3. 一個非正式的 Python 簡介
***************************

在下面的例子中，輸入與輸出的區別在於有無提示符（prompt，*>>>* 和 *...*
）：如果要重做範例，你必須在提示符出現的時候，輸入提示符後方的所有內容
；那些非提示符開始的文字行是直譯器的輸出。注意到在範例中，若出現單行只
有次提示符時，代表該行你必須直接換行；這被使用在多行指令結束輸入時。

在本手冊中的許多範例中，即便他們為互動式地輸入，仍然包含註解。Python
中的註解 (comments) 由 hash 字元 "#" 開始一直到該行結束。註解可以從該
行之首、空白後、或程式碼之後開始，但不會出現在字串之中。hash 字元在字
串之中時仍視為一 hash 字元。因為註解只是用來說明程式而不會被 Python 解
讀，在練習範例時不一定要輸入。

一些範例如下：

   # this is the first comment
   spam = 1  # and this is the second comment
             # ... and now a third!
   text = "# This is not a comment because it's inside quotes."


3.1. 把 Python 當作計算機使用
=============================

讓我們來試試一些簡單的 Python 指令。啟動直譯器並等待第一個主提示符
">>>" 出現。（應該不會等太久）


3.1.1. 數字 (Number)
--------------------

直譯器如同一台簡單的計算機：你可以輸入一個 expression（運算式），它會
寫出該式的值。Expression 的語法很使用：運算子 "+"、"-"、"*" 和 "/" 的
行為如同大多數的程式語言（例如：Pascal 或 C）；括號 "()" 可以用來分群
。例如：

   >>> 2 + 2
   4
   >>> 50 - 5*6
   20
   >>> (50 - 5*6) / 4
   5.0
   >>> 8 / 5  # division always returns a floating point number
   1.6

整數數字（即 "2"、"4"、"20"）為 "int" 型態，數字有小數點部份的（即
"5.0"、"1.6"）為 "float" 型態。我們將在之後的教學中看到更多數字相關的
型態。

除法 ("/") 永遠回傳一個 float。如果要做 *floor division* 並拿到整數的
結果（即去除所有小數點的部份），你可以使用 "//" 運算子；計算餘數可以使
用 "%"：

   >>> 17 / 3  # classic division returns a float
   5.666666666666667
   >>>
   >>> 17 // 3  # floor division discards the fractional part
   5
   >>> 17 % 3  # the % operator returns the remainder of the division
   2
   >>> 5 * 3 + 2  # result * divisor + remainder
   17

在 Python 中，計算冪次 (powers) 可以使用 "**" 運算子 [1]：

   >>> 5 ** 2  # 5 squared
   25
   >>> 2 ** 7  # 2 to the power of 7
   128

等於符號 ("=") 可以用於為變數賦值。賦值完之後，在下個指示符前並不會顯
示任何結果：

   >>> width = 20
   >>> height = 5 * 9
   >>> width * height
   900

如果一個變數未被「定義 (defined)」（即變數未被賦值），試著使用它時會出
現一個錯誤：

   >>> n  # try to access an undefined variable
   Traceback (most recent call last):
     File "<stdin>", line 1, in <module>
   NameError: name 'n' is not defined

浮點數的運算有完善的支援，運算子 (operator) 遇上混合的運算元 (operand)
時會把整數的運算元轉換為浮點數：

   >>> 4 * 3.75 - 1
   14.0

在互動式模式中，最後一個印出的運算式的結果會被指派至變數 "_" 中。這表
示當你把 Python 當作桌上計算機使用者，要接續計算變得容易許多：

   >>> tax = 12.5 / 100
   >>> price = 100.50
   >>> price * tax
   12.5625
   >>> price + _
   113.0625
   >>> round(_, 2)
   113.06

這個變數應該被使用者視為只能讀取。不應該明確地為它賦值 --- 你可以創一
個獨立但名稱相同的本地變數來覆蓋掉預設變數和它的神奇行為。

除了 "int" 和 "float"，Python 還支援了其他的數字型態，包含 "Decimal"
和 "Fraction"。Python 亦內建支援複數 (complex numbers)，並使用 "j" 和
"J" 後綴來指定虛數的部份（即 "3+5j"）。


3.1.2. 字串 (String)
--------------------

除了數字之外，Python 也可以操作字串，而表達字串有數種方式。它們可以用
包含在單引號 ("'...'") 或雙引號 (""..."") 之中，兩者會得到相同的結果
[2]。使用 "\" 跳脫出現於字串中的引號：

   >>> 'spam eggs'  # single quotes
   'spam eggs'
   >>> 'doesn\'t'  # use \' to escape the single quote...
   "doesn't"
   >>> "doesn't"  # ...or use double quotes instead
   "doesn't"
   >>> '"Yes," they said.'
   '"Yes," they said.'
   >>> "\"Yes,\" they said."
   '"Yes," they said.'
   >>> '"Isn\'t," they said.'
   '"Isn\'t," they said.'

