代码收藏家技术教程 2025-02-23

中小学Python《一、程序执行》

一、程序执行

前言：

你是否好奇，手机里的视频是如何播放的？微信消息是怎么发送给好友的？游戏中的人物为何能灵活移动？这一切的魔法，都源于编程——一种让计算机听懂我们指令的神奇语言！

本章节让你了解到计算机与人类处理信息方式有何不同？你会看到，无论是聊天记录、音乐旋律，还是五彩斑斓的图片，本质上都是由数字和符号组成的。本章节主要探索数据类型、运算符、变量和程序执行过程！

1. 基本数据类型

1.1. 概述

我们每天在手机、电脑等电子设备上所看到的图片、听到的声音、观看的视频，表面上丰富多彩，但在计算机的世界里，它们本质上都是由二进制专数据表示，并通过数字和字母等编码方式存储和传输！

像微信、抖音这样的应用程序，都是通过编程来处理这些数字信息，让我们可以聊天、看视频、玩游戏。编程的本质，就是告诉计算机如何操作这些数据，让它按照我们的想法去工作！

1.2. 定义

在编程中，我们把单个的数据称为值，而数据的类型，决定了这个值的含义注以及使用方式注。计算机只需几种基本数据类型，就能构造出所有复杂的数据结构（比如声音、图片等）。接下来介绍Python的基本数据类型。

1.3. 基本数据类型

1.3.1. 整数（int）

定义：整数是任何没有小数点的数字，包括负数、正数和零。如：1、2024、0、-47 和 -100 都是整数。生活常见有年龄、班级人数等。

与数学比较：

1.3.2. 浮点数（float）

定义：浮点数是任何带有小数点的数字。“浮点数”名称的由来是因为小数点可以在数字之间“浮动”。如：1.5、3.59、-1.7、0.0 和 -1.0 都是浮点数，即使小数部分为零，计算机也识别为浮点数。生活常见有身高1.5米、冰淇淋价格3.5元。

与数学比较：

浮点数比较繁琐，为了能快速理解，可以认为“浮点数近似表示实数”，关于实数会在初一上学期接触到，下面简单说明：

有理数：有理数包含整数、分数以及循环小数。

无理数：无理数是小数部分无限不循环的数，比如π ≈ 3.1415926535…（无限不循环）。

实数：指的有理数和无理数的统称（所有可以想象到的数）。其特点是：

可在数轴上表示，即所有实数都能在数轴上找到对应的点

实数是连续的，即实数之间没有空隙。

浮点数 vs. 实数：

比较项	浮点数（编程）	实数（数学）
概念	计算机存储和运算格式	数轴上的数，可无限精确
精度	有限精度，可能丢失精度，在编程中，浮点数是计算机对实数的一种近似表示，但不能完美表示所有实数（如 π）	连续的，可以无限精确（如 π）
运算	可能产生舍入误差	严格数学运算，无误差

如果想更深入了解详见专业词汇浮点数

1.3.3. 布尔值(bool)

定义：布尔值是表示真( True)或假(False) 的数据类型，通常用于逻辑判断和条件控制。在Python中，True 和 False 的首字母一定是大写。生活常见有“判断题的√和×”。

编程与数学对比（可不讲）

方面	数学中的布尔值	编程中的布尔值
取值	只有 0和 1	True 和 False，有时也支持 1 和 0
应用	逻辑推理、集合运算等	条件判断、循环控制、位运算等
是否允许非布尔值	只允许 0 和 1	允许隐式转换，如 0、""、null 可能视为 false
在数学中，布尔值严格限定在 0 和 1，而在编程中，布尔值通常用于控制逻辑，还可能涉及类型转换

1.3.4. 字符串(str)

定义： 字符串是一串由字符组成的序列，字符可以是字母、数字、符号或空格。在编程中，通常用引号（单引号'或双引号"）括起来。如："z"、"python@ai.com"、":)"和"-12"、"98.5"、"True"都是字符串。即使部分引号内容看起来像数字或布尔值，但因引号的存在计算机仍然会把它当作字符串，而不是数值或逻辑值。生活常见有微信消息、游戏ID。

