探索Python，第1部分：Python的内置数值类型

转载：http://www.ibm.com/developerworks/cn/opensource/os-python1/index.html

Python入门，功能强大的面向对象脚本语言

级别：初级

Robert J. Brunner ([e-mail]), 研究科学家

2005 年 6 月 06 日

    Python编程语言具有很高的灵活性，它支持多种编程方法，包括过程化的、面向对象的和函数式的。但最重要的是，在Python中编写程序是件令人愉悦的事。该语言对开发进程有支持作用，决不会妨碍它。本文是关于Python编程系列文章的第一篇，主要介绍Python及其内置数值类型。

    Python是一种敏捷的、动态类型化的、极富表现力的开源编程语言，可以被自由地安装到多种平台上（参阅参考资料）。Python代码是被解释的。如果您对编辑、构建和执行循环较为熟悉，则Python代码对您来说更简单。但是，请不要搞错：Python可以是简单的脚本，也可以是大型的复杂程序。事实上，Python解释器的最大特点是鼓励探索和简化学习过程。如果您想证明这一点，请使用Python编写著名的 Hello World! 程序：
       1. 启动Python解释器。在UNIX系统（包括Mac OS X）中，启动解释器通常包括在命令提示行键入
    python；在Microsoft® Windows®系统中，启动Python命令shell。
       2. 在Python提示行中，在三个大于号(>>>)标志后输入 print 'Hello World!'，然后按    
    Enter。
       3. 完成：没有第三步了。清单1显示了此命令的输出。

rb% python
Python 2.4 (#1, Mar 29 2005, 12:05:39)
[GCC 3.3 20030304 (Apple Computer, Inc. build 1495)] on darwin
Type "help", "copyright", "credits" or "license" for more information.
>>> print 'Hello World!'
Hello

    您可以看到，我使用的是运行于Apple OS X系统上的Python V2.4。但是，不管操作系统是什么，基本原理都是一样的，而且在本例中，所用的是Python的哪一个实际版本也无所谓。我虽然不了解您，但是此Hello World! 练习比我学过的C、C++甚至Java™ 语言的对应练习容易多了。这种简单性就是使用Python解释器的主要优点之一。开发人员可以快速试验一个想法、研究一种对象属性或不同算法，而无需编译、执行和测试任何代码。

Python类型层次结构

    从其他语言过渡到Python编程语言时需要学习的最重要的课程之一是，Python中的每样东西都是对象。这一点可能并没有什么特别之处，尤其是对于熟悉面向对象的语言（如C++、Java或C#）的人来说。然而，Python的面向对象原理与其他语言不同，主要表现在两个方面：第一，Python中的所有数据值都被封装在相关对象类中。第二，Python程序中的所有东西都是可以从程序访问的对象，即使是您编写的代码也不例外。

    大多数流行的编程语言都有多个内置的数据类型，在这一方面Python也一样。例如，C编程语言具有整型和浮点类型。由于谱系相同，Java语言和C#具有内置类型也不足为奇。这意味着在C程序中，可以编写int i = 100来创建和初始化整型变量。在Java和C#中，此方法也是可能的，而且使用它们的自动装箱功能，在需要时这两种语言还可以把这种简单的内置类型转换为Integer对象。

    另一方面，Python不包含像int这样的简单类型——只有对象类型。如果Python中需要整数值，将整数赋值给相应变量（如i = 100）即可。在后台，Python将创建一个整数对象，并将对新对象的引用赋值给变量。问题的关键是：Python是一种动态类型化语言，所以无需声明变量类型。事实上在单个程序中，变量的类型是可以改变（多次）的。

    一种直观演示动态类型化工作方式的简单方法是，设想单个名为PyObject的基类，让Python中的所有其他对象类型都继承它。在这一模型中，您创建的所有变量都将引用在总的类层次结构中创建的对象。如果您还让PyObject类记录曾创建并分配给变量的子类的实际类型或名称，则Python程序可正确确定程序执行过程中需要采取的步骤。

    上一段描述Python的面向对象的模型图像是对Python的实际工作方式很好的模拟。除此之外，Python还可以使用类型函数来简化对变量类型的确定。（本例还介绍如何使用带有#字符的内联注释。）

>>> i = 100 # Create an int object whose value is 100
>>> type(i)

>>> f = 100.0
>>> type(f)


    可以将PyObject类之下的所有Python类划分为Python运行时解释器可以使用的四个主要类别：

        * 简单类型   —— 基本构建块，如int和float。
        * 容器类型  —— 保存其他对象。
        * 代码类型 —— 封装Python程序的元素。
        * 内部类型 —— 程序执行期间使用的类型。

