全栈必备 你需要了解的Python编程基础

据说：

2019年， 浙江信息技术高考可以考python了；

2018年， Python 进入了小学生的教材；

2018年， 全国计算机等级考试，可以考python 了；

据外媒报道，微软正考虑添加 Python 为官方的一种 Excel 脚本语言

……

Python作为一种编程语言，被称为“胶水语言”，更被拥趸们誉为“最美丽”的编程语言，从云端到客户端，再到物联网终端，无所不在，同时还是人工智能优选的编程语言。

因此，从全栈的角度看， Python 是一门必备的语言，因为它是除了驱动和操作系统外，其他都可以做好。

不积跬步无以至千里，不积小流无以成江海。—— 荀子《劝学》

语法

Python使用空格或制表符缩进的方式分隔代码，Python 2 仅有31个保留字，而且没有分号、begin、end等标记。

可以组织成打油诗， 更方便记忆：

Global is class，def not pass。

if eilf else， del as break。

raise in while，import from yield，

try for print，return and assert。

exec except with lambda,

finally or continue……

python中没有提供定义常量的保留字，可以自己定义一个常量类来实现常量的功能。python中有3种表示字符串类型的方式，即单引号、双引号、三引号。单引号和双引号的作用是相同的，python程序员更喜欢用单引号，C/Java程序员则习惯使用双引号表示字符串。三引号中可以输入单引号、双引号或换行等字符。python不支持自增运算符和自减运算符，其他运算符和表达式都是类似的，尤其是分支判断和循环。

Python的文件类型分为3种，即源代码、字节代码和优化代码。这些都可以直接运行，不需要进行预编译或连接。

数据类型

Python中的基本数据类型有布尔类型，整数，浮点数和字符串等。

Python 中的数据结构主要有元组（tuple），列表（list）和字典（dictionary）。元组、列表和字符串都属于序列,是具有索引和切片能力的集合。

元组初始化后不可修改，是写保护的。元组往往代表一行数据，而元组中的元素代表不同的数据项，可以把元组看做不可修改的数组。

tuple_name=(“you”,”me”,”him”,”her”)

列表可转换为元组，是传统意义上的数组，可以实现添加、删除和查找操作，元素的值可以被修改。

list_name=[“you”,”me”,”him”,”her”]

字典是键值对,相对于哈希表。

dict_name={“y”:”you”, “m”:”me”, “hi”:”him”, “he”:”her”}

列表推导（List Comprehensions）是构建列表的快捷方式, 可读性较好且效率更高. 运用列表生成式，可以快速生成list，例如 得到当前目录下的所有目录和文件：

>>> import os

>>> [d for d in os.listdir('.')]

也可以通过一个list推导出另一个list，代码简洁，例如 将一个列表中的元素都变成小写：

>>> L = ['Hello', 'World', 'IBM', 'Apple']

>>> [s.lower() for s in L]

通过这些基本类型，可以组成更有针对性需求的数据结构，例如字典嵌套形成的树等， 针对更复杂的数据结构， Python 中提供了大量的库。

类与继承

python用class来定义一个类，当所需的数据结构不能用简单类型来表示时，就需要定义类，然后利用定义的类创建对象。当一个对象被创建后，包含了三方面的特性，即对象的句柄、属性和方法。创建对象的方法：

abel = Abel()

Abel.do()

类的方法同样分为公有方法和私有方法。私有函数不能被该类之外的函数调用，私有的方法也不能被外部的类或函数调用。python使用函数”staticmethod()“或”@ staticmethod“的方法把普通的函数转换为静态方法，相当于全局函数。python的构造函数名为init，析构函数名为del。继承的使用方法：

class AbelApp(abel):

def …

Python 中的变量名解析遵循LEGB原则，本地作用域（Local），上一层结构中的def或Lambda的本地作用域（Enclosing），全局作用域（Global），内置作用域（Builtin），按顺序查找。

和变量解析不同，Python 会按照特定的顺序遍历继承树，就是方法解析顺序（Method Resolution Order，MRO）。类都有一个名为mro 的属性，值是一个元组，按照方法解析顺序列出各个超类，从当前类一直向上，直到 object 类。这里我还是要推荐下我自己的Python学习交流裙：五八八零九零九四二 不定期分享干货，包括我自己整理的一份2018最新的Python资料和零基础入门教程，欢迎各位小伙伴。

