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在本章中，你将运行第一个Python程序：first.py。为此，需要在计算机中安装较新版本的Python；如果计算机上已经安装了旧版本的Python，也不必卸载，因为Python支持多个版本共存。除此之外，还需要一个强有力的IDE来编写和运行Python程序，因为强大的IDE会让你的工作事半功倍。
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使用Python开发程序之前，在计算机上必须要安装Python编程环境，本节将介绍如何在Windows、macOS和Linux平台上搭建Python编程环境。
不管用什么IDE开发Python程序，都必须安装Python编程环境。读者可以直接到Python的官网https://www.python.org/downloads下载相应OS的Python安装包。
在进入下载页面时，浏览器会根据不同的OS显示不同的Python安装包下载链接。如图1-1所示是Windows的Python下载页面，与其他OS的下载页面类似。
图1-1 Windows的Python下载页面
在出现下载页面后，单击Download Python 3.10.0按钮可以下载相应OS的Python安装包。注意，在读者阅读本书时，Python的版本可能会升级，但下载页面大同小异，都是单击图1-1中页面左上角的按钮下载Python安装包。
在安装Python 3.10之前要注意，Windows必须是Windows 8.1或Windows 2012及以上版本，如果读者使用的是Windows 7或更低版本的Windows，无法安装Python 3.10。推荐读者使用Windows 10或Windows 11。
图1-2 运行Windows版的Python安装包
在安装Python安装包之前，要先确认是否已经安装了其他的Python安装包，如果已经安装了其他的Python安装包，再安装新的Python安装包时就需要安装在其他目录。由于在系统中可以同时存在多个Python编程环境，所以安装多少个Python版本都可以。
Windows版的Python开发包是exe文件，只需要双击运行该文件即可。运行安装程序后，会显示如图1-2所示的页面。建议读者选中页面下方的Add Python 3.10 to PATH复选框，这样安装程序就会自动将Python的路径加到PATH环境变量中，否则就要自己设置PATH环境变量了。如果未将Python安装目录添加到PATH环境变量中，就无法在任意目录执行python.exe，非常不方便。
接下来单击Install Now，按提示操作即可。
macOS版的Python安装包是一个pkg文件，直接双击即可安装。安装的步骤与Windows类似。
macOS默认已经带了Python开发环境，只不过是Python 2.7。之所以会带这么古老的Python开发环境，主要是因为在macOS中可能会有一些Python脚本需要执行，而这些Python脚本大多是用Python 2.x编写的，而Python 2.7是使用最广泛的Python 2.x版本。不过读者也不用管这个Python 2.7，只需要安装Python 3.10即可。
Python安装程序会将每个Python版本安装在一个新目录中。在Mac OS中，Python通常会安装在/Library/Frameworks/Python.framework/Versions目录中，在Versions目录中会根据Python版本号生成不同的子目录，如Python 3.10会生成名为3.10的子目录。Python的执行脚本在3.10/bin目录，所以需要将下面的目录添加到Mac OS系统的PATH变量中。
/Library/Frameworks/Python.framework/Versions/3.10/bin
Linux版的Python安装程序与Windows版和macOS版的安装程序有一些差异。由于Linux的发行版非常多，所以为了尽可能适合更多的Linux发行版，Linux版的Python以源代码形式发布，因此要想使用Linux版的Python，需要先在Linux下编译和安装，Python源代码需要使用GCC进行编译，因此在Linux下要先安装GCC开发环境以及必要的库，这些编译所需的资源会根据Linux发行版的不同而不同，读者可以根据实际情况和提示安装不同的开发环境和库。
Linux与macOS一样，也带了Python 2.7环境，较新的Linux发行版（如Ubuntu Linux 20.04或更新版本）已经更换为Python 3.x环境，不过一般都会比Python 3.10老，所以要想使用最新的Python版本，仍然要从Python源代码编译和安装。
下载的Linux版Python安装包是tgz文件，这是一个压缩文件。读者可以使用下面的命令解压、编译和安装Python。假设下载的文件是python-3.10.0.tgz，代码如下：
tar -zxvf python-3.10.0.tgz
cd python-3.10.0
./configure
make
make install
完成Python安装后，在Linux终端输入python3，如果成功进入Python Shell，表明Python开发环境已成功安装。
如果读者使用的是Ubuntu Linux 20.04或更高版本，运行本书中的大多数例子，是不需要再次安装Python环境的，因为Ubuntu Linux 20.04已经内置了Python 3.8，本书的绝大多数例子同样可以在Python 3.8下运行。
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本节将介绍如何安装和使用PyCharm，这是一款目前最流行的Python IDE，有免费和收费两个版本。推荐读者使用PyCharm社区版，这个版本是完全免费的。
