计算机科学丛书：Python语言程序设计

出版者的话
译者序
前言
第一部分 程序设计基础
第1章 计算机、程序和Python概述
1.1 引言
1.2 什么是计算机
1.2.1 中央处理器
1.2.2 比特和字节
1.2.3 内存
1.2.4 存储设备
1.2.5 输入和输出设备
1.2.6 通信设备
1.3 程序设计语言
1.3.1 机器语言
1.3.2 汇编语言
1.3.3 高级语言
1.4 操作系统
1.4.1 控制和管理系统行为
1.4.2 调度和分配系统资源
1.4.3 调度操作
1.5 Python的历史
1.6 开始学习Python
1.6.1 启动Python
1.6.2 创建Python源代码文件
1.6.3 使用Python完成算术运算
1.7 程序设计风格和文档
1.7.1 恰当的注释和注释风格
1.7.2 恰当的空格
1.8 程序设计错误
1.8.1 语法错误
1.8.2 运行时错误
1.8.3 逻辑错误
1.9 开始学习图形化程序设计
1.9.1 绘制图形并给图形添加颜色
1.9.2 将笔移到任何位置
1.9.3 绘制奥林匹克环标志
关键术语
本章总结
测试题
编程题
第2章 基本程序设计
2.1 引言
2.2 编写一个简单的程序
2.3 从控制台读取输入
2.4 标识符
2.5 变量、赋值语句和赋值表达式
2.6 同时赋值
2.7 定名常量
2.8 数值数据类型和运算符
2.8.1 运算符/、//和**
2.8.2 运算符%
2.8.3 科学记数法
2.9 计算表达式和运算符优先级
2.10 增强型赋值运算符
2.11 类型转换和四舍五入
2.12 实例研究：显示当前时间
2.13 软件开发流程
2.14 实例研究：计算距离
关键术语
本章总结
测试题
编程题
第3章 数学函数、字符串和对象
3.1 引言
3.2 常见的Python函数
3.3 字符串和字符
3.3.1 ASCII码
3.3.2 统一码
3.3.3 函数ord和chr
3.3.4 转义序列
3.3.5 不换行打印
3.3.6 函数str
3.3.7 字符串连接操作
3.3.8 从控制台读取字符串
3.4 实例研究：最小数量的硬币
3.5 对象和方法简介
3.6 格式化数字和字符串
3.6.1 格式化浮点数
3.6.2 用科学记数法格式化
3.6.3 格式化成百分数
3.6.4 调整格式
3.6.5 格式化整数
3.6.6 格式化字符串
3.7 绘制各种图形
3.8 绘制带颜色和字体的图形
关键术语
本章总结
测试题
编程题
第4章 选择
4.1 引言
4.2 布尔类型、数值和表达式
4.3 产生随机数字
4.4 if语句
4.5 实例研究：猜生日
4.6 双向if-else语句
4.7 嵌套if和多向if-elif-else语句
4.8 选择语句中的常见错误
4.9 实例研究：计算身体质量指数
4.10 实例研究：计算税款
4.11 逻辑运算符
4.12 实例研究：判定闰年
4.13 实例研究：彩票
4.14 条件表达式
4.15 运算符的优先级和结合方向
4.16 检测一个对象的位置
关键术语
本章总结
测试题
编程题
第5章 循环
5.1 引言
5.2 while循环
5.2.1 实例研究：猜数字
5.2.2 循环设计策略
5.2.3 实例研究：多道减法题测验
5.2.4 根据用户确认控制循环
5.2.5 使用哨兵值控制循环
5.2.6 输入输出重定向
5.3 for循环
5.4 嵌套循环
5.5 最小化数值错误
5.6 实例研究
5.6.1 问题：找出最大公约数
5.6.2 问题：预测未来学费
5.6.3 问题：蒙特卡罗模拟
5.7 关键字break和continue
5.8 实例研究：显示素数
5.9 实例研究：随意行走
关键术语
本章总结
测试题
编程题
第6章 函数
6.1 引言
6.2 定义一个函数
6.3 调用一个函数
6.4 带返回值或不带返回值的函数
6.5 位置参数和关键字参数
6.6 通过传引用来传递参数
6.7 模块化代码
6.8 实例研究：将十进制数转换为十六进制数