Python 中有一种特殊的类是元类（metaclass）。元类是由“type”衍生而出，所以父类需要传入type，元类的操作都在 new中完成。通过元类创建的类，第一个参数是父类，第二个参数是metaclass。

包与模块

python程序由包(package)、模块(module)和函数组成。包是由一系列模块组成的集合。包必须含有一个init.py文件，它用于标识当前文件夹是一个包。

模块是处理某一类问题的函数和类的集合。模块把一组相关的函数或代码组织到一个文件中，一个文件即是一个模块。模块由代码、函数和类组成。导入模块使用import语句，不过模块不限于此，还可以被 import 语句导入的模块共有以下四类:

使用Python写的程序( .py文件)

C或C++扩展(已编译为共享库或DLL文件)

包(包含多个模块)

内建模块(使用C编写并已链接到Python解释器内)

Python 提供内建函数__import__动态加载 module,import 本质上是调用 __import__加载 module 的， 函数原型如下：

__import__(name, globals={}, locals={}, fromlist=[], level=-1)

例如，加载名为 abel的目录下所有模块：

def loadModules():

res = {}

import os

lst = os.listdir("abel")

dir = []

for d in lst:

dir.append(d)

# load the modules

for d in dir:

res[d] = __import__("abel." + d, fromlist = ["*"])

return res

需要注意的是，如果输入的参数如果带有 “.”，采用 __import__直接导入 module 容易造成意想不到的结果。 OpenStack 的 oslo.utils 封装了 __import__，支持动态导入 class, object 等。

命名规范

Python 中的naming convention 以及 coding standard 有很多好的实践，例如Google 的Python 编程规范等。 就命名规范而言， 可以参见Python之父Guido推荐的规范，见下表：

迭代器

迭代是数据处理的基础， 采用一种惰性获取数据的方式, 即按需一次获取一个数据，这就是迭代器模式. 迭代器是一个带状态的对象，检查一个对象 a 是否是迭代对象, 最准确的方法是调用 iter(a) , 如果不可迭代, 则抛出 TypeError 异常.

标准的迭代器接口有两个方法:

__next__: 返回下一个可用元素, 如没有, 抛出StopIteration 异常.

__iter__: 返回self , 以便在应该使用可迭代对象的地方使用迭代器.

可迭代对象一定不能是自身的迭代器. 也就是说, 可迭代对象必须实现 __iter__方法, 但不能实现 __next__ 方法.

实现一个斐波那契数列的迭代器例子如下：

class Fibonacci:

def __init__(self):

self.prevous = 0

self.current = 1

def __iter__(self):

return self

def __next__(self):

value = self.current

self.current = self.prevous + self.current

self.prevous = value

return value

迭代器就是实现了工厂模式的对象，有很多关于迭代器的例子，比如itertools函数返回的都是迭代器对象。

生成器

生成器算得上是Python中最吸引人的特性之一，生成器其实是一种特殊的迭代器，但不需要写__iter__()和__next__()方法了，只需要一个yiled关键字即可。python中的 yield 关键字, 用于构建生成器(generator), 其作用与迭代器一样. 还以斐波那契数列为例：

def Fibonacci():

prevous, current = 0, 1

while True:

yield current

prevous, current = current, current + prevous

所有的生成器都是迭代器, 都实现了迭代器的接口。 一般地，只要python函数的定义体中使用了 yield 关键字, 该函数就是生成器函数. 调用生成器函数时, 会返回一个生成器对象。也就是说, 生成器函数是生成器工厂。

生成器函数会创建一个生成器对象, 包装生成器函数的定义体. 把生成器传给 next(…) 函数时, 生成器函数会向前执行函数体中下一个 yield 语句, 返回产出的值, 并在函数定义体的当前位置暂停.

(图片来自http://nvie.com/posts/iterators-vs-generators/）

需要注意的是， 在协程中, yield 通常出现在表达式的右边(data = yield), 可以产出值, 也可以不产出(如果yield后面没有表达式, 那么会出None)。 协程可能会从调用方接收数据, 调用方把数据提供给协程使用 通过的是 .send(data) 方法. 而不是 next(…) . 通常, 调用方会把值推送给协程.

