第六讲 - CS50x 2023

第六讲 - CS50x 2023

欢迎！

在之前的几周，你学习了编程的基本构建模块。
你学习了用一种叫做 C 的较低级编程语言进行编程。
今天，我们将使用一种叫做 Python 的更高级编程语言。
当你学习这门新语言时，你会发现你能够更容易地自学新的编程语言。

Python

几十年来，人类已经看到了之前的设计决策可以如何改进。
Python 是一种编程语言，它是在你已掌握的 C 语言知识基础上构建的。

你好

目前为止，代码是这样的：

// 一个向世界问好的程序

#include <stdio.h>

int main(void)
{
    printf("hello, world\n");
}

今天，你会发现编写和编译代码的过程已经简化了。
例如，上面的代码在 Python 中会呈现为：
```
# 一个向世界问好的程序

print("hello, world")
```
注意，分号已经没有了。

在 C 语言中，你可能还记得这段代码：

// get_string 和 printf 与 %s

#include <cs50.h>
#include <stdio.h>

int main(void)
{
    string answer = get_string("What's your name? ");
    printf("hello, %s\n", answer);
}

这段代码在 Python 中转换为：
```
# get_string 和 print，使用连接

from cs50 import get_string

answer = get_string("What's your name? ")
print("hello, " + answer)
```
你可以通过在终端窗口中执行 code hello.py 来编写代码，然后运行 python hello.py 来执行它。注意 + 符号用于连接 "hello, " 和 answer。

类似地，你可以将上面的代码实现为：

# get_string 和 print，使用格式化字符串

from cs50 import get_string

answer = get_string("What's your name? ")
print(f"hello, {answer}")

注意，花括号允许 print 函数将 answer 的值插入到字符串中。

类型

Python 中的数据类型不需要显式声明。例如，你看到上面的 answer 是一个字符串，但我们不需要显式地告诉解释器，它能自动识别。
在 Python 中，常用的类型包括：
注意，long 和 double 类型没有了。Python 会自动处理大数和小数的数据类型。
Python 中的其他一些数据类型包括：
```
  range
  list
  tuple
  dict
  set
```
这些数据类型都可以用 C 语言实现，但在 Python 中实现起来更简单。

拼写检查

为了展示这种简洁性，咱们在终端里输入 ‘code dictionary.py’，然后照着下面的代码写:

# Words in dictionary
words = set()
def check(word):
    """Return true if word is in dictionary else false"""
    if word.lower() in words:
        return True
    else:
        return False

def load(dictionary):
    """Load dictionary into memory, returning true if successful else false"""
    file = open(dictionary, "r")
    for line in file:
        word = line.rstrip()
        words.add(word)
    file.close()
    return True

def size():
    """Returns number of words in dictionary if loaded else 0 if not yet loaded"""
    return len(words)

def unload():
    """Unloads dictionary from memory, returning true if successful else false"""
    return True

注意，上面有四个函数。check 函数里，如果 word 在 words 里，就返回 True。这可比 C 语言简单多了！类似的，load 函数打开字典文件，然后把每一行加到 words 里。rstrip 用来移除行尾的换行符。size 直接返回 words 的长度 (len)。unload 只需要返回 True，因为 Python 自己管理内存。

这段代码就说明了为什么要有高级语言：为了简化，让你写代码更容易。
不过，速度上会有取舍。因为 C 允许程序员自己管理内存，所以可能比 Python 跑得快 -- 当然也看你的代码。C 只是执行你写的代码，但 Python 在你调用内置函数的时候，还会运行很多底层的代码。
想了解更多函数的信息，可以看看 Python 的官方文档：Python文档

图像识别

Python 有很多贡献者写了很多库。
你可以在你的代码里用这些库。
比如，你可以用 Python 的 PIL 库，很方便地实现面部识别。
David 演示了用 Python 和第三方库做面部识别。

CS50 库

和 C 一样，CS50 库也能在 Python 里用。
下面这些函数会特别有用:
```
  get_float
  get_int
  get_string
```
你也可以只从 CS50 库导入特定的函数，像这样:
```
from cs50 import get_float, get_int, get_string
```

条件判断

你可能还记得 C 语言里有这样的程序:

// Conditionals, Boolean expressions, relational operators

#include <cs50.h>
#include <stdio.h>

int main(void)
{
    // Prompt user for integers
    int x = get_int("What's x? ");
    int y = get_int("What's y? ");

    // Compare integers
    if (x < y)
    {
        printf("x is less than y\n");
    }
    else if (x > y)
    {
        printf("x is greater than y\n");
    }
    else
    {
        printf("x is equal to y\n");
    }
}