6.9 变量的作用域
6.10 默认参数
6.11 返回多个值
6.12 实例研究：生成随机ASCII码字符
6.13 函数抽象和逐步求精
6.13.1 自顶向下设计
6.13.2 自顶向下和自底向上的实现
6.13.3 实现细节
6.13.4 逐步求精的优势
6.14 实例研究：可重用图形函数
关键术语
本章总结
测试题
编程题

第二部分 面向对象程序设计
第7章 对象和类
7.1 引言
7.2 为对象定义类
7.2.1 定义类
7.2.2 构造对象
7.2.3 访问对象成员
7.2.4 self参数
7.2.5 举例：使用类
7.3 UML类图
7.4 不变对象和可变对象
7.5 隐藏数据域
7.6 类的抽象与封装
7.7 面向对象的思考
关键术语
本章总结
测试题
编程题
第8章 更多字符串和特殊方法
8.1 引言
8.2 str类
8.2.1 创建字符串
8.2.2 处理字符串的函数
8.2.3 下标运算符[]
8.2.4 截取运算符[start：end]
8.2.5 连接运算符+和复制运算符*
8.2.6 in和not in运算符
8.2.7 比较字符串
8.2.8 迭代字符串
8.2.9 测试字符串
8.2.10 搜索子串
8.2.11 转换字符串
8.2.12 删除字符串中的空格
8.2.13 格式化字符串
8.3 实例研究：校验回文串
8.4 实例研究：将十六进制数转换为十进制数
8.5 运算符重载和特殊方法
8.6 实例研究：Rational类
关键术语
本章总结
测试题
编程题
第9章 使用Tkinter进行GUI程序设计
9.1 引言
9.2 开始使用Tkinter
9.3 处理事件
9.4 小构件类
9.5 画布
9.6 几何管理器
9.6.1 网格管理器
9.6.2 包管理器
9.6.3 位置管理器
9.7 实例研究：贷款计算器
9.8 显示图像
9.9 菜单
9.10 弹出菜单
9.11 鼠标、按键事件和绑定
9.12 动画
9.13 滚动条
9.14 标准对话框
关键术语
本章总结
测试题
编程题
第10章 列表
10.1 引言
10.2 列表基础
10.2.1 创建列表
10.2.2 列表是一种序列类型
10.2.3 列表使用的函数
10.2.4 下标运算符[]
10.2.5 列表截取 [start:end]
10.2.6 +、*和in/not in运算符
10.2.7 使用for循环遍历元素
10.2.8 比较列表
10.2.9 列表解析
10.2.10 列表方法
10.2.11 将字符串分成列表
10.2.12 输入列表
10.2.13 对列表移位
10.2.14 简化代码
10.3 实例研究：乐透数
10.4 实例研究：一副扑克牌
10.5 扑克牌图形用户界面
10.6 复制列表
10.7 将列表传递给函数
10.8 从函数返回一个列表
10.9 实例研究：统计每个字母的出现次数
10.10 查找列表
10.10.1 线性查找法
10.10.2 二分查找法
10.11 排序列表
10.11.1 选择排序
10.11.2 插入排序
10.12 实例学习：弹球
关键术语
本章总结
测试题
编程题
第11章 多维列表
11.1 引言
11.2 处理二维列表
11.2.1 使用输入值初始化列表
11.2.2 使用随机数初始化列表
11.2.3 打印列表
11.2.4 对所有元素求和
11.2.5 按列求和
11.2.6 找出和最大的行
11.2.7 随意打乱
11.2.8 排序
11.3 将二维列表传递给函数
11.4 问题：给多选题评分
11.5 问题：找出距离最近的点对
11.6 图形用户界面：找出距离最近的点对
11.7 问题：数独
11.8 实例研究：数独图形用户界面
11.9 多维列表
11.9.1 问题：每日温度和湿度
11.9.2 问题：猜生日
关键术语
本章总结
测试题
编程题
第12章 继承和多态
12.1 引言
12.2 父类和子类
12.3 覆盖方法
12.4 object类
12.5 多态和动态绑定
