朱廣蔚 ·Python 簡介及應用領域
1. Python 是一種易學易用、功能強大的高級程序設計語言
1.1 Python 是什么
Python 是一種高級程序設計語言，用接近人類語言的方式描述計算的過程。例如，計算" 1 加 2"的結果并將結果打印輸出，使用 Python 完成這項功能，編寫的 Python 程序內(nèi)容如下：
print(1 + 2)
這個 Python 程序首先計算 1 + 2，然后使用 print 的功能將 1 + 2 的結果輸出到屏幕，輸出結果為：
3
從這個程序可以直觀的感受到 Python 的簡單易學，即使沒有編程基礎，也能看懂和理解這段程序。
1.2 Python 的特色和優(yōu)點
- 入門簡單，對初學者友好
在介紹 Python 語言時，通常會提到 Python 是一門易學的編程語言，易學是 Python 最鮮明的特色。相對于 C、C++、Java 等編程語言，Python 的易學體現(xiàn)在它的學習曲線非常的平緩，如果學習曲線如果太陡峭，顯然不適合一般人去學習掌握，大部分人沒入門就放棄了。
今年 11 月15 日，年過半百的 SOHO 中國董事長潘石屹在微博上宣布，正式開始學習Python，占據(jù)了熱搜榜，表明了 Python 語言的簡單易學已經(jīng)深入人心。
- 高級語言，不用考慮底層硬件細節(jié)
程序設計語言被分類為高級語言和低級語言：使用低級語言編寫程序時，程序員需要考慮底層硬件細節(jié)，例如：手工的分配和釋放內(nèi)存，程序編寫時繁瑣易錯；而使用高級語言編寫程序時，高級語言會自動的處理底層硬件細節(jié)，例如：自動的釋放不再使用的內(nèi)存，程序員不用考慮底層硬件細節(jié)，專注于解決問題本身。
Python 是一種典型的高級語言，向程序員屏蔽了底層硬件細節(jié)。例如，Python 程序既可以在 x86 處理器上運行，也可以在 arm 處理器上運行，程序員不需要了解 x86 處理器和 arm 處理器的指令，就可以完成計算"1 加 2"這樣的任務。
- 語法簡潔直觀
Python 語法接近自然語言，提供了很多簡潔、直觀和易于理解的表達方式，非常適用來描述求解問題的邏輯。實現(xiàn)相同程序功能時，Python 語言的代碼行數(shù)僅相當于其他語言的 1/5 至 1/10。更少的代碼行數(shù)、更簡潔的表達方式可減少程序錯誤以及縮短開發(fā)周期。
- 強大的標準庫和第三方庫
Python 語言可以將復雜的功能封裝為模塊（又稱為庫），將功能實現(xiàn)的細節(jié)隱藏起來，使用該模塊（庫）的程序員不需要了解實現(xiàn)的細節(jié)。通過調(diào)用模塊封裝好的功能，可以用僅僅幾行 Python 代碼實現(xiàn)某項復雜的功能，例如可以用一行代碼就實現(xiàn)一個 Web 服務器。
在 Python 的應用領域中，如：web 開發(fā)、人工智能、網(wǎng)絡爬蟲、數(shù)據(jù)分析等領域，已經(jīng)存在了大量的模塊，程序使用這些模塊就可以輕松開發(fā)出應用程序。
Python 的標準庫是隨著 Pyhon 安裝的時候默認自帶的庫，提供了有文本處理、系統(tǒng)管理、網(wǎng)絡處理等功能。Python 的第三方庫，是由各家廠商和 Python 愛好者開發(fā)的庫，第三方庫需要下載后安裝到 Python 的安裝目錄下。強大的標準庫和第三方庫，讓 Python 程序員能夠輕松實現(xiàn)各種復雜的功能。
1.3 Python 的缺點
和 C、C++ 等編程語言相比，Python 程序的運行性能很差，這是 Python 語言最主要的缺點。例如，編寫一個以數(shù)學計算為主的程序，完成相同功能的 Python 程序的運行性能只有 C 程序的千分之一左右。
在實際的應用場景中，Python 的缺點并不會成為系統(tǒng)的瓶頸，原因如下：
-
在應用領域中，程序運行時大部分時間進行的是 IO 處理，少部分時間進行數(shù)學計算。
