任务1.1
搭建Python开发环境

一、任务描述

Python可以安装在众多平台上，用户可以根据需要安装，但是在不同的平台上安装Python的方法是不一样的。本任务要求在Windows操作系统上安装Python解释器及常用的集成开发环境（Integrated Development Environment，IDE）。

二、相关知识

1.Python的发展历程

Python由荷兰国家数学和计算机科学研究学会的吉多·范罗苏姆（Guido van Rossum）于20世纪90年代初设计，并成为“ABC语言”的替代品。Python提供了高效的高级数据结构，能简单有效地进行面向对象编程。Python优雅的语法和动态类型，以及其解释型语言的本质，使它成为在大多数平台上编写脚本和快速开发应用的理想编程语言。随着Python版本的不断更新及其新功能的上线，Python逐渐用于独立的、大型项目的开发。

Python已经成为最受欢迎的程序设计语言之一。Python 2于2000年10月16日发布，其稳定版本是Python 2.7。Python 3于2008年12月3日发布，不完全兼容Python 2。就目前来看，Python 3.x的设计理念更人性化，其全面普及和应用已经是大趋势。

2.Python的特点

Python的特点如下。

（1）简单：Python是一种代表简单主义思想的语言。它的语法清晰，代码易读、易维护，编程简单、直接。它能够使用户专注于解决问题而不是去弄明白语言本身的含义。

（2）易学：Python上手非常快，学习难度非常低，可以通过命令行交互环境来学习Python编程。在众多计算机语言中，它是最容易读、最容易编写，也是最容易理解的语言之一。

（3）免费、开源：Python是开源软件，这意味着可以免费获取Python源代码，并能自由复制、阅读、改动。Python在被使用的同时也被许多优秀的人才改进，进而不断完善。

（4）解释型：大多数计算机编程语言都是编译型的，即在运行之前需要将源代码编译成操作系统可以运行的二进制格式，这导致大型项目的编译过程非常消耗时间。而用Python语言编写的程序不需要编译成二进制代码，可以直接使用源代码运行。Python解释器把源代码转换为字节码的中间形式，然后把它翻译成计算机使用的机器语言并运行。

（5）可移植性：Python作为一种解释型语言，可以在任何安装有Python解释器的开发环境中运行，因此Python程序具有良好的可移植性，在某个平台编写的程序无需或仅需少量修改便可以在其他平台上运行。

（6）面向对象：Python既支持面向过程编程，又支持面向对象编程。在面向过程的语言中，程序是由过程或可重用代码的函数构建的。在面向对象的语言中，程序是由数据和功能组合而成的对象构建的。与其他主要的语言（如C++和Java）相比，Python以一种非常强大且简单的方式实现面向对象编程。

（7）可扩展性：Python程序除了使用Python语言本身编写外，还可以混合使用C语言、Java语言等编写。比如，需要一段关键代码运行得更快或者希望某些算法不公开，就可以把这部分程序用C语言或C++语言编写，然后在Python程序中调用它们。

（8）丰富的库：Python不仅内置了庞大的标准库，而且支持丰富的第三方库以帮助开发人员快速、高效地处理各种工作。例如，Python提供了与系统操作相关的os库、正则表达式库re、图形用户界面库tkinter等标准库。Python支持许多高质量的第三方库，例如图形处理库Pillow、游戏开发库Pygame、科学计算库NumPy等，这些第三方库可以在使用pip工具安装后使用。

3.Python的应用领域

作为一门功能强大且简单易学的编程语言，Python主要应用在下面几个领域。

（1）Web开发：Python是Web开发的主流语言。与JavaScript、PHP等广泛使用的语言相比，Python的类库丰富、使用方便，能够为一个需求提供多种解决方案。此外，Python支持最新的XML（Extensible Markup Language，可扩展标记语言）技术，具有强大的数据处理能力，因此在Web开发中占有一席之地。Python为Web开发提供的框架有Django、Flask、Tornado、web2py等。

（2）科学计算与数据分析：随着NumPy、SciPy、Matplotlib等众多库的引入和完善，Python越来越适合用于科学计算与数据分析。Python不仅支持各种数学运算，还支持绘制高质量的二维和三维图像。与科学计算领域流行的商业软件MATLAB相比，Python的应用范围更广泛，可以处理的文件和数据类型更丰富。

