阿里天池：Task 01：Python基础入门：从变量到异常处理（第1天）

学习内容：变量、运算符与数据类型和位运算

Python训练营内容：

第一天内容：Python入门（上）

简介

Python 是一种通用编程语言，其在科学计算和机器学习领域具有广泛的应用。如果我们打算利用 Python 来执行机器学习，那么对 Python 有一些基本的了解就是至关重要的。本 Python 入门系列体验就是为这样的初学者精心准备的。

本实验包括以下内容：

变量、运算符与数据类型
- 注释
- 运算符
- 变量和赋值
- 数据类型与转换
- print() 函数
位运算
- 原码、反码和补码
- 按位非操作 ~
- 按位与操作 &
- 按位或操作 |
- 按位异或操作 ^
- 按位左移操作 <<
- 按位右移操作 >>
- 利用位运算实现快速计算
- 利用位运算实现整数集合
条件语句
- if 语句
- if - else 语句
- if - elif - else 语句
- assert 关键词
循环语句
- while 循环
- while - else 循环
- for 循环
- for - else 循环
- range() 函数
- enumerate()函数
- break 语句
- continue 语句
- pass 语句
- 推导式
异常处理
- Python 标准异常总结
- Python 标准警告总结
- try - except 语句
- try - except - finally 语句
- try - except - else 语句
- raise语句

变量、运算符与数据类型

1. 注释

在 Python 中，# 表示注释，作用于整行。
''' ''' 或者 """ """ 表示区间注释，在三引号之间的所有内容被注释

2. 运算符

算术运算符

操作符	名称	示例
`+`	加	`1 + 1`
`-`	减	`2 - 1`
`*`	乘	`3 * 4`
`/`	除	`3 / 4`
`//`	整除（地板除）	`3 // 4`
`%`	取余	`3 % 4`
`**`	幂	`2 ** 3`

比较运算符

操作符	名称	示例
`>`	大于	`2 > 1`
`>=`	大于等于	`2 >= 4`
`<`	小于	`1 < 2`
`<=`	小于等于	`5 <= 2`
`==`	等于	`3 == 4`
`!=`	不等于	`3 != 5`

逻辑运算符

操作符	名称	示例
`and`	与	`(3 > 2) and (3 < 5)`
`or`	或	`(1 > 3) or (9 < 2)`
`not`	非	`not (2 > 1)`

位运算符

操作符	名称	示例
`~`	按位取反	`~4`
`&`	按位与	`4 & 5`
`	`	按位或
`^`	按位异或	`4 ^ 5`
`<<`	左移	`4 << 2`
`>>`	右移	`4 >> 2`

三元运算符

x, y = 4, 5
if x < y:
    small = x
else:
    small = y

print(small)  # 4

有了这个三元操作符的条件表达式，你可以使用一条语句来完成以上的条件判断和赋值操作。

其他运算符

操作符	名称	示例
`in`	存在	`'A' in ['A', 'B', 'C']`
`not in`	不存在	`'h' not in ['A', 'B', 'C']`
`is`	是	`"hello" is "hello"`
`not is`	不是	`"hello" is not "hello"`

注意：

is, is not 对比的是两个变量的内存地址
==, != 对比的是两个变量的值
比较的两个变量，指向的都是地址不可变的类型（str等），那么is，is not 和 ==，！= 是完全等价的。
对比的两个变量，指向的是地址可变的类型（list，dict，tuple等），则两者是有区别的。

运算符的优先级

一元运算符优于二元运算符。例如3 ** -2等价于3 ** (-2)。
先算术运算，后移位运算，最后位运算。例如 1 << 3 + 2 & 7等价于 (1 << (3 + 2)) & 7。
逻辑运算最后结合。例如3 < 4 and 4 < 5等价于(3 < 4) and (4 < 5)。

3. 变量和赋值

在使用变量之前，需要对其先赋值。
变量名可以包括字母、数字、下划线、但变量名不能以数字开头。
Python 变量名是大小写敏感的，foo != Foo。

4. 数据类型与转换

类型	名称	示例
int	整型 `<class 'int'>`	`-876, 10`
float	浮点型`<class 'float'>`	`3.149, 11.11`
bool	布尔型`<class 'bool'>`	`True, False`