在互動式的直譯器中，輸出的字串會被引號包圍且特殊符號會使用反斜線 ("\")
跳脫。雖然這有時會讓它看起來跟輸入的字串不相同（包圍用的引號可能會改變
），輸入和輸出兩字串實為相同。一般來說，字串包含單引號而沒有雙引號時，
會使用雙引號包圍字串。函式 "print()" 會產生更易讀的輸出，它會去除掉包
圍的引號，並且直接印出被跳脫的字元和特殊字元：

   >>> '"Isn\'t," they said.'
   '"Isn\'t," they said.'
   >>> print('"Isn\'t," they said.')
   "Isn't," they said.
   >>> s = 'First line.\nSecond line.'  # \n means newline
   >>> s  # without print(), \n is included in the output
   'First line.\nSecond line.'
   >>> print(s)  # with print(), \n produces a new line
   First line.
   Second line.

如果你不希望字元前出現 "\" 就被當成特殊字元時，可以改使用 *raw string*
，在第一個包圍引號前加上 "r" ：

   >>> print('C:\some\name')  # here \n means newline!
   C:\some
   ame
   >>> print(r'C:\some\name')  # note the r before the quote
   C:\some\name

字串值可以跨越數行。其中一方式是使用三個重覆引號：""""..."""" 或
"'''...'''"。此時換行會被自動加入字串值中，但也可以在換行前加入 "\" 來
取消這個行為。在以下的例子中：

   print("""\
   Usage: thingy [OPTIONS]
        -h                        Display this usage message
        -H hostname               Hostname to connect to
   """)

會產生以下的輸出（注意第一個換行並沒有被包含進字串值中）：

   Usage: thingy [OPTIONS]
        -h                        Display this usage message
        -H hostname               Hostname to connect to

字串可以使用 "+" 運算子連接 (concatenate)，並用 "*" 重覆該字串的內容：

   >>> # 3 times 'un', followed by 'ium'
   >>> 3 * 'un' + 'ium'
   'unununium'

兩個以上相鄰的字串值（*string literal*，即被引號包圍的字串）會被自動連
接起來：

   >>> 'Py' 'thon'
   'Python'

當你想要分段一個非常長的字串時，兩相鄰字串值自動連接的特性十分有用：

   >>> text = ('Put several strings within parentheses '
   ...         'to have them joined together.')
   >>> text
   'Put several strings within parentheses to have them joined together.'

但這特性只限於兩相鄰的字串值間，而非兩相鄰變數或表達式：

   >>> prefix = 'Py'
   >>> prefix 'thon'  # can't concatenate a variable and a string literal
     File "<stdin>", line 1
       prefix 'thon'
                   ^
   SyntaxError: invalid syntax
   >>> ('un' * 3) 'ium'
     File "<stdin>", line 1
       ('un' * 3) 'ium'
                      ^
   SyntaxError: invalid syntax

如果要連接變數們或一個變數與一個字串值，使用 "+"：

   >>> prefix + 'thon'
   'Python'

字串可以被「索引 *indexed*」(下標，即 subscripted)，第一個字元的索引值
為 0。沒有獨立表示字元的型別；一個字元就是一個大小為 1 的字串：

   >>> word = 'Python'
   >>> word[0]  # character in position 0
   'P'
   >>> word[5]  # character in position 5
   'n'

索引值可以是負的，此時改成從右開始計數：

   >>> word[-1]  # last character
   'n'
   >>> word[-2]  # second-last character
   'o'
   >>> word[-6]
   'P'

注意到因為 -0 等同於 0，負的索引值由 -1 開始。

除了索引外，字串亦支援「切片 *slicing*」。索引用來拿到單獨的字元，而切
片則可以讓你拿到子字串 (substring)：

   >>> word[0:2]  # characters from position 0 (included) to 2 (excluded)
   'Py'
   >>> word[2:5]  # characters from position 2 (included) to 5 (excluded)
   'tho'

注意到起點永遠被包含，而結尾永遠不被包含。這確保了 "s[:i] + s[i:]" 永
遠等於 "s"：

   >>> word[:2] + word[2:]
   'Python'
   >>> word[:4] + word[4:]
   'Python'