生成器调用方是一直获取数据, 而协程调用方可以向它传入数据, 协程也不一定要产出数据。不管数据如何流动, yield 都是一种流程控制工具, 使用它可以实现写作式多任务即，协程可以把控制器让步给中心调度程序, 从而激活其他的协程.

描述符

描述符是一种创建托管属性的方法，托管属性还可用于保护属性不受修改，或自动更新某个依赖属性的值。描述符是一种在多个属性上重复利用同一个存取逻辑的方式，能劫持那些本应对于self.__dict__的操作。在其他编程语言中，描述符被称作 setter 和 getter，用于获得 (Get) 和设置 (Set) 一个私有变量。Python 没有私有变量的概念，而描述符可以作为一种 Python 的方式来实现与私有变量类似的功能。

静态方法、类方法、property都是构建描述符的类。创建描述符的方式主要有3种：

1.创建一个类并覆盖任意一个描述符方法：__set__、__ get__ 和 __delete__。当需要某个描述符跨多个不同的类和属性的时候，例如类型验证，则使用该方法，例如：

class MyNameDescriptor(object):

def __init__(self):

self._myname = ''

def __get__(self, instance, owner):

return self._myname def __set__(self, instance, myname):

self._myname = myname.getText() def __delete__(self, instance):

del self._myname

2.使用属性类型可以更加简单、灵活地创建描述符。通过使用 property()，可以轻松地为任意属性创建可用的描述符。

class Student(object):

def __init__(self):

self._sname = ''

def fget(self):

return self._sname def fset(self, value):

self._sname = value.title() def fdel(self):

del self._sname

name = property(fget, fset, fdel, "This is the property.")

3.使用属性描述符，它结合了属性类型方法和 Python装饰器。

class Student(object):

def __init__(self):

self._sname = ''

@property

def name(self):

return self._sname @name.setter

def name(self, value):

self._sname = value.title() @name.deleter

def name(self):

del self._sname

另外，还可以在运行时动态创建描述符。 描述符有很多经典的应用，例如Protobuf。

装饰器

装饰器(Decorator)是可调用的对象, 其参数是另一个函数(被装饰的函数). 装饰器可能会处理被装饰的函数, 然后把它返回, 或者将其替换成另一个函数或可调用对象.实际上装饰器就是一个高阶函数，它接收一个函数作为参数，然后返回一个新函数。

装饰器有两大特征:

把被装饰的函数替换成其他函数

装饰器在加载模块时立即执行

python内置了三个用于装饰方法的函数: property、classmethod 和 staticmethod. 当装饰器不关心被装饰函数的参数，或是被装饰函数的参数多种多样的时候，可变参数非常适合使用。

如果一个函数被多个装饰器修饰，其实应该是该函数先被最里面的装饰器修饰，变成另一个函数后，再次被装饰器修饰。例如：

def second(func):

print "running 2nd decorator"

def wrapper():

func()

return wrapper

def fisrt(func):

print "running 1st decorator"

def wrapper():

func()

return wrapper

@second

@first

def myfunction():

print "running myfunction"

就扩展功能而言，装饰器模式比子类化更加灵活。

在设计模式中，具体的装饰器实例要包装具体组件的实例，即装饰器和所装饰的组件接口一致，对使用该组件的客户端透明，并将客户端的请求转发给该组件，并且可能在转发前后执行一些额外的操作，透明性使得可以递归嵌套多个装饰器，从而可以添加任意多个功能。装饰器模式和Python装饰器之间并不是一对一的等价关系，Python装饰器函数更为强大，不仅仅可以实现装饰器模式。

Lambda

Python 不是纯萃的函数式编程语言，但本身提供了一些函数式编程的特性，像 map、reduce、filter等都支持函数作为参数，lambda 函数函数则是函数式编程中的翘楚。

Lambda 函数又称匿名函数，在某种意义上，return语句隐含在lambda中。和其他很多语言相比，Python 的 lambda 限制很多，最严重的是它只能由一条表达式组成。lambda规范必须包含只有一个表达式，表达式必须返回一个值，由lambda创建一个匿名函数隐式地返回表达式的返回值。

在PySpark 中经常会用到使用Lambda 的操作，例如：

li = [1, 2, 3, 4, 5]

### 列表中国年的每个元素加5

map(lambda x: x+5, li)