读者可以到PyCharm官网（https://www.jetbrains.com/pycharm）下载PyCharm的安装文件。进入PyCharm下载页面后，将页面垂直滚动条滑动到中下部，会看到如图1-3所示的PyCharm专业版和社区版的下载按钮。
图1-3 PyCharm下载页面
PyCharm下载页面会根据用户当前使用的OS自动切换到相应的安装包，Windows是exe文件，macOS是dmg文件，Linux是tar.gz文件。读者只需要点击Download按钮即可下载相应OS的安装包。
启动PyCharm，首先会显示如图1-4所示PyCharm的欢迎页面。如果是第一次运行PyCharm，左侧的历史工程列表为空，如果要打开历史工程，可以单击相应的工程。要创建新的工程，可以单击右侧的New Project按钮。
图1-4 PyCharm的欢迎页面
单击图1-4中的New Project按钮，会弹出New Project窗口，这个窗口用来创建各种类型的Python工程。如果要创建Python命令行应用，可以选择第一个工程类型（Pure Python），如图1-5所示。
图1-5 New Project窗口
在图1-5中窗口的右侧会显示相关的设置项，可以选择New environment using或Existing interpreter，但要注意，下面的Python解析器要选择Python 3.10。
在Location文本框中输入Python工程的路径（本例是J:\firstpython），然后单击右下角的Create按钮创建Python工程。
创建的Python工程如图1-6所示。左侧是工程树，默认生成了一个main.py文件，双击main.py文件，会在右侧打开该文件，里面是一段案例代码。
Python源代码文件可以放在Python工程的任何位置，但为了与其他文件区分开，推荐将Python源代码文件放在src目录中，如图1-7所示。
图1-6 Python工程树和案例代码
图1-7 将Python源代码文件放到src目录中
在图1-5的窗口中如果未出现Python 3.10的环境，可以按下面操作步骤在PyCharm中添加Python环境。
（1）在图1-4中的欢迎页面右下方Configure列表中单击Settings列表项（一般是第1项）。
（2）在弹出的Settings for New Projects窗口左侧选择Python Interpreter，如图1-8所示。
图1-8 Settings for New Projects窗口
（3）在右上角Python Interpreter列表中如果没有Python 3.10解析器，单击列表右侧按钮，会弹出一个菜单，单击Add菜单项，会弹出如图1-9所示的Add Python Interpreter窗口。
在Add Python Interpreter窗口左侧选择System Interpreter列表项，然后单击Interpreter列表右侧按钮（显示省略号的按钮），选择Python的执行文件或执行脚本，如本例中的python.exe。最后单击OK按钮关闭Add Python Interpreter窗口。
图1-9 Add Python Interpreter窗口
由于目前PyCharm最高识别到Python 3.9，所以就算选择了Python 3.10，识别出来的仍然是Python 3.9，因此需要按步骤（4）所描述的方法改一个名字。
（4）回到图1-8中的Settings for New Projects窗口，单击右上角的按钮，在弹出的菜单中单击Show All菜单项，会弹出Python Interpreters窗口，选中刚才创建的Python环境，点击右侧第3个按钮（形状像小笔的按钮）编辑Python Interpreter，如图1-10所示，直接修改Name即可。
图1-10 修改Python Interpreter窗口中的Name
完成前面的操作后，就可以在图1-5所示的Interpreter列表中找到Python 3.10了。
PyCharm默认生成了一个main.py文件，该文件中有一个简单的例子，代码如下（已经去掉注释部分）：
如果是第一次运行Python程序可以选择main.py文件，然后在右键菜单中选择Run 'main'菜单项，这时main.py就会运行，以后再运行main.py，可以直接单击PyCharm主页面左上角（或右上角）的绿色箭头按钮，如图1-11所示。
运行结果如图1-12所示。
图1-11 运行main.py
图1-12 main.py的运行结果
Python程序有如下3种运行方式。
· 直接通过python命令运行。
· 在Python IDE（如PyCharm）中运行。
· 在Python的REPL环境中运行。
本节将介绍如何在REPL环境中运行Python程序，REPL是Read-Eval-Print Loop的缩写，是一个简单的交互式编程环境，也可以将Python REPL环境称为Python控制台或Python终端。为了统一，本书后面的章节都称Python REPL为Python控制台。
读者只需要在Windows命令行工具中执行python命令，即可进入REPL环境（其他OS的操作方式类似）。在命令提示符（>>>）后面输入print('hello world')，按回车键，就会在REPL环境中输出hello world，如图1-13所示。
图1-13 在Python REPL环境中输出hello world
如果在Windows下，按快捷键Ctrl+Z，然后再按回车键会退出REPL环境，如果在macOS中，按快捷键Ctrl+D退出REPL环境。也可以输入quit( )后按回车键退出Python的REPL环境。