切片索引 (slice indices) 有很常用的預設值，省略起點索引值時預設為 0，
而省略第二個索引值時預設整個字串被包含在 slice 中：

   >>> word[:2]   # character from the beginning to position 2 (excluded)
   'Py'
   >>> word[4:]   # characters from position 4 (included) to the end
   'on'
   >>> word[-2:]  # characters from the second-last (included) to the end
   'on'

這裡有個簡單記住 slice 是如何運作的方式。想像 slice 的索引值指著字元們
之間，其中第一個字元的左側邊緣由 0 計數。則 *n* 個字元的字串中最後一個
字元的右側邊緣會有索引值 *n*，例如：

    +---+---+---+---+---+---+
    | P | y | t | h | o | n |
    +---+---+---+---+---+---+
    0   1   2   3   4   5   6
   -6  -5  -4  -3  -2  -1

第一行數字給定字串索引值為 0...6 的位置；第二行則標示了負索引值的位置
。由 *i* 至 *j* 的 slice 包含了標示 *i* 和 *j* 邊緣間的所有字元。

對非負數的索引值而言，一個 slice 的長度等於其索引值之差，如果索引值落
在字串邊界內。例如，"word[1:3]" 的長度是 2。

嘗試使用一個過大的索引值會造成錯誤：

   >>> word[42]  # the word only has 6 characters
   Traceback (most recent call last):
     File "<stdin>", line 1, in <module>
   IndexError: string index out of range

然而，超出範圍的索引值在 slice 中會被妥善的處理：

   >>> word[4:42]
   'on'
   >>> word[42:]
   ''

Python 字串無法被改變 --- 它們是 *immutable*。因此，嘗試對字串中某個索
引位置賦值會產生錯誤：

   >>> word[0] = 'J'
   Traceback (most recent call last):
     File "<stdin>", line 1, in <module>
   TypeError: 'str' object does not support item assignment
   >>> word[2:] = 'py'
   Traceback (most recent call last):
     File "<stdin>", line 1, in <module>
   TypeError: 'str' object does not support item assignment

如果你需要一個不一樣的字串，你必須建立一個新的：

   >>> 'J' + word[1:]
   'Jython'
   >>> word[:2] + 'py'
   'Pypy'

內建的函式 "len()" 回傳一個字串的長度：

   >>> s = 'supercalifragilisticexpialidocious'
   >>> len(s)
   34

也參考:

  文本序列类型 --- str
     字串是 *sequence 型別*的範例之一，並支援該型別常用的操作。

  字符串的方法
     字串支援非常多種基本轉換和搜尋的方法。

  格式化字符串字面值
     包含有表示式的字串值。

  格式字符串语法
     關於透過 "str.format()" 字串格式化 (string formatting) 的資訊。

  printf 风格的字符串格式化
     在字串為 "%" 的左運算元時，將觸發舊的字串格式化操作，更多的細節在
     本連結中介紹。


3.1.3. List（串列）
-------------------

Python 理解數種複合型資料型別，用來組合不同的數值。當中最多樣變化的型
別為 *list*，可以寫成一系列以逗號分隔的數值（稱之元素，即 item），包含
在方括號之中。List 可以包合不同型別的元素，但通常這些元素會有相同的型
別：

   >>> squares = [1, 4, 9, 16, 25]
   >>> squares
   [1, 4, 9, 16, 25]

和字符串（以及各种内置的 *sequence* 类型）一样，列表也支持索引和切片:

   >>> squares[0]  # indexing returns the item
   1
   >>> squares[-1]
   25
   >>> squares[-3:]  # slicing returns a new list
   [9, 16, 25]

所有的切片操作都返回一个包含所请求元素的新列表。 这意味着以下切片操作
会返回列表的一个 浅拷贝:

   >>> squares[:]
   [1, 4, 9, 16, 25]

List 對支援如接合 (concatenation) 等操作：

   >>> squares + [36, 49, 64, 81, 100]
   [1, 4, 9, 16, 25, 36, 49, 64, 81, 100]

不同於字串是 *immutable*，list 是 *mutable* 型別，即改變 list 的內容是
可能的：

   >>> cubes = [1, 8, 27, 65, 125]  # something's wrong here
   >>> 4 ** 3  # the cube of 4 is 64, not 65!
   64
   >>> cubes[3] = 64  # replace the wrong value
   >>> cubes
   [1, 8, 27, 64, 125]

你也可以在 list 的最後加入新元素，透過使用 "append()" *方法* (method)
（我們稍後會看到更多方法的說明）：

   >>> cubes.append(216)  # add the cube of 6
   >>> cubes.append(7 ** 3)  # and the cube of 7
   >>> cubes
   [1, 8, 27, 64, 125, 216, 343]