12.6 isinstance函数
12.7 实例研究：可重用时钟
12.8 类之间的关系
12.8.1 关联
12.8.2 聚合和组合
12.9 实例研究：设计Course类
12.10 为栈设计类
12.11 实例研究：FigureCanvas类
关键术语
本章总结
测试题
编程题
第13章 文件和异常处理
13.1 引言
13.2 文本输入和输出
13.2.1 打开一个文件
13.2.2 写入数据
13.2.3 测试文件的存在性
13.2.4 读数据
13.2.5 从文件读取所有数据
13.2.6 追加数据
13.2.7 读写数值数据
13.3 文件对话框
13.4 实例研究：统计文件中的字符个数
13.5 从网站上获取数据
13.6 异常处理
13.7 抛出异常
13.8 使用对象处理异常
13.9 定义自定制异常类
13.10 使用Pickling进行二进制IO
13.10.1 卸载和加载对象
13.10.2 检测文件末尾
13.11 实例研究：地址簿
关键术语
本章总结
测试题
编程题

第三部分 数据结构和算法
第14章 元组、集合和字典
14.1 引言
14.2 元组
14.3 集合
14.3.1 创建集合
14.3.2 操作和访问集合
14.3.3 子集和超集
14.3.4 相等性测试
14.3.5 集合运算
14.4 比较集合和列表的性能
14.5 实例研究：统计关键字
14.6 字典
14.6.1 创建一个字典
14.6.2 添加、修改和获取值
14.6.3 删除条目
14.6.4 循环条目
14.6.5 len函数
14.6.6 检测一个关键字是否在字典中
14.6.7 相等性检测
14.6.8 字典方法
14.7 实例研究：单词的出现次数
关键术语
本章总结
测试题
编程题
第15章 递归
15.1 引言
15.2 实例研究：计算阶乘
15.3 实例研究：计算斐波那契数
15.4 使用递归解决问题
15.5 递归辅助函数
15.5.1 选择排序
15.5.2 二分查找
15.6 实例研究：求出目录的大小
15.7 实例研究：汉诺塔
15.8 实例研究：分形
15.9 实例研究：八皇后
15.10 递归和迭代
15.11 尾递归
关键术语
本章总结
测试题
编程题
附录A Python关键字
附录B ASCII字符集
附录C 数制系统
*第16章 开发高效算法
*第17章 排序
*第18章 链表、栈、队列及优先队列
*第19章 二分查找树
*第20章 AVL树
*第21章 哈希：实现字典与集合
*第22章 图及其应用
*第23章 加权图及其应用

本书假设你是一位先前没有任何程序设计经验的程序员新手。那么，什么是程序设计呢？程序设计是指使用程序设计语言编写程序以解决问题。不论你使用的是哪种程序设计语言，解决问题和程序设计的根本都是一致的。你可以使用任何一种像Python、Java、C++或C#这样的高级程序设计语言来学习程序设计。一旦知道如何使用其中一门语言编写程序，那么如何使用其他语言编写程序就很容易，因为编写程序的基本技能都是一样的。
那么，使用Python学习程序设计的优势在哪里呢？Python易于学习，且编程有趣。Python代码简单、短小，易读、直观，而且功能强大，这样对初学者而言，用它来介绍计算和解决问题是非常有效的。
鼓励初学者通过创建图形学习程序设计。使用Python学习程序设计的一个很大原因在于可以从一开始就使用图形来学习程序设计。我们在第1~6章使用Python内嵌的Turtle图形模块，它是一个介绍程序设计基本概念和技术的很好的教学工具。我们在第9章介绍Python内嵌的Tkinter，它是开发复杂图形用户界面以及学习面向对象程序设计的一个重要工具。Turtle和Tkinter都相当简单且易于使用。更重要的是，它们都是教授程序设计和面向对象程序设计基础的非常有价值的教学工具。
为了方便教师更灵活地使用本书，我们在第1~6章的末尾会讲到Turtle，所以，可以将它们作为选讲内容跳过去。