-
在 Web 后端開發(fā)中，Python 程序接受來自網(wǎng)絡的請求，處理請求時讀寫數(shù)據(jù)庫，最后將處理結果通過網(wǎng)絡返回，大量的時間花費在網(wǎng)絡 IO 和數(shù)據(jù)庫 IO 上，因此 Python 的數(shù)學運算性能對程序的整體影響不大。
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發(fā)揮 C 語言和 Python 語言兩者各自的優(yōu)勢，使用 C 語言完成對計算性能要求高的功能，使用 Python 語言封裝 C 語言實現(xiàn)的功能模塊。
Python 的 NumPy (Numerical Python) 庫，是一個針對矩陣運算的數(shù)學函數(shù)庫，該庫由 Python 語言和 C 語言混合開發(fā)而成：底層的數(shù)學運算功能由 C 語言實現(xiàn)，面向用戶的接口使用 Python 語言實現(xiàn)。用戶使用 Python 語言調(diào)用底層的 C 語言模塊，從而兼顧了開發(fā)效率和運行效率。
2. Python 的歷史和現(xiàn)狀
2.1 Python 的歷史
Python 的創(chuàng)始人為荷蘭人 Guido van Rossum。1982年，Guido 從阿姆斯特丹大學(University of Amsterdam)獲得了數(shù)學和計算機碩士學位。
在80年代，個人電腦的配置很低，比如早期的 Macintosh，只有 8MHz 的 CPU 主頻和 128KB 的 RAM。為了增進程序的運行效率，程序語言也迫使程序員像計算機一樣思考，以便能寫出充分利用計算機性能的程序。
Guido 使用 C 語言的過程中，感受到 C 語言的開發(fā)效率很低，需要耗費大量的時間編寫 C 程序。他的另一個選擇是 Shell。 Shell 是 UNIX 操作系統(tǒng)提供的腳本語言。UNIX 的管理員常常用 Shell 去寫一些簡單的腳本，以進行一些系統(tǒng)維護的工作，比如定期備份。Shell 可以像膠水一樣，將 UNIX 下的許多功能連接在一起。許多 C 語言下上百行的程序，在 Shell 下只用幾行就可以完成。
Shell 的本質(zhì)是調(diào)用命令來完成復雜的功能，它缺乏編程語言的若干重要特性。例如，Shell 缺乏復雜的數(shù)據(jù)結構：列表、字典、結構體，因此不適用于實現(xiàn)復雜的功能。Guido 希望有一種語言，這種語言能夠像 C 語言那樣，具備完整的編程語言特性，又可以像 Shell 那樣，具有很高的開發(fā)效率。
1989 年圣誕節(jié)期間，在阿姆斯特丹，Guido 為了打發(fā)圣誕節(jié)的無趣，決心開發(fā)一個新的程序語言 Python。Guido 將 Python（大蟒蛇）作為該編程語言的名字，是取自英國 20 世紀 70 年代首播的電視喜劇《蒙提.派森的飛行馬戲團》（Monty Python’s Flying Circus），因此 Python 語言的 logo 是一條蟒蛇。
1991 年，第一個 Python 解釋器誕生，它是用 C 語言實現(xiàn)的，又被稱為 CPython。Python 從一開始就具有良好的可擴展性，可以用 C 語言編寫模塊，在 Python 程序中使用這些使用 C 語言開發(fā)的模塊。
1999 年，Guido 向 DARPA 提交了一條名為 “Computer Programming for Everybody” 的資金申請，并在后來說明了他對 Python 的目標：
- 一門簡單直觀的語言并與主要競爭者一樣強大
- 開源，以便任何人都可以為它做貢獻
- 代碼像純英語那樣容易理解
- 適用于短期開發(fā)的日常任務
這些想法中的基本都已經(jīng)成為現(xiàn)實，Python 已經(jīng)成為一門流行的編程語言。
2.2 Python 2 和 Python 3