也可以對 slice 賦值，這能改變 list 的大小，甚至是清空一個 list：

   >>> letters = ['a', 'b', 'c', 'd', 'e', 'f', 'g']
   >>> letters
   ['a', 'b', 'c', 'd', 'e', 'f', 'g']
   >>> # replace some values
   >>> letters[2:5] = ['C', 'D', 'E']
   >>> letters
   ['a', 'b', 'C', 'D', 'E', 'f', 'g']
   >>> # now remove them
   >>> letters[2:5] = []
   >>> letters
   ['a', 'b', 'f', 'g']
   >>> # clear the list by replacing all the elements with an empty list
   >>> letters[:] = []
   >>> letters
   []

內建的函式 "len()" 亦可以作用在 list 上：

   >>> letters = ['a', 'b', 'c', 'd']
   >>> len(letters)
   4

也可以嵌套多層 list （建立 list 包含其他 list），例如：

   >>> a = ['a', 'b', 'c']
   >>> n = [1, 2, 3]
   >>> x = [a, n]
   >>> x
   [['a', 'b', 'c'], [1, 2, 3]]
   >>> x[0]
   ['a', 'b', 'c']
   >>> x[0][1]
   'b'


3.2. 初探程式設計的前幾步
=========================

當然，我們可以用 Python 來處理比 2 加 2 更複雜的工作。例如，我們可以印
出費氏數列的首幾項序列：

   >>> # Fibonacci series:
   ... # the sum of two elements defines the next
   ... a, b = 0, 1
   >>> while a < 10:
   ...     print(a)
   ...     a, b = b, a+b
   ...
   0
   1
   1
   2
   3
   5
   8

這例子引入了許多新的特性。

* 第一行出現了多重賦值：變數 "a" 與 "b" 同時得到了新的值 0 與 1。在
  最 後一行同樣的賦值再被使用了一次，示範了等號的右項運算 (expression)
  會 先被計算 (evaluate)，賦值再發生。右項的運算式由左至右依序被計算。

* "while" 迴圈只要它的條件為真（此範例："a < 10"），將會一直重覆執行
  。 在 Python 中如同 C 語言，任何非零的整數值為真 (true)；零為假
  (false) 。條件可以是字串、list、甚至是任何序列型別；任何非零長度的序
  列為真， 空的序列即為假。本例子使用的條件是個簡單的比較。標準的比較
  運算子 (comparison operators) 使用如同 C 語言一樣的符號："<"（小於）
  、">"（ 大於）、"=="（等於）、"<="（小於等於）、">="（大於等於）以及
  "!="（ 不等於）。

* 迴圈的主體會*縮排*：縮排在 Python 中用來關連一群陳述式。在互動式提
  示 符中，你必須在迴圈內的每一行一開始鍵入 tab 或者（數個）空白來維持
  縮 排。實務上，你會先在文字編輯器中準備好比較複雜的輸入；多數編輯器
  都有 自動縮排的功能。當一個複合陳述式以互動地方式輸入，必須在結束時
  多加一 行空行來代表結束（因為語法解析器無法判斷你何時輸入複合陳述的
  最後一行 ）。注意在一個縮排段落內的縮排方式與數量必須維持一致。

* "print()" 函式印出它接收到引數（們）的值。不同於先前僅我們寫下想要
  的 運算（像是先前的計算機範例），它可以處理複數個引數、浮點數數值和
  字串 。印出的字串將不帶有引號，並且不同項目間會插入一個空白，因此可
  以讓你 容易格式化輸出，例如：

     >>> i = 256*256
     >>> print('The value of i is', i)
     The value of i is 65536

  關鍵字引數 *end* 可以被用來避免額外的換行符加入到輸出中，或者以不同
  的字串結束輸出：

     >>> a, b = 0, 1
     >>> while a < 1000:
     ...     print(a, end=',')
     ...     a, b = b, a+b
     ...
     0,1,1,2,3,5,8,13,21,34,55,89,144,233,377,610,987,

-[ 註解 ]-

[1] 因為 "**" 擁有較 "-" 高的優先次序，"-3**2" 會被解釋為
    "-(3**2)" 並 得到 "-9"。如果要避免這樣的優先順序以得到 "9"，你可以
    使用 "(-3)**2"。

[2] 不像其他語言，特殊符號如 "\n" 在單 ("'...'") 和雙 (""..."") 括
    號中 有相同的意思。兩種刮號的唯一差別，在於使用單刮號時，不需要跳
    脫 (escape) """（但需要跳脫 "\'"），反之亦同。