在 Python 中，它会是这样:

# Conditionals, Boolean expressions, relational operators

from cs50 import get_int

# Prompt user for integers
x = get_int("What's x? ")
y = get_int("What's y? ")

# Compare integers
if x < y:
    print("x is less than y")
elif x > y:
    print("x is greater than y")
else:
    print("x is equal to y")

注意，没有大括号了，而是用缩进。另外，if 语句后面要加冒号。还有，elif 替代了 else if。if 和 elif 语句里也不用再写括号了。

变量

变量声明也更加简洁。在 C 语言中，你可能会这样写 int counter = 1;。而在 Python 中，可以直接写成 counter = 1。无需声明变量类型。
Python 推荐使用 counter += 1 来进行自增操作，不再支持 C 语言中的 counter++ 写法。

循环

Python 中的循环与 C 语言非常相似。你可能还记得 C 语言中的以下代码：

// 演示 while 循环

#include <stdio.h>

int main(void)
{
    int i = 0;
    while (i < 3)
    {
        printf("meow\n");
        i++;
    }
}

在 Python 中，这段代码如下所示：

# 演示 while 循环

i = 0
while i < 3:
    print("meow")
    i += 1

for 循环在 Python 中可以这样实现：

# 更好的设计

for i in range(3):
    print("meow")

类似地，也可以这样表达上面的代码：

# 通过参数化进行抽象

def main():
    meow(3)

# 喵喵叫若干次
def meow(n):
    for i in range(n):
        print("meow")
main()

请注意，这里使用了一个函数来抽象"喵喵叫"这个行为。

计算器

我们可以像在 C 语言中一样实现一个简单的计算器。在终端窗口中输入 code calculator.py，然后编写如下代码：
```
# 使用 int 进行加法 [使用 get_int]

from cs50 import get_int

# 提示用户输入 x
x = get_int("x: ")

# 提示用户输入 y
y = get_int("y: ")

# 执行加法
print(x + y)
```
请注意，这里导入了 CS50 库。接着，从用户处获取 x 和 y 的值。最后，打印计算结果。值得注意的是，C 语言程序中常见的 main 函数在这里并非必需。
可以尝试不使用 CS50 库。修改你的代码如下：
```
# 使用 int 进行加法 [使用 input]

# 提示用户输入 x
x = input("x: ")

# 提示用户输入 y
y = input("y: ")

# 执行加法
print(x + y)
```
请注意，执行上述代码可能会产生意料之外的结果。这是为什么呢？
你可能已经猜到，解释器将 x 和 y 识别为了字符串类型。你可以通过使用 int 函数来修复你的代码，如下所示：
```
# 使用 int 进行加法 [使用 input]

# 提示用户输入 x
x = int(input("x: "))

# 提示用户输入 y
y = int(input("y: "))

# 执行加法
print(x + y)
```
请注意，x 和 y 的输入值会被传递给 int 函数，该函数会将它们转换为整数类型。
我们可以扩展计算器的功能。修改你的代码如下：
```
# 整数除法，演示缺乏截断

# 提示用户输入 x
x = int(input("x: "))

# 提示用户输入 y
y = int(input("y: "))

# x 除以 y
z = x / y
print(z)
```
请注意，执行这段代码会得到一个结果，但如果观察小数点后更多位数，你会发现存在浮点数精度问题。
我们可以通过稍微调整代码来展示这种精度上的差异：
```
# 浮点数精度问题

# 提示用户输入 x
x = int(input("x: "))

# 提示用户输入 y
y = int(input("y: "))

# x 除以 y
z = x / y
print(f"{z:.50f}")
```
请注意，此代码揭示了不精确性。Python 仍然面临这个问题，就像 C 语言一样。

比较

在 C 语言中，比较两个值有时会遇到一些挑战。请看下面的代码：

// 条件语句、布尔表达式、关系运算符

#include <cs50.h>
#include <stdio.h>

int main(void)
{
    // 提示用户输入整数
    int x = get_int("What's x? ");
    int y = get_int("What's y? ");

    // 比较整数
    if (x < y)
    {
        printf("x is less than y\n");
    }
    else if (x > y)
    {
        printf("x is greater than y\n");
    }
    else
    {
        printf("x is equal to y\n");
    }
}

在 Python 中，上述代码可以这样实现：

# 条件语句、布尔表达式、关系运算符

from cs50 import get_int

# 提示用户输入整数
x = get_int("What's x? ")
y = get_int("What's y? ")

# 比较整数
if x < y:
    print("x is less than y")
elif x > y:
    print("x is greater than y")
else:
    print("x is equal to y")