本书以问题驱动的方式讲授如何解决问题，这种方式的重点放在问题的解决而不是语法上。我们使用一些涉及范围很广的有趣例子来激发学生学习程序设计的兴趣。鉴于本书的主线是解决问题，这里会介绍解决问题中用到的Python语法和库。为了支持问题驱动方式的程序设计教学，本书提供了大量难易程度各异的问题来激发学生的兴趣。为适用于各个专业的学生，这些问题涉及很多应用领域，例如数学、科学、商业、金融管理、游戏、动画和多媒体等。
Python中的所有数据都是对象。我们从第3章开始介绍和使用对象，但是如何定义类将从第7章开始。本书首先将重点放在基础上：在编写自定制类之前介绍像选择、循环和函数这样的基本程序设计概念和技术。
教授程序设计的最佳方式是通过实例，而学习程序设计的唯一方法就是通过实践。本书用实例解释基本概念，同时提供了大量不同难度的习题供学生练习。我们的目标是使用大量有趣的例子和习题来教授学生如何解决问题以及如何进行程序设计。
教学特色本书使用了下面的模块：
学习目标列出学生应该学会的内容，这样在学完这章之后，学生能够判断自己是否达到这个目标。
引言提出一个代表性问题，以便学生对该章内容有一个概括了解。
关键点强调每节中的重要概念。
检查点提供复习题帮助学生复习相关内容并评估掌握的程度。
问题通过精心挑选，以一种容易掌握的形式教授问题求解和程序设计的概念。本书使用许多短小的、简单的以及令人兴奋的例子来演示重要的想法。
关键术语提供对本章重要术语的快速参考。
本章总结回顾学生应该理解和记住的重要主题，帮助他们加强对该章所学关键概念的理解。
测试题测试题是在线的，用于学生自我测试对程序设计概念和技术的掌握程度。
编程题为学生提供应用新技巧的机会。题目的难度等级分为容易（无星号）、适度（*）、困难（**）或具有挑战性（***）。学习程序设计的秘诀就在于练习，练习，再练习。为了达到这个目标，本书提供了大量的练习题。
注意、提示和警告穿插在整本书中，提供了有价值的建议以及程序开发要点。
注意：提供关于主题的附加信息并强化重要概念。
提示：教授好的程序设计风格和实践。
警告：帮助学生避免程序设计错误。
灵活的章节顺序图形是学习程序设计的一个非常有价值的教学工具。本书在第1～6章使用Turtle图形，而在书中其他部分使用Tkinter。但是，教师可以根据需要跳过关于图形的章节或者以后再讨论。下图给出章节之间的相互关系。
注意：第16～23章是配套网站提供的附加章节。
第10章可以在第6章之后讲解。第14章可以在第10章之后讲解。
本书的组织结构全书共分三部分，循序渐进地介绍用Python语言进行程序设计的基本知识。前面的章节提供理解程序设计概念的基础知识，并通过简单实例和习题对学生进行指导，随后的章节逐步详细介绍Python程序设计，一直到开发复杂的应用程序。
第一部分：程序设计基础（第1～6章）第一部分是起点，为你学习程序设计做准备。你可以初步了解Python（第1章），并学习基本程序设计技术，包括数据类型、变量、常量、赋值、表达式、运算符、对象以及简单的函数和字符串操作（第2～3章），选择语句（第4章），循环（第5章），函数（第6章）。
第二部分：面向对象程序设计（第7～13章）这一部分介绍面向对象程序设计。Python是一种面向对象程序设计语言，它具有抽象、封装、继承和多态等特性，适合编写灵活、模块化和可重用的软件。你将学习面向对象程序设计（第7～8章），使用Tkinter进行GUI程序设计（第9章），列表（第10章），多维列表（第11章），继承、多态和类设计（第12章），以及文件和异常处理（第13章）。
第三部分：数据结构和算法（第14～15章和附加章节第16～23章）本部分介绍典型数据结构课程的主要主题。第14章介绍Python内嵌的数据结构：元组、集合和字典。第15章介绍用递归来编写函数以解决内在递归问题。第16～23章是配套网站的附加章节。第16章介绍算法效率以及开发高效算法的常用技术。第17章讨论经典的排序算法。第18章介绍如何实现链表、队列以及优先队列。第19章介绍二分查找树。第20章介绍AVL树。第21章介绍哈希技术。第22和23章涵盖图算法及其应用。