Python 有兩個主要的版本: Python 2 與 Python 3。Python 3 相對于 Python 2 是一個重大的升級，Python 3 與 Python 2 兩者的語法不兼容。最近這幾年 Python 3 的使用率急劇上升，Python 2 將逐步退出舞臺。因此，學習 Python 應該選擇 Python 3。
2.3 Python 的現(xiàn)狀
Python 自 1989 年誕生以來，經(jīng)歷了 30 年的發(fā)展，已經(jīng)成為流行的編程語言之一。TIOBE 編程語言排行榜根據(jù)互聯(lián)網(wǎng)上程序員、教程和第三方廠商的數(shù)量，并使用搜索引擎統(tǒng)計出編程語言的排名數(shù)據(jù)，反映了某個編程語言的熱門程度。下圖為 2019 年 12 月份的 TIOBE 編程語言排行榜。TIOBE 編程語言排行榜表明 Python 語言的熱門程度已經(jīng)成為僅次于 Java 語言 和 C 語言。
2017 年 10 月，教育部考試中心發(fā)布《關于全國計算機等級考試體系調(diào)整的通知》，新增 Python 語言程序設計科目。2018 年 9 月，舉行了首考。Python 編程語言作為一種國家標準進入了中國的考試認證體系，這是一個里程碑性質(zhì)的事件，意味著 Python 語言在國內(nèi)教育領域得到官方的正式認同，在部分高校，Python 程序設計已經(jīng)成為一門必修課程。無論是計算機專業(yè)的院系還是非計算機專業(yè)的院系，開設 Python 程序設計課程，已經(jīng)成為一種趨勢。
Python 在國內(nèi)工業(yè)界得到了廣泛的應用和認可，并且Python 的人才易于培養(yǎng)和招聘，國內(nèi)的互聯(lián)網(wǎng)的領頭企業(yè)提供了大量的和 Python 的工作崗位，下圖為騰訊發(fā)布的 Python 的工作崗位。
3. Python 的應用領域
3.1 教學
Python 可以作為《程序設計語言》課程的教學語言，在教學領域得到了國際和國內(nèi)知名高高校認可。以世界著名的麻省理工學院 (MIT)為例，《計算機科學及編程導論》在 MIT 的課程編號是 6.00.1，是 MIT 計算機科學及工程學院的經(jīng)典課程。之前，課程一直使用 Scheme 作為教學語言，不過由于 Python 簡單、易學等原因，近年來已經(jīng)改用 Python 作為教學語言了。
3.2 后端開發(fā)
在 Web 應用中，用戶通過瀏覽器向服務器提交請求，服務器接收到請求后，對用戶的請求進行處理，再將結果返回給用戶。例如，使用 baidu 搜索引擎的過程如下：
- 用戶在 baidu 的搜索框中，輸入關鍵字 “手機”，瀏覽器將關鍵字 “手機” 發(fā)送到 baidu 的服務器。
- baidu 服務器收到查詢手機的請求，在數(shù)據(jù)庫查找和手機相關的網(wǎng)頁，按照與關鍵詞的相關性進行排序，再將排序結果發(fā)送給用戶。
- 瀏覽器收到服務器的查詢結果后，顯示與 “手機” 相關的網(wǎng)頁列表。
在以上的 3 個步驟中，與用戶交互的部分稱之為前端，在服務器處理的用戶請求的部分稱為后端。Python 提供了大量的模塊和框架可以用于后端開發(fā)。有很多知名的網(wǎng)站后端采用了 Python，例如，國內(nèi)的豆瓣就是一個應用Python打造的非常成功的 Web 2.0 站點。
3.3 網(wǎng)絡爬蟲
網(wǎng)絡爬蟲，又被稱為網(wǎng)頁蜘蛛、網(wǎng)絡機器人，是一種按照一定的規(guī)則，自動地抓取網(wǎng)頁的程序。網(wǎng)絡爬蟲把網(wǎng)站的網(wǎng)頁下載到在本地，然后對下載的網(wǎng)頁進行關鍵字提取和數(shù)據(jù)分析。例如，baidu 搜索引擎使用到大量的網(wǎng)絡爬蟲，過程如下：
- 選擇站點作為爬蟲的目標。