（3）自动化运维：早期的运维工程师大多使用Shell编写脚本，如今，Python几乎可以说是大多数运维工程师的首选编程语言之一。在很多操作系统中，Python是标准的系统组件，大多数Linux发行版和Mac OS X都集成了Python开发环境，可以在终端设备上直接运行Python。Python标准库包含多个调用操作系统功能的库，如通过第三方库PyWin32，Python能够访问Windows的COM服务及其他Windows API（Application Program Interface，应用程序接口）；通过IronPython，Python能够直接调用.NET Framework。一般来说，用Python编写的系统管理脚本在可读性、性能、代码重用度、可扩展性这几方面都优于Shell脚本。

（4）网络爬虫：网络爬虫可以在很短的时间内获取互联网上有用的数据，能够节省大量的人力资源。Python自带的urllib库、第三方库Requests、Scrapy框架、Pyspider框架等让网络爬虫的实现变得非常简单。

（5）游戏开发：很多游戏开发者先利用Python或Lua编写游戏的逻辑代码，再使用C++编写如图形显示等对性能要求较高的模块。Python标准库提供了PyGame库，用户可以使用该库制作二维游戏。

（6）人工智能：Python是人工智能领域的主流编程语言。人工智能领域中流行的神经网络框架TensorFlow就可以兼容使用Python语言。

三、任务分析

Python的开发工具较多，可以根据不同的开发需求选择。本任务主要介绍Python解释器的下载与安装、PyCharm的下载与安装、Anaconda的下载与安装以及第三方库的下载与安装。

四、任务实现

1.下载与安装Python解释器

Python解释器是解释Python脚本运行的程序。编写Python代码并保存后，我们会得到一个以.py为扩展名的文件。要运行此文件，就需要Python解释器。访问Python官网，下载Python解释器并安装，以搭建Python开发环境。具体操作步骤如下。

（1）访问Python官网，选择“Downloads”→“Windows”，如图1-1所示。

（2）页面跳转到下载页面，其中有很多版本的安装包，学习者可以根据自身需求下载相应的版本。图1-2所示为Python 3.9.6的32位和64位离线安装包。

注：“x86”表示32位操作系统，“x86-64”表示64位操作系统。

（3）根据操作系统的类型选择相应的版本。以下载并安装64位离线安装包为例，选择“Windows installer（64-bit）”进行下载。下载成功后，双击安装包开始安装。在Python 3.9.6安装界面中有默认安装与自定义安装两种方式，如图1-3所示。

（4）勾选“Add Python 3.9 to Path”复选框，选择“Customize installation”，进入设置可选功能界面，如图1-4所示。

如图1-4所示，默认勾选所有复选框，这些复选框对应的功能如下。

●Documentation：Python帮助文档，其目的是帮助开发者查看API以及相关说明。

●pip：Python包管理工具，该工具提供对Python包的查找、下载、安装、卸载等功能。

●td/tk and IDLE：tk是Python的标准图形用户界面接口，IDLE（Integrated Development and Learning Environment，集成开发和学习环境）是Python自带的简洁的IDE。

●Python test suite：Python标准库测试套件。

●py launcher：Python Launcher，安装后，可以通过全局命令py启动Python。

●for all users（requires elevation）：适合所有用户使用。

（5）保持默认设置，单击“Next”按钮，进入高级选项配置界面，根据自身需要勾选复选框，设置Python的安装路径，如图1-5所示。

图1-5所示的复选框对应的功能如下。

●Install for all users：为当前计算机中所有用户安装Python。

●Associate files with Python（requires the py launcher）：关联所有的Python文件，.py\.pyc等文件打开时默认使用Python直接运行。

●Create shortcuts for installed applications：创建快捷方式。

●Add Python to environment variables：将Python添加至环境变量。

●Precompile standard library：预编译标准库。

●Download debugging symbols：下载调试符号。

●Download debug binaries（requires VS 2017 or later）：下载调试二进制文件。

（6）选择安装路径，其他设置采用默认配置，单击“Install”按钮，进入安装界面，如图1-6所示。Python的安装进度非常快，安装成功后的界面如图1-7所示，单击“Close”按钮，关闭界面。