### 返回其中的偶数

filter(lambda x: x % 2 == 0, li) # [2, 4]

### 返回所有元素的乘积

reduce(lambda x, y: x * y, li)

lambda 可以接收任意多个参数 (包括可选参数) 并且返回单个表达式的值。

本质上，Lambda 函数是一个只与输入参数有关的抽象代码树片段。在很多语言里，lambda 函数的调用会被套上一层接口，还会形成闭包，在 lambda 函数构造的同时就可以完成，之后 lambda 函数内部就是完全静态的。而一般的函数还要加上存储局部变量的区域，对外部环境的操作，以及命名，大部分语言强制了一般函数必须与名字绑定。

线程

python是支持多线程的, python的线程就是C语言的一个pthread，并通过操作系统调度算法进行调度。 python 的thread模块是轻量级的，而threading模块是对thread做了一些封装，方便使用。threading 经常和Queue结合使用,Queue模块中提供了同步的、线程安全的队列类，包括FIFO队列，LIFO队列，和优先级队列等。这些队列都实现了锁，能够在多线程中直接使用，可以使用队列来实现线程间的同步。

运行线程(线程中包含name属性)的两种常用方式如下:

在构造函数中传入用于线程运行的函数

在子类中重写threading.Thread基类中run()方法(只需重写init()和run()方法)

实现一个守护线程的简单例子如下：

class MyThread(threading.Thread):

def run(self):

time.sleep(30)

print 'thread %s finished.' % self.name

def MyDaemons():

print 'start thread:'

for i in range(5):

t = MyThread()

t.setDaemon(1)

t.start()

print 'end thread.'

if __name__ == '__main__':

MyDaemons()

为了避免线程不同步造成数据不同步，可以对资源进行加锁，也就是访问资源的线程需要获得锁，才能访问。threading 模块中提供了一个 Lock 功能。从Python3.X开始，标准库为提供了concurrent.futures模块，其中的ThreadPoolExecutor和ProcessPoolExecutor两个类，实现了对threading和multiprocessing的进一步抽象，对编写线程池提供了直接支持。

线程在python 被诟病的是，由于GIL的机制致使多线程不能利用机器多核的特性。其实，GIL并不是Python的特性，只是在实现Python解析器(CPython)的时侯所引入的。尽管Python完全支持多线程编程， 但解释器的C语言实现部分在完全并行执行时并不是线程安全的，解释器被一个全局锁即GIL保护着，它确保任何时候都只有一个Python线程执行。

在多线程环境中，Python 虚拟机按以下方式执行:

设置GIL

切换到一个线程去执行

运行指定的字节码指令集合

线程主动让出控制

把线程设置完睡眠状态

解锁GIL

再次重复以上步骤

因此，Python的多线程在多核CPU上，只对于IO密集型计算产生正面效果；而当有至少有一个CPU密集型线程存在，那么多线程效率会由于GIL而大幅下降。

GC

Python 中的GC为可配置的垃圾回收器提供了一个接口。通过它可以禁用回收器、调整回收频率以及设置debug选项，也为用户能够查看那些无法回收的对象。

需要了解GC 的两个重要函数是gc.collect（） 和 gc.set_threshold（）。

gc.collect([generation])触发回收行为，返回unreachable object的数量。generation可选参数，用于指定回收第几代垃圾回收，由此也可看出python使用的是分代垃圾回收。如果不提供参数，表示对整个堆进行回收，即Full GC。

gc.set_threshold(threshold0[,threshold1[,threshold2)设置不同代的回收频率，GC会把生命周期不同的对象分别放到3种代去管理回收，generation 0即传说中的年轻代，generation 1为老年代等。

一般地，通过比较上次回收之后，比较分配的资源数和释放的资源数来决定是否启动回收，比如，当分配的资源减去释放的资源数超过阈值0时，回收年轻代的对象。相应的，可以通过gc.get_referents(*objs)得到对objs任一对象引用的所有对象列表。

在要求极限性能的情况下，并确保程序不会造成对象循环引用的时候，可以禁掉垃圾回收器。通过使用gc.disable()，可以禁掉自动垃圾回收器。

1. gc.enable()：激活GC

2. gc.disable()：禁用GC

3. gc.isenabled():检查是否激活

同时，可以用gc.set_debug(gc.DEBUG_LEAK)来调试有内存泄露的程序。除此之外，还有DEBUG_SAVEALL，该选项能够让被回收的对象保存在gc.garbage里面，以便检查。