特殊情况：

""（空字符串）：一个不包含任何字符的字符串。

" "（包含空格的字符串）：虽然只有一个空格字符，但仍然是一个非空字符串，与 "" 不同。

None：表示“没有值”

单引号与双引号区别：

Python 官方建议优先使用双引号"，但实际使用时，按避免转义的规则选择即可。

情况	推荐用法
一般字符串	'hello' 或 "hello" 都可以
字符串里有双引号	'"Python is fun!"' ✅ （避免转义 \"）
字符串里有单引号	"It's easy" ✅ （避免转义 \'）
多行字符串	使用三重引号'''多行文本''' 或 """多行文本"""

1.4. 复杂数据组合

复杂数据是由基本数据类型组合而成。仅靠这些基本数据类型，如何构成微信、歌曲或照片这样的复杂内容呢？实际上，计算机通过数值编码的方式来表示和存储各种复杂数据。

微信：页面包含了浮点数、字符串、布尔值。

音频和图像

计算机将所有音频和图像数据表示为巨大的整数序列。

音频：

计算机通过固定时间间隔采样声波，记录每个采样点的振幅，并将其转换为整数。

这些整数组成的序列，就像图表上的点一样，描述了整个声音波形。

详见“声音波形演示.mp4”

图像：

计算机将图像分解成无数个像素（类似马赛克的方块）

黑白图像：每个像素用 0-255 之间的整数表示亮度，0 代表黑色，255 代表白色

彩色图像：每个像素由三个整数（RGB 值）表示，其中：

红色（R）：0-255 之间的整数

绿色（G）：0-255 之间的整数

蓝色（B）：0-255 之间的整数

1.5. 为什么要把这一切搞得这么复杂？

计算机只能理解0和1，也就是二进制。这源于计算机的硬件工作原理，它基于电子开关（

可想象为计算机是由很多开关组成），开关只有两种状态：开（1）和关（0）。因此，所有数据在计算机中最终都会被转换为二进制形式，以便计算机的硬件能够进行处理和存储。

计算机自动处理数据转换的好处：

便利性：计算机在后台自动完成数据到二进制的转换，程序员无需直接操作二进制。

抽象性：程序员可以使用高级数据类型（如整数、字符串），无需关心底层的二进制表示。

易用性：编程语言提供了丰富的操作符和函数，直接操作高级数据类型，从而简化编程。

可移植性：虽然不同计算机硬件可能对二进制的处理方式有所不同，但使用高级数据类型可以屏蔽这些差异，使得程序能够在不同硬件平台上运行。

示例：数据到二进制的转换

代码转换成二进制的过程

想象一下，你写了一封信，而计算机只懂二进制（0和1）。为了让计算机理解你的信，你需要把它翻译成这种“语言”。整个过程可以分为以下几个步骤：

1. 编写代码（类似写信）用人类能懂的语言写了一段代码，就像写一封信。
2. 语法分析（分析句子）编译器按照规则把分析每个句子。
3. 语义分析（检查意思）编译器还会检查这些句子的意思是否对，就像老师检查你的作文有没有写错或逻辑不通。
4. 生成二进制数据（翻译成电脑的秘密语言）然后，编译器把这些句子一步步翻译成电脑能懂的语言，也就是一串串0和1。
5. 加载和运行（电脑执行）最后，计算机将这段翻译好的二进制程序加载到内存中，并按照程序指令运行。

2. 表达式与计算机“说话”

2.1. 运算符

定义：用来对数据进行操作的符号。Python提供了多种运算符，包括算术运算符、比较运算符、逻辑运算符、赋值运算符等。因课程需要本节只介绍算术运算符“+”，其余的会在其他章节讲解。

2.2. 表达式

定义：是由数据和运算符组成而成。

可以将表达式看作是一个“短语”，它虽然不是完整的句子，但它能够表达一定的含义。比如“苹果和香蕉” 只是两个词语的组合成了短语，如果要完整的描述可以说 “我买了苹果和香蕉”。