    到本系列结束时，我会把所有不同类别都介绍给大家。但是在这第一篇文章中，我重点介绍简单类型。

简单类型

    Python有五个内置的简单类型：bool、int、long、float和complex。这些类型是不可变的，就是说整数对象一旦创建，其值便不可更改。相反，系统将创建新的简单类型对象并将其赋值给变量。通过Python id函数，可以查看基本PyObject标识的变更方式：

>>> i = 100
>>> id(i)
8403284
>>> i = 101
>>> id(i)
8403296

    此方法看似容易丢失对象，会导致内存泄漏。但是，Python像C#和Java一样，使用了垃圾回收功能，以释放用于保存不再引用的对象的内存，如上例中用于保存100的整数对象。

布尔类型

    Python中最简单的内置类型是bool类型，该类型包括的对象仅可能为True或False：

>>> b = True
>>> type(b)

>>> id(b)
1041552

    因为只有两个可能值，所以布尔类型是惟一的。Python解释器提供这仅有的（也是必需的）两个bool对象：True和False。在任何时候，在Python程序需要这些对象时，变量只能相应地引用其中一个值。清单5显示bb变量如何具有同一个id，不管您直接赋予它b变量的值还是直接赋予它True对象。

>>> b = True
>>> id(b)
1041552
>>> bb = b
>>> id(bb)
1041552
>>> bb = True
>>> id(bb)
1041552

    布尔对象名称的大小写是至关重要的，因为true（和false）是未定义的：

>>> b = true
Traceback (most recent call last):
  File "", line 1, in ?
NameError: name 'true' is not defined

    在这一点上，bool类型可能看起来不是很有用。不过顾名思义，布尔表达式是依赖于名称的，如下所示：

>>> b = 100 < 101
>>> print b
True

    很多程序利用布尔表达式，Python提供一整套布尔比较和逻辑运算，详细信息请分别参见表1和表2。

表1. Python中的布尔比较运算符

运算符     描述                     示例
<         小于                    i < 100
<=        小于等于                 i <= 100
>         大于                    i > 100
>=        大于等于                 i >= 100
==        相等                    i == 100
!=        不相等（另外使用 <>）     i != 100

    补充一点，表1中列出的运算符优先级都一样，除非将表达式置于括号中，否则按从左到右的顺序应用。

表2. Python中的逻辑运算符

运算符     描述     示例
not       逻辑非    not b
and       逻辑与    (i <= 100) and (b == True)
or        逻辑或    (i < 100) or (f > 100.1)

    逻辑运算符的优先级低于单独的比较运算符，这一点意义重大，因为必须先计算比较运算符，然后才能计算逻辑运算符。逻辑运算符的实际优先级就是表2中罗列这些运算符的顺序。

    在Python中，关于or和and逻辑运算符有意思的是，它们都是快捷运算符。简言之，如果给定表达式x or y，则仅当x为False时才会计算y。同样地，如果给定表达式x and y，则仅当x为True 时，才会计算y。此功能可以增强表达式求值的性能（尤其是针对长的或复杂的表达式），然而对于习惯于从其他语言学来的不同规则的程序员而言，则容易犯错。

数值类型

    Python中其他四个简单的内置类型都是数值类型：int、long、float和complex。在程序中，数值类型很常见，不管使用的是什么语言。Python对算术运算提供完整支持，包括加法、减法、乘法和除法（参见表 3）。

表3. Python中的算术运算

运算符     描述     示例
*         乘       i * 100
/         除       i / 100
//        整除     i // 100
%         取余     f % 100
+         加       i + 100
-         减       i - 100

    乘法和除法运算符（表3中列出的前四个）具有高于加法和减法的优先级。如前所述，您可以通过使用括号分组子表达式，将其分离出来以提高优先级。

    Python与Java语言不同，Java语言通常定义允许的数值类型的范围，而Python在这一点上更像C，因为它的类型范围是依赖于平台的。您可以使用int和long两种类型来保存整数值，它们的不同点在于int是一种32位的整数值。因而，它被限制为只能保存从-2^32 到2^32 - 1之间的值（在多数平台上）。与此相反，长整数类型的精度不受限，仅计算机内存对它有影响。要通知Python应该按照长类型处理整数，只需将L附加到数字的末尾，如100L。在Python中，浮点值始终是按双精度处理的；因此Python的float类型对应于C类语言中的双精度。