（7）验证是否安装成功。进入计算机的命令提示符窗口，输入“python”并按“Enter”键，若显示Python的版本信息，如图1-8所示，则表示安装成功。

2.IDLE的应用

在安装Python时，会自动安装IDLE工具。IDLE是Python的IDE，是一个Python Shell（可以在打开的IDLE窗口的标题栏上看到），程序开发人员可以利用Python Shell与Python进行交互。下面以Windows 10系统中的IDLE为例，详细介绍如何使用IDLE开发Python程序。

（1）单击系统的开始菜单，然后依次选择“Python 3.9.6”→“IDLE（Python 3.9.6 64-bit）”，即可打开IDLE窗口，如图1-9所示。

（2）在Python提示符后输入Python代码，并按“Enter”键。例如，使用print()函数输出文字、进行算术运算等，如图1-10所示。

（3）图1-10中只输入了简单的语句。在实际开发中，Python程序通常不只包含一行代码。当需要编写多行代码时，可以单独创建一个文件来保存这些代码，全部编写完成后一起运行。具体方法为：在IDLE窗口的菜单栏上，选择“File”→“New File”，打开一个新窗口，如图1-11所示。在该窗口中，直接编写Python代码。

（4）输入一行代码后按“Enter”键，将自动换行，等待继续输入。在代码编辑区中，可以编写多行代码。例如，输出宋词《如梦令》，如图1-12所示。

（5）按“Ctrl+S”快捷键或在菜单栏中选择“File”→“Save”，保存文件，这里将文件名称设置为demo.py。其中，.py是Python文件的扩展名。

（6）在菜单栏中选择“Run”→“Run Module”（也可以直接按“F5”快捷键），运行代码，如图1-13所示。

（7）运行程序后，回到IDLE窗口，显示运行结果，如图1-14所示。

（8）在程序开发过程中，正确使用快捷键不但可以降低代码的错误率，而且可以提高开发效率。在IDLE中，选择“Options”→“Configure IDLE”，在打开的“Settings”对话框的“Keys”选项卡中可以查看快捷键，但是该对话框中显示的是英文，不便于查看。为方便学习，表1-1列出了IDLE常用的快捷键。

3.下载与安装PyCharm

PyCharm是一种Python IDE，带有一整套可以帮助用户在使用Python语言开发时提高效率的工具，如调试、语法高亮、项目管理、代码跳转、智能提示、自动完成、单元测试、版本控制等。此外，PyCharm提供了一些高级功能，用于支持Django框架下的专业Web开发。目前，PyCharm已经成为Python专业开发人员和初学者广泛使用的Python IDE。下面对PyCharm的下载和安装进行介绍。

（1）访问PyCharm官网，进入PyCharm的下载页面，如图1-15所示。

用户可以根据不同的平台类型选择要下载的PyCharm，每个平台均可以选择下载Professional和Community两个版本。

①Professional版本的特性如下。

●提供Python IDE的所有功能，支持Web开发。

●支持Django、Flask、Google App引擎、Pyramid和web2py等。

●支持JavaScript、CoffeeScript、TypeScript、CSS和Cython等。

●支持远程开发、Python分析器、数据库和SQL语句使用等。

②Community版本的特性如下。

●作为轻量级的Python IDE，只支持Python开发。

●具有免费、开源、集成的Apache 2许可证。

●提供智能编辑器、调试器，支持重构和错误检查，集成VCS（Version Control System，版本控制系统）。

（2）单击“Download”按钮，这里选择下载Windows平台下的Community版本。下载成功后，双击安装包进入安装界面，如图1-16所示。

（3）单击“Next”按钮，进入安装路径选择界面，如图1-17所示。单击“Browse”按钮，选择PyCharm安装路径。

（4）单击“Next”按钮，进入安装选项配置界面，如图1-18所示。

图1-18中功能选项介绍如下。

●Create Desktop Shortcut：创建桌面快捷方式，操作系统是64位的选择64-bit launcher。

●Update PATH variable（restart needed）：更新路径变量（需要重新启动），Add launchers dir to the PATH表示将启动器目录添加到路径中。