当计算机在程序中遇到一个表达式时，它会将该表达式计算为一个单一的值。这和人类的思维方式类似：当你看到5+2时，就会在脑海中进行计算，并得出结果7。计算机也是如此。它将每个表达式简化为最简单的形式。

不同数据类型的运算：

我们来看运算符 “+” 在不同数据类型相加时会发生什么？

正常情况

整数 + 整数

结果：整数

示例：1 + 1 = 2

解释：整数加法的结果仍然是整数，这是我们日常计算的常识。

浮点数 + 浮点数

结果：浮点数

示例：1.2 + 3.4 = 4.6

解释：两个小数相加，仍然会是一个小数。

整数 + 浮点数

结果：浮点数

示例：1 + 2.5 = 3.5

解释：整数与小数相加，结果仍然是小数，因为小数部分需要被保留。

字符串 + 字符串（字符串连接）

结果：一个新的字符串

示例："Hello" + "World" → "HelloWorld"

解释：在 Python 里，字符串相加并不会像数字那样做数学运算，而是把两个字符串直接拼接在一起。这种操作被称为字符串连接（concatenation）。

特殊情况

整数 + 字符串

结果：错误（TypeError）

示例：5 + "hello"（错误）

解释：计算机无法理解该如何把一个数字和一个文字拼在一起，所以会报错。同样数学中也无法计算“5+hello”等于什么。

布尔值 + 数字思

结果：整数

示例：True + 1 = ？，False + 1 = ？

解释：实际的程序中很少这样做，这里不讲解。但希望你能自己试试，然后补充答案，并给出解释。

2.3. 让计算机“说话”

在代码编辑器的第一行，我们写下一个表达式1 + 1。计算机看到后，会立刻计算它的结果为2。但运行程序后，屏幕上什么都没有，这是为什么呢？

这是因为计算机就像一个“听话但呆萌的机器人”，它只会执行你明确告诉它的指令。虽然它计算出了1 + 1 = 2，但你并没有告诉它要“说出来”，所以它只是默默地把结果放在心里，没有显示出来。

如果你想让计算机把结果告诉你，就需要使用print()函数。print() 就是让计算机“开口说话”的方法，它会把括号内的内容打印到屏幕上。例如：

print(1 + 1) # 屏幕输出：2

就像你在学校做数学题，如果老师问你“1 + 1 等于多少？”

你心里算出2但不说出来，老师就不会知道答案。这时，如果你大声说“2”，老师才知道你算对了！计算机也是一样的道理！

2.4. 编写代码的规则

一行一个指令：每个指令需要单独写在一行，否则计算机会“晕头转向”。✅ 正确写法：

print(1 + 1)
print("你好")

❌ 错误写法：

print(1 + 1) print("你好") # 计算机会报错！

顺序执行：计算机会从上到下依次执行指令。例如：

print("第一句话")
print("第二句话")

输出结果：

第一句话
第二句话

3. 程序的执行过程

在学习编程时，我们不仅要学会写代码，还要学会像计算机一样思考，理解它是如何一步步执行程序的。这种方式称之为 “跟踪式学习”注跟踪代码，好处如下：

提高代码阅读和编写能力

预测程序的运行结果，减少试错

逐步在脑中模拟代码的执行过程

如下图，当你运行下述代码时，计算机会将代码逐行加载到内存中，然后逐行解释每个指令，所以无法从整体上理解程序的意图。为了更直观地理解，我们分析它的执行过程：

1. 第一行代码：
  1. 计算机首先将程序的第一行加载到内存
  2. 识别表达式，将其简化为单一的值，结果为2。
  3. 计算机会查看括号外的内容，括号外内容print指令，将结果3.5显示在控制台中。
  4. 打印完成后，计算机会优化自己“大脑”，它不再需要记住这条指令，也不需要这些信息，所以它只是清空“大脑记忆”（工作内存）并忘记，这为下一条指令腾出了空间。

1. 第二行代码：
  1. 第二行加载到工作内存中
  2. 识别表达式，将其简化为单一的值，结果为5。
  3. 因该行只有表达式，上一步已完成了任务，计算机会优化自己“大脑”，清空工作内存，忘记5，继续下一行。