除了直接给变量赋值 True 和 False，还可以用 bool(X) 来创建变量，其中 X 可以是

基本类型：整型、浮点型、布尔型
容器类型：字符串、元组、列表、字典和集合

确定bool(X) 的值是 True 还是 False，就看 X 是不是空，空的话就是 False，不空的话就是 True。

对于数值变量，0, 0.0 都可认为是空的。
对于容器变量，里面没元素就是空的。

获取类型信息

获取类型信息 type(object)

注：

type() 不会认为子类是一种父类类型，不考虑继承关系。
isinstance() 会认为子类是一种父类类型，考虑继承关系。

如果要判断两个类型是否相同推荐使用 isinstance()。

类型转换

转换为整型 int(x, base=10)
转换为字符串 str(object='')
转换为浮点型 float(x)

5. print() 函数

将对象以字符串表示的方式格式化输出到流文件对象file里。其中所有非关键字参数都按str()方式进行转换为字符串输出；
关键字参数sep是实现分隔符，比如多个参数输出时想要输出中间的分隔字符；
关键字参数end是输出结束时的字符，默认是换行符\n；
关键字参数file是定义流输出的文件，可以是标准的系统输出sys.stdout，也可以重定义为别的文件；
关键字参数flush是立即把内容输出到流文件，不作缓存。

位运算

1. 原码、反码和补码

二进制有三种不同的表示形式：原码、反码和补码，计算机内部使用补码来表示。

原码：就是其二进制表示（注意，有一位符号位）。

00 00 00 11 -> 3
10 00 00 11 -> -3

反码：正数的反码就是原码，负数的反码是符号位不变，其余位取反（对应正数按位取反）。

00 00 00 11 -> 3
11 11 11 00 -> -3

补码：正数的补码就是原码，负数的补码是反码+1。

00 00 00 11 -> 3
11 11 11 01 -> -3

符号位：最高位为符号位，0表示正数，1表示负数。在位运算中符号位也参与运算。

2. 按位运算

按位非操作 ~

~ 1 = 0
~ 0 = 1

~ 把num的补码中的 0 和 1 全部取反（0 变为 1，1 变为 0）有符号整数的符号位在 ~ 运算中同样会取反。

00 00 01 01 -> 5
~
---
11 11 10 10 -> -6

11 11 10 11 -> -5
~
---
00 00 01 00 -> 4

按位与操作 &

1 & 1 = 1
1 & 0 = 0
0 & 1 = 0
0 & 0 = 0

只有两个对应位都为 1 时才为 1

00 00 01 01 -> 5
&
00 00 01 10 -> 6
---
00 00 01 00 -> 4

按位或操作 |

1 | 1 = 1
1 | 0 = 1
0 | 1 = 1
0 | 0 = 0

只要两个对应位中有一个 1 时就为 1

00 00 01 01 -> 5
|
00 00 01 10 -> 6
---
00 00 01 11 -> 7

按位异或操作 ^

1 ^ 1 = 0
1 ^ 0 = 1
0 ^ 1 = 1
0 ^ 0 = 0

只有两个对应位不同时才为 1

00 00 01 01 -> 5
^
00 00 01 10 -> 6
---
00 00 00 11 -> 3

异或操作的性质：满足交换律和结合律

A: 00 00 11 00
B: 00 00 01 11

A^B: 00 00 10 11
B^A: 00 00 10 11

A^A: 00 00 00 00
A^0: 00 00 11 00

A^B^A: = A^A^B = B = 00 00 01 11

按位左移操作 <<

num << i 将num的二进制表示向左移动i位所得的值。

00 00 10 11 -> 11
11 << 3
---
01 01 10 00 -> 88

按位右移操作 >>

num >> i 将num的二进制表示向右移动i位所得的值。

00 00 10 11 -> 11
11 >> 2
---
00 00 00 10 -> 2

3. 利用位运算实现快速计算

通过 <<，>> 快速计算2的倍数问题。

n << 1 -> 计算 n*2
n >> 1 -> 计算 n/2，负奇数的运算不可用
n << m -> 计算 n*(2^m)，即乘以 2 的 m 次方
n >> m -> 计算 n/(2^m)，即除以 2 的 m 次方
1 << n -> 2^n