请注意，这里导入了 CS50 库。此外，if 语句有一些细微的差别。

再来看一个 C 语言的比较例子：

// 逻辑运算符

#include <cs50.h>
#include <stdio.h>

int main(void)
{
    // 提示用户同意
    char c = get_char("Do you agree? ");

    // 检查是否同意
    if (c == 'Y' || c == 'y')
    {
        printf("Agreed.\n");
    }
    else if (c == 'N' || c == 'n')
    {
        printf("Not agreed.\n");
    }
}

在 Python 中，这段代码可以这样写：

# 逻辑运算符

from cs50 import get_string

# 提示用户同意
s = get_string("Do you agree? ")

# 检查是否同意
if s == "Y" or s == "y":
    print("Agreed.")
elif s == "N" or s == "n":
    print("Not agreed.")

的确，Python 更易于阅读，因此更受欢迎。注意，Python 中没有 char 类型，而是使用 str。

这段代码还可以这样实现：

# 逻辑运算符，使用列表

from cs50 import get_string

# 提示用户同意
s = get_string("Do you agree? ")

# 检查是否同意
if s in ["y", "yes"]:
    print("Agreed.")
elif s in ["n", "no"]:
    print("Not agreed.")

注意，这里展示了如何使用列表来处理多个关键字，例如 y 和 yes。

面向对象编程

到目前为止，我们编写的程序都是线性的，也就是顺序执行的。
某些类型的值不仅包含属性，还可以包含函数（或称方法）。
在 Python 中，这些值被称为“对象”。
在 C 语言中，我们可以使用 struct 将多个变量组合成一个自定义的数据类型。在 Python 中，我们可以这样做，并且还可以在自定义数据类型中包含函数。当函数属于某个特定的“对象”时，它被称为“方法”。

例如，Python 中的字符串（str）类型就内置了许多方法。因此，您可以如下修改您的代码：

# 逻辑运算符，使用列表

from cs50 import get_string

# 提示用户同意
s = get_string("Do you agree? ")

# 检查是否同意
if s.lower() in ["y", "yes"]:
    print("Agreed.")
elif s.lower() in ["n", "no"]:
    print("Not agreed.")

注意，这里展示了如何处理多个关键字（例如 y 和 yes），以及如何将用户输入转换为小写。

还可以进一步简化为：

# 逻辑运算符，使用列表

from cs50 import get_string

# 提示用户是否同意
s = get_string("你同意吗？(是/否) ")

s = s.lower()

# 检查是否同意
if s in ["y", "yes"]:
    print("同意。")
elif s in ["n", "no"]:
    print("不同意。")

请注意，s 的原始值被 s.lower() 的结果所覆盖。

在本课程中，我们对 Python 的学习只是浅尝辄止。因此，Python 文档对于您的后续深入学习至关重要。
您可以在 Python 文档中找到更多关于字符串方法的信息。

Meow

回顾几周前我们学习的 meow.c，请看下面的代码：

// 演示 while 循环

#include <stdio.h>

int main(void)
{
    int i = 0;
    while (i < 3)
    {
        printf("meow\n");
        i++;
    }
}

以上 C 代码可以用 Python 实现如下：

# 演示 while 循环

i = 0
while i < 3:
    print("meow")
    i += 1

同样，使用 for 循环，我们可以这样编写代码：
```
# 更好的设计

for i in range(3):
    print("meow")
```
正如我们今天早些时候提到的，您可以使用函数进一步改进此代码。修改您的代码如下：
```
# 抽象

def main():
    for i in range(3):
        meow()

# 喵一次
def meow():
    print("meow")

main()
```
请注意，meow 函数对 print 语句进行了抽象。此外请注意，按照惯例，函数之间会空两行。
事实上，我们可以在函数之间传递变量，如下所示：
```
# 带参数化的抽象

def main():
    meow(3)

# 喵若干次
def meow(n):
    for i in range(n):
        print("meow")

main()
```
请注意，meow 现在接受一个变量 n。在 main 函数中，您可以调用 meow 并将像 3 这样的值传递给它。然后，meow 在 for 循环中使用 n 的值。
阅读上面的代码，请注意作为 C 程序员的您如何能够非常容易地理解上面的代码。虽然有些约定不同，但您之前学到的构建块在这个新的编程语言中非常明显。

Mario

回想几周前我们构建三个彼此堆叠的块的挑战，就像在 Mario 中一样。

在 Python 中，我们可以实现类似于以下内容：

# 使用循环打印一列 3 个砖块

for i in range(3):
    print("#")