1. 第三行代码：
  1. 第三行加载到工作内存中
  2. 识别表达式，表达式有两个运算符，则计算机分为两个步骤从左到右求值，并简化为单一的值，即"hello word"
  3. 计算机会查看括号外的内容，括号外内容print指令，将结果显示在控制台中。
  4. 打印完成后，计算机会优化自己“大脑”，它不再需要记住这条指令，也不需要这些信息，所以它清空工作内存并忘记，这为下一条指令腾出了空间。

1. 第四行代码：
  1. 没有任何信息，计算机终止程序执行

4. 如何辨别错误

4.1. 定义：

错误是指程序没有按照预期运行。无论是新手还是经验丰富的程序员，编写程序时都会遇到错误。编程的本质就是一个不断尝试、修复、再尝试的过程。没有人能一次性写出完美无缺的代码，因此错误是编程中非常自然的一部分。

在编程中，常见的错误类型有三种：语法错误、运行时错误和逻辑错误。

4.2. 三种错误类型

4.2.1. 语法错误：

定义：语法错误是指程序代码不符合Python语言的规则。

就像“饭吃了吗”不符合中文语法一样，如果代码的语法不正确，程序将无法运行。

特点：

在运行程序时立即发现语法错误，并在控制台中报告。

程序不会执行任何代码，甚至在错误出现之前就会停止。

常见例子：

错误方式	错误示例	错误原因
括号不匹配	print("Hello, world!"	括号没有正确闭合，应该是print("Hello, world!")
字符串引号不匹配	print("Hello, world!)	字符串的引号没有正确闭合，应该是print("Hello, world!")
缩进错误	prin("Hello, world!")	Python里没有prin() 这个函数，正确的写法是 print()

错误发现方法：

运行代码后，控制台会直接显示错误信息。

代码编辑器中的工具通常会用红色波浪线标记出错误位置。

4.2.2. 运行时错误

定义：运行时错误是指程序在运行过程中出现的错误。这类错误的代码语法是正确的，但在执行某条指令时，计算机无法完成操作。

类似数学计算过程错误：10 ÷ 0 ,数学中任何数字都不能除以 0。同样这个在计算机中也会报错。

特点：

程序会正常执行错误行之前的所有代码。

当计算机遇到错误行时，会立即停止运行并报告错误。

错误行之后的代码不会被执行。

错误比较隐蔽

常见例子：

错误类型	错误示例代码	错误原因
类型错误（TypeError）	print("age:"+25)	数据类型不兼容，字符串与数字不能相加。正确：print("age:"+25)
名称错误（NameError）	name="张三" print(nam)	访问未定义的变量，通常是变量拼写错误或未声明变量。name="张三" print(name)
值错误（ValueError）	python int("abc")	int()函数无法识别字符串转换为整数python int("123")

错误发现方法：

按下“运行”按钮后，控制台会显示部分输出，直到错误发生的位置。

4.2.3. 逻辑错误

定义：逻辑错误是指程序虽然能够正常运行，但结果与预期不符。这类错误是最难发现的，因为计算机不会报错，程序会正常执行完毕。

数学中的计算方法错误：例如小明有5颗糖，又得到了2颗，现在他有多少颗糖？

如果写成5-2=3就错了，应该是加法。

特点：

代码语法正确，计算机能够理解并执行所有指令。

程序运行后没有错误信息，但结果不正确。

程序员需要通过测试和分析来发现错误。

常见例子：

错误类型	错误示例代码	正确写法
计算错误	苹果5个、橙子2个、梨6个，求总数量： print(5+2)	计算过程中漏掉某个值，导致结果错误。应该是： print(5+2+6)
条件错误	分数大于60打印通过，否则不通过。 if score < 60: print("通过") else: print("不通过")	条件判断逻辑写反，导致错误。应该是： if score > 60: print("通过") else: print("不通过")
循环错误	循环输出1~5 for i in range(1, 5): print(i)	循环次数不正确，导致执行次数不符合预期。应该是： for i in range(1, 6): print(i)