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源代码位置：src/start/first.py
在本节将编写本书的第一个Python程序，读者通过这个程序，可以了解使用PyCharm开发、调试和运行Python程序的基本流程。
在这个例子中定义了两个整数类型的变量n和m，并将两个变量相加，最后调用print函数输出这两个变量的和。
首先用PyCharm创建一个first.py文件，并输入下面的Python代码。
图1-14 在PyCharm中输出运行结果
在PyCharm中运行first.py，会看到如图1-14所示的运行结果。
如果读者不理解本节编写的程序也无关紧要，在后面的章节会详细讲解Python的各种知识点，本节只是通过这个案例来让读者体验使用PyCharm开发Python程序的过程，在1.5节会看到如何使用PyCharm调试本节编写的Python程序。
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在开发复杂的Python程序时，如果出现bug，就需要对程序进行调试，以便找出bug对应的代码行。调试程序的方法很多，例如，可以使用print函数在程序的不同位置输出特定的信息，以便缩小bug出现的范围。不过这种方法太原始了，现在普遍使用的方法是通过调试器一步步跟踪代码行，这种方式可以非常方便地找到bug所在的位置。
在PyCharm中调试Python代码的步骤如下。
图1-15 设置断点后的效果
设置断点是调试程序的过程中必不可少的一步。Python调试器每次遇到断点时会将当前线程挂起，也就是暂停当前程序的运行。
在PyCharm编辑器中行号的后面单击，就可以为当前行添加断点，如果当前行已经有断点，再单击一次，就会删除当前行的断点。设置断点后的效果如图1-15所示。
在PyCharm中运行分为两种方式：Release和Debug，也就是发行和调试。如果只想观察程序的执行效果，可以选择Release方式；如果要调试程序，就需要使用Debug方式。
Debug按钮在PyCharm工具栏左侧，如图1-16所示（显示小爬虫的按钮，在Release按钮的右侧）。
图1-16 Debug按钮
现在单击Debug按钮，就会运行Python程序，如果Python程序没有设置任何断点，Debug和Release方式运行的效果是一样的，都会输出运行结果，只不过以Debug方式运行程序，除了会输出运行结果，还会连接到调试服务器，并输出如图1-17所示的连接成功信息。
如果Python程序中有断点，当程序执行到断点处，就会暂停程序，并且将断点行设为蓝色背景，如图1-18所示。
图1-17 输出连接成功信息
图1-18 将断点行设为蓝色背景
同时，在PyCharm下方会显示Debugger视图，如图1-19所示。在该视图中会显示各种调试信息。
调试的主要目的是将程序中的数据展现出来，也就是说，调试调的就是程序中的数据。因此，通过Python调试器，可以用多种方式观察Python程序中数据的变化。例如，由于n = 20在m = 30前面，所以在m = 30处中断后，n = 20肯定是已经执行了，可以将光标放到n = 20语句上，这时会在弹出的窗口中显示变量n的数据类型和当前的值，同时在每条变量赋值语句的后面会显示当前变量的值，如图1-20所示。
图1-19 Debugger视图
图1-20 显示变量n的数据类型和当前的值
在Debug视图的上方有一排按钮，如图1-21所示。弯曲箭头的按钮是Step Over，向下箭头的按钮是Step Into。这两个按钮功能是用来一步一步调试代码的。使用Step Into调试代码，当遇到函数、方法等代码块时，会跟踪进入代码块，然后继续一步一步运行代码（单击一下按钮，就会执行一条语句）。使用Step Over调试，如果遇到代码块，会将这个代码块当作一条语句来处理，并不会进入代码块内部。通常来讲，如果用户不能确认代码块中的代码是否正确，建议使用Step Into进行调试，这样可以跟踪每一行代码，如果用户可以保证代码块一定是正确的，那么使用Step Over进行调试会更节省时间。
断点调试不仅可以跟踪代码，还可以在运行时修改变量的值，这样就不需要每次使用不同的值调试时都重新运行程序了。如果在使用某个变量之前改变该变量的值，那么下次使用该变量时，就会使用新值。
要想修改变量的值，需要在Variables窗口中选中该变量，然后在右键菜单中单击Set Value…菜单项，如图1-22所示。这时该变量处于可编辑状态，如图1-23，直接在文本框中输入新值即可。
图1-21 用于调试的功能按钮
图1-22 在右键菜单中单击Set Value...菜单项
编辑完变量n的值后，在代码区域，变量后面的当前值提示也会变成修改后的值，但源代码是不会改变的，如图1-24所示。下一次使用变量n，值就会变成100。
图1-23 该变量处于编辑状态
图1-24 编辑变量后的效果
图1-25 Python程序运行结果
1．尝试修改1.4节的例子，使程序输出n * m的值。
答案位置： src/start/solution1.py
2．尝试编写Python程序，分别用"*、+、-、/"4个符号将两行字符串包围起来，并在PyCharm的Run窗口中输出如图1-25所示的结果。
答案位置： src/start/solution2.py
在本章中，你基本了解了Python，并在自己的系统中搭建了Python编程环境。本章使用了PyCharm作为Python IDE。在后面的章节中，如果不明确指出，默认使用的都是PyCharm。本章在PyCharm中编写了第一个Python程序，并学习了如何运行和调试Python程序，尽管这个Python程序不大，但足以了解在PyCharm中运行和调试Python程序的全过程。