在 C 中，我们有 do-while 循环的优势。但是，在 Python 中，按照惯例是使用 while 循环，因为 Python 没有 do while 循环。您可以在名为 mario.py 的文件中编写如下代码：
```
# 打印一列砖块，使用辅助函数获取输入
from cs50 import get_int
def main():
    height = get_height()
    for i in range(height):
        print("#")

def get_height():
    while True:
        n = get_int("Height: ")
        if n > 0:
            return n
main()
```
请注意，一旦 n 被赋值，它在 get_height 函数的任何地方都有效。此外请注意，按照惯例，函数之间会空两行。

我们可以不用 CS50 库，代码如下所示：

def main():
        height = get_height()
        for i in range(height):
            print("#")
    def get_height():
        while True:
            try:
                n = int(input("高度："))
                if n > 0:
                    return n
            except ValueError:
                print("不是整数")

main()

注意这里使用try语句尝试将n转换为整数，如果转换失败，会抛出异常。

考虑以下图片：
在Python中，可以修改代码如下实现：
```
# 打印一行使用循环的4个问号

for i in range(4):
    print("?", end="")
print()
```
请注意，你可以通过修改print函数的end参数，使其输出不换行。
类似于之前的例子，我们可以进一步简化这个程序：
```
# 打印一行 4 个不带循环的问号

print("?" * 4)
```
请注意，我们可以使用 * 来乘以打印语句，使其重复 4 次。
如果要打印一个大的砖块图案呢？
要实现这个图案，可以修改代码如下：
```
# 打印一个带循环的 3x3 的砖块网格

for i in range(3):
    for j in range(3):
        print("#", end="")
    print()
```
注意，这里使用了嵌套循环。外层循环控制行数，内层循环控制每行的#数量。print()语句用于换行。
你可以在Python官方文档中找到关于print函数的更多信息：Python 文档

分数

list（列表）是Python中的一种数据结构。
list 具有内置的方法或函数。

例如，考虑以下代码：

# 使用列表和循环计算三个数字的平均值

from cs50 import get_int

# 获取分数
scores = []
for i in range(3):
    score = get_int("分数：")
    scores.append(score)

# 打印平均值
average = sum(scores) / len(scores)
print(f"平均值：{average}")

注意，可以使用内置的append()方法将分数添加到列表末尾。

您甚至可以使用以下语法：

# 使用列表和带 + 运算符的循环计算三个数字的平均值

from cs50 import get_int

# 获取分数
scores = []
for i in range(3):
    score = get_int("分数：")
    scores += [score]

# 打印平均值
average = sum(scores) / len(scores)
print(f"平均值：{average}")

这里需要将score放入方括号[]中，将其转换为包含单个元素的列表，才能使用+或+=运算符添加到scores列表中。

您可以在 Python 文档中了解更多关于列表的信息。
您还可以在 Python 文档中了解更多关于 len 的信息。

大写

接下来，看下面的代码：

# 逐个字符地将字符串转换为大写

before = input("之前：")
print("之后： ", end="")
for c in before:
    print(c.upper(), end="")
print()

注意，这段代码逐个字符地将字符串转换为大写。

Python的字符串类型(str)内置了相应的方法。可以将代码修改为：

# 一次性将字符串全部转换为大写
before = input("之前：")
after = before.upper()
print(f"之后： {after}")

注意，upper 方法可以一次性将整个字符串转换为大写。

问候

与 C 语言一样，您也可以使用命令行参数。请看以下代码：
```
# 打印命令行参数

from sys import argv

if len(argv) == 2:
    print(f"hello, {argv[1]}")
else:
    print("hello, world")
```
注意，argv[1] 是使用格式化字符串打印的，print 语句中存在 f 表示格式化字符串。或者说，是使用 f-字符串打印的。
您可以按如下方式打印 argv 中的所有参数：
```
# 打印命令行参数，索引到 argv 中

from sys import argv

for i in range(len(argv)):
    print(argv[i])
```
请注意，执行上述代码时，不会显示 'python' 关键字，第一个参数是您所运行的文件名。这类似于 C 语言中的 ./。
您可以对列表进行切片操作。请看以下代码：
```
# 使用切片打印命令行参数

from sys import argv

for arg in argv[1:]:
    print(arg)
```
请注意，执行此代码会将您正在运行的文件名从参数列表中移除。
您可以在 Python 文档中了解有关 sys 库的更多信息。

退出状态

sys 库还具有内置方法。我们可以使用 sys.exit(i) 以特定的退出代码退出程序：
```
# 使用显式值退出，导入 sys

import sys

if len(sys.argv) != 2:
    print("缺少命令行参数")
    sys.exit(1)

print(f"hello, {sys.argv[1]}")
sys.exit(0)
```
请注意，这里使用点号（.）来调用 sys 库的内置函数。