通过 ^ 快速交换两个整数。通过 ^ 快速交换两个整数。

a ^= b
b ^= a
a ^= b

通过 a & (-a) 快速获取a的最后为 1 位置的整数。

00 00 01 01 -> 5
&
11 11 10 11 -> -5
---
00 00 00 01 -> 1

00 00 11 10 -> 14
&
11 11 00 10 -> -14
---
00 00 00 10 -> 2

4. 利用位运算实现整数集合

一个数的二进制表示可以看作是一个集合（0 表示不在集合中，1 表示在集合中）。

比如集合 {1, 3, 4, 8}，可以表示成 01 00 01 10 10 而对应的位运算也就可以看作是对集合进行的操作。

元素与集合的操作：

a | (1<<i)  -> 把 i 插入到集合中
a & ~(1<<i) -> 把 i 从集合中删除
a & (1<<i)  -> 判断 i 是否属于该集合（零不属于，非零属于）

集合之间的操作：

a 补   -> ~a
a 交 b -> a & b
a 并 b -> a | b
a 差 b -> a & (~b)

注意：整数在内存中是以补码的形式存在的，输出自然也是按照补码输出。

是不是很颠覆认知，我们从结果可以看出：

Python中bin一个负数（十进制表示），输出的是它的原码的二进制表示加上个负号，巨坑。
Python中的整型是补码形式存储的。
Python中整型是不限制长度的不会超范围溢出。

所以为了获得负数（十进制表示）的补码，需要手动将其和十六进制数0xffffffff进行按位与操作，再交给bin()进行输出，得到的才是负数的补码表示。

条件语句

1. if 语句

if expression:
    expr_true_suite

if 语句的 expr_true_suite 代码块只有当条件表达式 expression 结果为真时才执行，否则将继续执行紧跟在该代码块后面的语句。
单个 if 语句中的 expression 条件表达式可以通过布尔操作符 and，or和not 实现多重条件判断。

2. if - else 语句

if expression:
    expr_true_suite
else:
    expr_false_suite

Python 提供与 if 搭配使用的 else，如果 if 语句的条件表达式结果布尔值为假，那么程序将执行 else 语句后的代码。

3. if - elif - else 语句

if expression1:
    expr1_true_suite
elif expression2:
    expr2_true_suite
    .
    .
elif expressionN:
    exprN_true_suite
else:
    expr_false_suite

elif 语句即为 else if，用来检查多个表达式是否为真，并在为真时执行特定代码块中的代码。

4. assert 关键词

assert这个关键词我们称之为“断言”，当这个关键词后边的条件为 False 时，程序自动崩溃并抛出AssertionError的异常。

循环语句

1. while 循环

while语句最基本的形式包括一个位于顶部的布尔表达式，一个或多个属于while代码块的缩进语句。

while 布尔表达式:
    代码块

while循环的代码块会一直循环执行，直到布尔表达式的值为布尔假。

如果布尔表达式不带有<、>、==、！=、in、not in等运算符，仅仅给出数值之类的条件，也是可以的。当while后写入一个非零整数时，视为真值，执行循环体；写入0时，视为假值，不执行循环体。也可以写入str、list或任何序列，长度非零则视为真值，执行循环体；否则视为假值，不执行循环体。

2. while - else 循环

while 布尔表达式:
    代码块
else:
    代码块

当while循环正常执行完的情况下，执行else输出，如果while循环中执行了跳出循环的语句，比如 break，将不执行else代码块的内容。

3. for 循环

for循环是迭代循环，在Python中相当于一个通用的序列迭代器，可以遍历任何有序序列，如str、list、tuple等，也可以遍历任何可迭代对象，如dict。

for 迭代变量 in 可迭代对象:
    代码块

每次循环，迭代变量被设置为可迭代对象的当前元素，提供给代码块使用。

4. for - else 循环

for 迭代变量 in 可迭代对象:
    代码块
else:
    代码块

当for循环正常执行完的情况下，执行else输出，如果for循环中执行了跳出循环的语句，比如 break，将不执行else代码块的内容，与while - else语句一样。

5. range() 函数

range([start,] stop[, step=1])

这个BIF（Built-in functions）有三个参数，其中用中括号括起来的两个表示这两个参数是可选的。
step=1 表示第三个参数的默认值是1。
range 这个BIF的作用是生成一个从start参数的值开始到stop参数的值结束的数字序列，该序列包含start的值但不包含stop的值。