- 按照一定的策略，抓取該站點的網(wǎng)頁。
- 對下載的網(wǎng)頁進行關鍵字提取，建立索引。
Python 提供了大量的模塊和框架可以用于網(wǎng)絡爬蟲。例如，Python 提供了 requests 模塊根據(jù)指定的 url 抓取網(wǎng)頁。Python 同時提供了網(wǎng)絡爬蟲框架，例如 Scrapy，基于 Scapy 框架開發(fā)可以快速實現(xiàn)抓取 web 站點并從頁面中提取結構化的數(shù)據(jù)。
3.4 自動化運維
一個互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品的生成一般經(jīng)歷的過程是：需求分析、研發(fā)部門開發(fā)、測試部門測試、運維部門部署發(fā)布以及長期的運行維護。運行維護的日程主要工作包括服務部署、服務監(jiān)控等。運維的工作繁瑣重復，即使最謹慎的人，也會犯錯，尤其是面對著重復性工作。通過運維自動化工具來完成這樣的工作，錯誤率將大大降低。
Python 提供了各種自動化運維工具，能滿足絕大部分自動化運維的需求，包括：
- 服務部署工具，當應用較為簡單時，只需要在少量服務器上部署少量的服務，可以采用人工操作；當應用較復雜，需要在大量服務器上部署大量的服務，采用服務部署工具可以一鍵實現(xiàn)在多臺服務器上自動化部署多項服務。
- 服務監(jiān)控工具，對服務運行的狀態(tài)進行實時的監(jiān)控，隨時發(fā)現(xiàn)服務的運行異常和資源消耗情況；對服務出現(xiàn)的任何異常進行及時處理，盡可能避免問題的擴大化甚至中止服務。
3.5 自動化測試
自動化測試，顧名思義是指自動完成測試工作。通過工具模擬人工的操作過程，并驗證其結果，這樣的測試過程，就是是自動化測試。自動化測試節(jié)約了批人力成本，讓機器執(zhí)行大量的重復繁瑣的勞動。
Python 提供了眾多的自動化測試框架，可以實現(xiàn)：
- 單元測試：簡化單元測試的編寫。
- 對 GUI 程序的自動化測試：Python 提供了模擬鼠標的單擊和移動、鍵盤輸入等功能，模擬用戶操作 GUI 程序。
- Web 自動化測試：Python 提供了模擬鼠標的單擊和移動、鍵盤輸入等功能，模擬用戶操作瀏覽器。
- 性能測試：使用代碼模擬大批量用戶，讓用戶并發(fā)請求，統(tǒng)計系統(tǒng)負載能力并生成報告。
3.6 數(shù)據(jù)分析
數(shù)據(jù)分析是指對數(shù)據(jù)搜集、整理、分析，并依據(jù)數(shù)據(jù)做出評估和預測?，F(xiàn)在是一個依靠數(shù)據(jù)競爭的時代，世界 500 強企業(yè)中，有 90% 以上都建立了數(shù)據(jù)分析部門。IBM、微軟、Google 等知名公司都積極投資數(shù)據(jù)業(yè)務，建立數(shù)據(jù)部門，培養(yǎng)數(shù)據(jù)分析團隊。
Python 提供了和數(shù)據(jù)分析相關的模塊，典型的包括：
- numpy，用于數(shù)學計算，如矩陣計算。
- pandas，基于 numpy 數(shù)據(jù)分析工具，提供了大量能使我們快速便捷地處理數(shù)據(jù)的函數(shù)和方法。
- matplotlib：用于數(shù)據(jù)結果的可視化，將數(shù)據(jù)展現(xiàn)為散點圖、折線圖、直方圖、柱狀圖、餅圖等直觀的形式。
3.7 人工智能
人工智能（Artificial Intelligence），英文縮寫為 AI，它是研究、開發(fā)用于模擬、延伸和擴展人的智能的理論、方法、技術及應用系統(tǒng)的一門新的技術科學。人工智能的研究目標是使計算機能夠勝任一些通常需要人類智能才能完成的復雜工作，例如：
- 無人駕駛，通過車載傳感系統(tǒng)感知道路環(huán)境、自動規(guī)劃行車路線并控制車輛到達預定目標。
- 機器翻譯，將一種自然語言(例如英文)轉換為另一種自然語言(例如中文)。