●Update context menu：更新上下文菜单，Add"Open Folder as Project"表示添加“打开文件夹作为项目”。

●Create Associations：创建关联，关联.py文件，即双击.py文件时用PyCharm打开。

（5）单击“Next”按钮，进入选择启动菜单界面，如图1-19所示，该界面保持默认设置。

（6）单击“Install”按钮，PyCharm进入安装界面，如图1-20所示。安装完成后提示Completing PyCharm Community Edition Setup信息，如图1-21所示，单击“Finish”按钮，完成安装。

4.PyCharm的使用

PyCharm安装完成后，我们来创建一个Python程序，创建步骤如下。

（1）PyCharm安装完成后，会在桌面上创建一个快捷方式，双击该快捷方式图标进入导入配置文件界面，如图1-22所示。图中有两个选项，分别表示配置或安装路径和不导入配置。

（2）选择不导入配置，单击“OK”按钮，进入欢迎界面，选择左侧列表中的“Customize”选项，设置“Color theme”（颜色主题）为“IntelliJ Light”，如图1-23所示。

（3）选择左侧列表的“Projects”选项，回到欢迎界面，界面中包括创建新项目和打开项目，单击“New Project”选项，创建一个新项目，进入创建项目界面，如图1-24所示。

（4）在创建项目界面顶端的“Location”中选择项目存储路径、设置项目名称，其中“Base interpreter”（基础解释器）自动关联到前面安装的Python 3.9.6的安装路径。其他设置采用默认值。单击“Create”按钮，创建新项目。在创建新项目时会出现一个小贴士对话框，如图1-25所示，可以单击“Next Tip”按钮进行浏览，也可以选中“Don’t show tips”，单击“Close”按钮，关闭小贴士对话框。

（5）项目创建完成后，便可以在项目中创建一个.py文件。操作方法为：右击项目名称chapter01，选择“New”→“Python File”命令，如图1-26所示。

（6）将新建的Python文件命名为“1-1 hello_world.py”，使用默认的文件类型“Python File”，如图1-27所示。

（7）输入文件名后，按“Enter”键，打开“1-1 hello_world.py”文件的编辑界面，如图1-28所示，在创建好的文件中编写代码。

（8）代码编写完成后，在图1-28所示界面的菜单栏中选择“Run”→“Run…”→“1-1 hello_world”，运行“1-1 hello_world.py”文件（或者在编辑区内右击，选择“Run'1-1 hello_world'”来运行文件）。运行结果如图1-29所示，在界面下方的控制台中输出文字。

至此，Python的开发环境已经搭建完成，可以在该环境中完成Python基础知识的学习。如果需要用第三方库，则用pip命令单独安装。

5.下载与安装Anaconda

由于Python基础环境提供的功能非常简单，在使用时需要安装大量的第三方库。对于入门学习者，建议使用Python的集成发行版Anaconda。该开发工具集成了很多Python常用的第三方库，免去了初学者安装库的烦恼。初学者在学习过程中也可以结合强大的代码编辑器PyCharm来使用，即在编程过程中使用便捷的PyCharm代码编辑器，将PyCharm代码编辑器的解释器关联到Anaconda工具中的Python解释器。

Anaconda指的是一个开源的Python发行版本，包含conda、Python等180多个科学包及其依赖项。因为包含大量的科学包，Anaconda的下载文件比较大，如果只需要某些包或者需要节省带宽或存储空间，也可以使用Miniconda（仅包含conda和Python）。

以下对Anaconda的下载和安装进行说明。

（1）登录Anaconda官网，进入Anaconda的下载页面，拖动滚动条，找到图1-30所示的“Anaconda Installers”，用户可以根据不同的操作系统选择相应文件进行下载，这里下载适用于64位Windows操作系统的安装包。