    与数值类型相关的其他两个重点是常量（如上例中的100，只是明确表达的数字）和位运算。程序员一般在十进制系统（以10为基数）中工作。但是，有时其他系统也相当有用，尤其是我们知道计算机是基于二进制的。Python可以提供对八进制（以8为基数）和十六进制（以16为基数）数字的支持。要通知Python应该按八进制数字常量处理数字，只需将零附加在前面。将一个零加上一个x附加在数字的前面是告诉Python按十六进制数值常量处理数字，如以下代码所示：

>>> print 127 # Using decimal literal
127
>>> print 0177 # Using octal literal
127
>>> print 0x7F # Using hexadecimal literal
127

    当您具有容易的方式来表达数值常量时，尤其是十六进制，就可以容易地构建对应于特定测试用例的标志，这是一种常见的编程技术。例如，一个32位的整数可以存储32个标志值。使用位测试，可以容易地测试标志变量上的特定标志。Python中位运算的完整列表如表4所示。

表4. Python中的位运算

运算符      描述         示例
~          按位求补      ~b
<<         向左位移      b << 1
>>         向右位移      b >> 1
&          按位和        b & 0x01
^          按位异或      b ^ 0x01
|          按位或        b | 0x01

    至此，您可能想知道不同数值类型在单个表达式中混合出现的时候怎么办。简单的答复是，Python会根据需要将表达式中的所有操作数转换为最复杂的操作数的类型。复杂度的顺序是：int、long、float和complex（非双关），下面是一个简单的示例：

>>> 1 / 3
0
>>> 1.0 / 3
0.33333333333333331
>>> 1.0 // 3
0.0
>>> 1 % 3
1
>>> 1.0 % 3
1.0

    尽管Python会与您预期的一样转换操作数，但是语言并不基于运算符转换操作数，如1/3示例中所示，其计算结果为整数。如果要强制取得浮点结果，则必须确保操作数中至少有一个为浮点类型。

complex类型

    最后一种类型complex可能是大多数程序员难以识别的，因为它不是其他编程语言中常见的内置数据类型。而对于工程师和科学家来说，复数却是个司空见惯的概念。从形式上讲，复数具有实部和虚部两个部分，都由Python中的float类型来表示。虚数是-1的平方根的倍数，用i或j表示——取决于您被培养为科学家还是工程师。在Python中，复数的虚部被表示为j：

>>> c = 3.0 + 1.2j
>>> print c
(3+1.2j)
>>> print c.real, c.imag
3.0 1.2

    本例是一个实部为3.0和虚部为1.2的复数。注意，通过使用复数对象的real和imag属性，即可访问复数的不同部分。

它们真是对象吗？

    到此为止，我已经介绍了Python只处理对象类型，然而示例中好像并没有什么对象。最后还有一个问题，构造函数在哪里？对于简单的内置数据类型，Python替您做了大量的工作。不过，构造函数还在那里（其名称与相关数据类型的名称相同），如果您愿意，可以直接使用它们，如下所示：

>>> b = bool(True)
>>> i = int(100)
>>> l = long(100)
>>> f = float(100.1)
>>> c = complex(3.0, 1.2)
>>> print b, i, l, f, c
True 100 100 100.1 (3+1.2j)

结束语

    Python是一种无比简单又功能强大的语言，入门极其容易，尤其是对于已经具有C类语言的经验的程序员来说。本文简单介绍了Python编程语言和内置数据类型：bool、int、long、float和complex。如果您尚未理解，则请启动一个Python解释器，并尝试按照我上面讨论的方法操作。您将会很高兴，我做到的您也可以做到。

• 您可以参阅本文在developerWorks全球站点上的英文原文。
  
  
• 下载。
  
  
• 当您具有了正常运行的Python解释器时，是您学习该语言的理想去处。
  
  
• IBM developerWorks发表了很多关于Python的文章，David Mertz撰写的高级的可爱的 Python 专栏就是其中之一。
  
  
• 如果您更习惯于使用IDE，则可阅读Ron Smith撰写的用 Eclipse 和 Ant 进行 Python 开发，这篇文章介绍了使用Eclipse编写Python代码的方式。
  
  
• The Python Reference Manual提供Python 对象属性的讨论。
  
  
• The Python Reference Manual还可提供和的合法细节。
  
  
• 复数并非仅供科学家和工程师使用。它们还可用于图形工作，如简化。
  
  
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    Robert J. Brunner是National Center for Supercomputing Applications的一名研究科学家和伊利诺斯州大学香槟分校的天文学助理副教授。他曾经就一系列主题发表多部著作，及大量文章和教程。