- 語音合成，將文字信息轉變?yōu)榭梢月牭枚?、流利的人造語音。
Python 提供了相關的庫用于快速開發(fā)人工智能的應用，用戶使用 Python 的 AI 庫時，不需要深入了人工智能算法的細節(jié)，極大的降低了人工智能開發(fā)的門檻。
TensorFlow 是一個機器學習框架，其前身是谷歌的神經(jīng)網(wǎng)絡算法庫，在計算機視覺、語音處理、推薦系統(tǒng)和自然語言處理等場景下有著豐富的應用，是目前最熱門的機器學習框架。TensorFlow 提供了 Python、C/C++、Java 等多種編程語言的接口，但是基于 Python 編程接口的 TensorFlow 框架進行開發(fā)是最常見的選擇。
Python 語言的語法簡潔、表達能力強，能簡單快速聚焦問題本身而不是繁瑣底層細節(jié)，成為了人工智能編程首選的編程語言。
4. 用 Python 開發(fā)的著名項目
4.1 阿里云 AI 開放平臺
阿里云 AI (https://ai.aliyun.com) 致力于構建最全面、最開放、最前沿的AI開放平臺，從 2015 年開始，阿里云推出 AI 產(chǎn)品，包括語音識別，還有圖像識別、視覺識別等 130 多款細分產(chǎn)品，適用于 300 多個場景。
阿里云提供了提供最易用的 API、SDK 等開發(fā)組件，助力企業(yè)快速高效的實現(xiàn)產(chǎn)品升級。對每項產(chǎn)品提供多種編程接口，包括：Python、Java、C++、ios、Android、Restful 等。以語音合成為例，阿里云 AI 的語音合成 Python SDK 提供了如下接口：
- SpeechSynthesizer，設置語音合成請求參數(shù)，發(fā)送語音合成請求。
- SpeechSynthesizerCallback，用于獲取語音合成結果。
4.2 豆瓣網(wǎng)
豆瓣網(wǎng) (douban) 是一個社區(qū)網(wǎng)站，提供關于書籍、電影、音樂等作品的信息，還提供書影音推薦、線下同城活動、小組話題交流等多種服務功能。豆瓣網(wǎng)已經(jīng)達擁有 300 萬注冊用戶，訪問量每天則超過兩千萬，是一個應用 Python 開發(fā)的非常成功的 Web 2.0 站點。
豆瓣網(wǎng)的后端采用了 Quixote 框架，Quixote 框架是一個使用 Python 開發(fā)的輕量級 Web 框架。
4.3 IDLE
Idle 是一個使用 Python 開發(fā)的集成開發(fā)環(huán)境 IDE。Idle 由 Python 官方開發(fā)和維護，在 Windows 操作系統(tǒng)中，安裝 Python 時會同時安裝 Idle。IDLE 提供了一個功能強大的調(diào)試器，它還提供了一個多窗口文本編輯器，具有許多功能，包括多個撤消，Python 著色，智能縮進，調(diào)用提示，自動完成等。
4.4 Face Recognition
Face Recognition 是一個基于 Python 的人臉識別庫，它還提供了一個命令行工具，讓你通過命令行對任意文件夾中的圖像進行人臉識別操作。該庫使用頂尖的深度學習人臉識別技術構建，在臉部檢測數(shù)據(jù)庫上的檢測準確率高達 99.38%。Face Recognition 的最基本功能是從圖像中識別人臉，如下圖所示。
5. 小結
經(jīng)過這個小節(jié)的學習，我們應該已經(jīng)大致知道了 Python 到底是個什么樣的編程語言。現(xiàn)如今，Python 可以說在各個編程領域大放異彩，很多公司也已經(jīng)開始大量招聘 Python 人才，所以你是很有必要學習 Python 的。后面的小節(jié)中我會一一把 Python 的各種魅力呈現(xiàn)給大家，快來一起愉快的學習吧。
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