6. enumerate()函数

enumerate(sequence, [start=0])

sequence：一个序列、迭代器或其他支持迭代对象。
start：下标起始位置。
返回 enumerate(枚举) 对象

7. break 语句

break语句可以跳出当前所在层的循环。

8. continue 语句

continue终止本轮循环并开始下一轮循环。

9. pass 语句

pass 语句的意思是“不做任何事”，如果你在需要有语句的地方不写任何语句，那么解释器会提示出错，而 pass 语句就是用来解决这些问题的。

10. 推导式

列表推导式

[ expr for value in collection [if condition] ]

元组推导式

( expr for value in collection [if condition] )

字典推导式

{ key_expr: value_expr for value in collection [if condition] }

集合推导式

{ expr for value in collection [if condition] }

其它

next(iterator[, default]) Return the next item from the iterator. If default is given and the iterator is exhausted, it is returned instead of raising StopIteration.

异常处理

异常就是运行期检测到的错误。计算机语言针对可能出现的错误定义了异常类型，某种错误引发对应的异常时，异常处理程序将被启动，从而恢复程序的正常运行。

1. Python 标准异常总结

BaseException：所有异常的基类
Exception：常规异常的基类
StandardError：所有的内建标准异常的基类
ArithmeticError：所有数值计算异常的基类
FloatingPointError：浮点计算异常
OverflowError：数值运算超出最大限制
ZeroDivisionError：除数为零
AssertionError：断言语句（assert）失败
AttributeError：尝试访问未知的对象属性
EOFError：没有内建输入，到达EOF标记
EnvironmentError：操作系统异常的基类
IOError：输入/输出操作失败
OSError：操作系统产生的异常（例如打开一个不存在的文件）
WindowsError：系统调用失败
ImportError：导入模块失败的时候
KeyboardInterrupt：用户中断执行
LookupError：无效数据查询的基类
IndexError：索引超出序列的范围
KeyError：字典中查找一个不存在的关键字
MemoryError：内存溢出（可通过删除对象释放内存）
NameError：尝试访问一个不存在的变量
UnboundLocalError：访问未初始化的本地变量
ReferenceError：弱引用试图访问已经垃圾回收了的对象
RuntimeError：一般的运行时异常
NotImplementedError：尚未实现的方法
SyntaxError：语法错误导致的异常
IndentationError：缩进错误导致的异常
TabError：Tab和空格混用
SystemError：一般的解释器系统异常
TypeError：不同类型间的无效操作
ValueError：传入无效的参数
UnicodeError：Unicode相关的异常
UnicodeDecodeError：Unicode解码时的异常
UnicodeEncodeError：Unicode编码错误导致的异常
UnicodeTranslateError：Unicode转换错误导致的异常

异常体系内部有层次关系，Python异常体系中的部分关系如下所示：

3. try - except 语句

try:
    检测范围
except Exception[as reason]:
    出现异常后的处理代码

try 语句按照如下方式工作：

首先，执行try子句（在关键字try和关键字except之间的语句）
如果没有异常发生，忽略except子句，try子句执行后结束。
如果在执行try子句的过程中发生了异常，那么try子句余下的部分将被忽略。如果异常的类型和except之后的名称相符，那么对应的except子句将被执行。最后执行try - except语句之后的代码。
如果一个异常没有与任何的except匹配，那么这个异常将会传递给上层的try中。

4. try - except - finally 语句

try: 检测范围 except Exception[as reason]: 出现异常后的处理代码 finally: 无论如何都会被执行的代码

不管try子句里面有没有发生异常，finally子句都会执行。

5. try - except - else 语句

如果在try子句执行时没有发生异常，Python将执行else语句后的语句。

try:
    检测范围
except:
    出现异常后的处理代码
else:
    如果没有异常执行这块代码

使用except而不带任何异常类型，这不是一个很好的方式，我们不能通过该程序识别出具体的异常信息，因为它捕获所有的异常。

try: 检测范围 except(Exception1[, Exception2[,...ExceptionN]]]): 发生以上多个异常中的一个，执行这块代码 else: 如果没有异常执行这块代码。

注意：else语句的存在必须以except语句的存在为前提，在没有except语句的try语句中使用else语句，会引发语法错误。

6. raise语句

Python 使用raise语句抛出一个指定的异常。

第一天内容打卡