调试

iPDB是一个不错的工具，通过 pip install ipdb 安装该工具，然后在你的代码中import ipdb; ipdb.set_trace()，然后在程序运行时，会获得一个交互式提示，每次执行程序的一行并且检查变量。示例代码如下：

import ipdb

ipdb.set_trace()

ipdb.set_trace(context=5) # will show five lines of code

# instead of the default three lines

ipdb.pm()

ipdb.run('x[0] = 3')

result = ipdb.runcall(function, arg0, arg1, kwarg='foo')

result = ipdb.runeval('f(1,2) - 3')

另外，python内置了一个很好的追踪模块，当希望搞清其他程序的内部构造的时候，这个功能非常有用。

python -m trace --trace tracing.py

在一些场合，可以使用pycallgraph来追踪性能问题，它可以创建函数调用时间和次数的图表。同时，objgraph对于查找内存泄露非常有用。

当然， 在Python 程序员八荣八耻中谈到“以打印日志为荣 , 以单步跟踪为耻“，日志在很多时候都是调试的不二法门。

性能优化中的雕虫小技

从时空的角度看，优化通常包含两方面的内容：减小代码的体积，提高代码的运行效率。

一个良好的算法往往对性能起到关键作用，因此性能改进的首要点是对算法的改进。在算法的时间复杂度排序上依次是：

O(1) -> O(log n) -> O(n) -> O(n log n) -> O(n^2) -> O(n^3) -> O(n^k) -> O(k^n) -> O(n!)

因此能在时间复杂度上对算法进行一定的改进，对性能的提高不言而喻。

Python 字典中查找操作的复杂度为O(1)，而list 实际是个数组，在list 中查找需要遍历整个表，其复杂度为O(n)，因此对成员的读操作字典要比列表 更快。在需要多数据成员进行频繁访问的时候，字典是一个较好的选择。set的union， intersection，difference操作要比list的迭代要快。因此如果涉及到求list交集，并集或者差的问题可以转换为set来操作。

对循环的优化所遵循的原则是尽量减少循环过程中的计算量，有多重循环的尽量将内层的计算提到上一层。 在循环的时候使用 xrange 而不是 range，因为 xrange() 在序列中每次调用只产生一个整数元素。而 range() 将直接返回完整的元素列表，用于循环时会有不必要的开销。另外，while 1 要比 while True 更快。另外，要充分利用Lazy if-evaluation的特性，也就是说如果存在条件表达式if x and y，在 x 为false的情况下y表达式的值将不再计算。

python中的字符串对象是不可改变的，因此对任何字符串的操作如拼接，修改等都将产生一个新的字符串对象，而不是基于原字符串，因此这种持续的copy会在一定程度上影响python的性能。因此，在字符串连接的使用尽量使用join()而不是+，当对字符串处理的时候，首选内置函数，对字符进行格式化比直接串联读取要快，尽量使用列表推导和生成器表达式。

优化的前提是需要了解性能瓶颈在什么地方，对于比较复杂的代码可以借助一些工具来定位，如profile。profile的使用非常简单，只需要在使用之前进行import即可。对于profile的剖析数据，如果以二进制文件的时候保存结果的时候，可以通过pstats模块进行文本报表分析，它支持多种形式的报表输出，是文本界面下一个较为实用的工具。

Python性能优化除了改进算法，选用合适的数据结构之外，还可以将关键python代码部分重写成C扩展模块，或者选用在性能上更为优化的解释器等。

强大的库

Python最棒的地方之一，就是大量的第三方库，覆盖之广，令人惊叹。Python 库有一个缺陷就是默认会进行全局安装。为了使每个项目都有一个独立的环境，需要使用工具virtualenv，再用包管理工具pip和virtualenv配合工作。

尽管都可以求助于google或者baidu，但还要不自量力，按照个人认知给出一个列表，如下：

虽然罗列很多，但终归是沧海一粟，重要的是，这些都是开源的。

不是小结的小结

语法数据，类与继承；

包与模块，规范命名；

描述装饰，迭代生成；

Lambda GC， 并发线程；

调试优化，类库无穷；

人生苦短，Python 编程。