号'}

# 可以通过Python内置函数zip压缩两个序列并创建字典
items1 = dict(zip('ABCDE', '12345'))
print(items1)    # {'A': '1', 'B': '2', 'C': '3', 'D': '4', 'E': '5'}
items2 = dict(zip('ABCDE', range(1, 10)))
print(items2)    # {'A': 1, 'B': 2, 'C': 3, 'D': 4, 'E': 5}

# 用字典生成式语法创建字典
items3 = {x: x ** 3 for x in range(1, 6)}
print(items3)     # {1: 1, 2: 8, 3: 27, 4: 64, 5: 125}