搜索

Python 也可以用于搜索。在您的终端窗口中，键入 code names.py 并编写如下代码：

# 实现名称的线性搜索

import sys

# 名称列表
names = ["Bill", "Charlie", "Fred", "George", "Ginny", "Percy", "Ron"]

# 询问姓名
name = input("Name: ")

# 搜索名称
for n in names:
    if n == name:
        print("Found")
        sys.exit(0)

print("Not found")
sys.exit(1)

请注意，这段代码实现了线性搜索。

您可以按如下方式利用 Python 的内置功能：

# 使用 `in` 实现名称的线性搜索

import sys

# 名称列表
names = ["Bill", "Charlie", "Fred", "George", "Ginny", "Percy", "Ron"]

# 询问姓名
name = input("Name: ")

# 搜索名称
if name in names:
    print("Found")
    sys.exit(0)

print("Not found")
sys.exit(1)

请注意，这里使用了 in 关键字。Python 会自动处理底层的线性搜索实现。

电话簿

回想一下，字典（dict）是键值对的集合。
您可以在 Python 中按如下方式实现字典：
```
# 实现电话簿

from cs50 import get_string

people = {
    "Carter": "+1-617-495-1000",
    "David": "+1-949-468-2750"
}

# 搜索名称
name = get_string("Name: ")
if name in people:
    print(f"Number: {people[name]}")
```
请注意，字典是使用花括号实现的。然后，语句 if name in people 搜索以查看 name 是否在 people 字典中。此外，在 print 语句中，我们可以使用 name 作为键来访问 people 字典中的值，非常方便！
Python 在其内置搜索中已尽力实现常数时间复杂度。

比较

我们可以用 Python 如下实现比较：
```
# Compares two strings

# Get two strings
s = input("s: ")
t = input("t: ")

# Compare strings
if s == t:
    print("Same")
else:
    print("Different")
```
请注意，Python 使用 == 比较变量，且允许直接比较字符串，无需像 C 语言那样使用指针逐字符检查。

交换

此外，我们可以实现一个像在 C 中那样交换值的程序。考虑以下 Python 代码：
```
# Swaps two integers

x = 1
y = 2

print(f"x is {x}, y is {y}")
x, y = y, x
print(f"x is {x}, y is {y}")
```
请注意，每个值都已交换，使用了很 Python 的语法 x, y = y, x。

CSV

您还可以使用 Python 来处理 CSV 文件。考虑以下名为 phonebook.py 的程序：

# Saves names and numbers to a CSV file

import csv

# Get name and number
name = input("姓名: ")
number = input("电话号码: ")

# Open CSV file
with open("phonebook.csv", "a") as file:

    # Print to file
    writer = csv.writer(file)
    writer.writerow([name, number])

请注意，使用 with 代码块能确保文件在使用完毕后自动关闭，无需手动调用 close。

通常，CSV 文件包含具有特定名称的列。可以使用 DictWriter 创建 CSV 文件，并为每列指定名称。考虑对我们的代码进行以下修改：

# Saves names and numbers to a CSV file using a DictWriter

import csv

# Get name and number
name = input("姓名: ")
number = input("电话号码: ")

# Open CSV file
with open("phonebook.csv", "a") as file:

    # Print to file
    writer = csv.DictWriter(file, fieldnames=["name", "number"])
    writer.writerow({"name": name, "number": number})

请注意，name 和 number 列是在倒数第二行代码中定义的，并且值是在最后一行添加的。

您可以在 Python 文档中了解更多关于 CSV 文件的信息：Python 文档

语音

使用第三方库，Python 可以进行文本到语音的转换。

# Says hello to someone

import pyttsx3

engine = pyttsx3.init()
name = input("请问你叫什么名字？")
engine.say(f"你好，{name}")
engine.runAndWait()

此外，您可以运行以下代码：

# Says "This was CS50"

import pyttsx3

engine = pyttsx3.init()
engine.say("This was CS50")
engine.runAndWait()

总结

在本课程中，您学习了如何用 Python 实现之前课程中的编程构建块。此外，您还学习了 Python 如何允许更简化的代码。此外，您还学习了如何使用各种 Python 库。最后，您了解到您作为程序员的技能并不局限于单一编程语言。通过本课程，您会发现一种新的学习方法，它不仅适用于任何编程语言，甚至适用于其他学习领域！具体来说，我们讨论了……

Python
变量
条件语句
循环
数据类型
库
字典
命令行参数
正则表达式

下节课见！

第六讲 - CS50x 2023

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Meow​

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