（2）下载完成后，双击安装包，进入Anaconda欢迎安装界面，如图1-31所示。

（3）单击“Next”按钮，进入协议许可界面，如图1-32所示。

（4）单击“I Agree”按钮，进入选择安装类型界面，如图1-33所示，这里选择为所有用户安装。

（5）单击“Next”按钮，进入安装路径选择界面，如图1-34所示，单击“Browse…”按钮，选择安装路径。

（6）单击“Next”按钮，进入高级安装选项设置界面，如图1-35所示。

图1-35所示的选项介绍如下。

●Add Anaconda3 to the system PATH environment variable：将安装目录加入系统的PATH环境变量，在命令提示符窗口中可以直接用Python命令启动Python解释器。系统提示不推荐将安装目录自动加入环境变量，因为这可能会导致其他已安装的软件出问题。

●Register Anaconda3 as the system Python 3.8：允许其他IDE检测到Python 3.8，并将默认设置为Python 3.8。

（7）单击“Install”按钮，进入安装进度界面，如图1-36所示。

（8）安装完成界面如图1-37所示，单击“Next”按钮，进入图1-38所示的Anaconda+JetBrains界面。

（9）单击“Next”按钮，进入图1-39所示的安装完成界面。单击“Finish”按钮，完成安装，该界面的两个选项分别表示Anaconda个人版教程和Anaconda入门，可以不勾选。

（10）Anaconda安装成功后，在开始菜单中出现图1-40所示的Anaconda各组件，各组件介绍如下。

Anaconda包括conda和Anaconda Navigator两种方式管理包和环境。conda指的是通过命令提示符窗口执行Anaconda管理命令来管理，而Anaconda Navigator则是可视化的管理界面。

●Anaconda Navigator用于管理工具包和环境的图形用户界面，后续涉及的众多管理命令也可以在Anaconda Navigator中手动实现。在Navigator Home中可以看到一些应用工具，有些是Lauch状态，代表已经安装可以直接使用；有些是Install状态，安装后可以使用。

●Anaconda Prompt与Anaconda Powershell Prompt都是Anaconda的终端（Anaconda管理器），可便捷地操作conda环境。两者的区别是前者是Anaconda发布的默认命令提示符工具，而后者是基于Windows Powershell的Anaconda命令提示符工具。

●Jupyter Notebook是基于Web的交互式计算环境，可以用于编辑可读性高的文档，并展示数据分析过程。

●Spyder是Anaconda中的Python IDE，可以在开始菜单中的Anaconda3下查找并打开，也可以通过Anaconda Navigator打开。

●Reset Spyder Settings可以快捷地对Spyder的设置进行初始化操作。

（11）Anaconda关联的Python解释器包含大量的第三方库，将PyCharm的Python解释器设置成Anaconda关联的Python解释器，可避免经常安装第三方库的困扰。方法如下。

●创建新项目时，在“Base interpreter”中选择Anaconda安装路径下的python.exe，如图1-41所示，单击“Create”按钮，完成设置并创建新项目。

●如果项目已经创建，选择“File”→“Settings…”，弹出图1-42所示的对话框。在其左侧列表中选择项目名称下的“Python Interpreter”，在右侧窗口中单击按钮 ，在弹出的菜单中选择“Add”，弹出图1-43所示的对话框，选择“Existing environment”，在“Interpreter”中选择Anaconda安装路径下的python.exe，单击“OK”按钮，完成更改设置。

至此，Anaconda安装完成，并将PyCharm的Python解释器更换成Anaconda的Python解释器。在后续的讲解中，主要使用PyCharm完成代码编写及运行、调试等工作。

6.第三方库的下载与安装

程序开发中不仅需要使用大量的标准库，而且会根据业务需要使用第三方库。在使用第三方库之前，需要使用包管理工具pip下载和安装第三方库。由于本书使用的Python 3.9.6中已经自带了Python包管理工具pip，因此无须另行下载。第三方库的下载与安装有以下几种方法。

（1）在命令提示符窗口中下载和安装第三方库。

打开Windows的命令提示符窗口，执行pip install requests，即可下载和安装第三方库Requests，安装成功后如图1-44所示。

（2）在PyCharm中下载和安装第三方库。

打开PyCharm，选择“View”→“Tool Windows”→“Terminal”命令，打开Terminal工具，输入pip install coloradd命令，按“Enter”键，PyCharm将开始下载并安装coloradd库。当在Terminal工具中看到“Successfully installed coloradd-版本号”时，表明coloradd库安装成功，如图1-45所示。

（3）在Anaconda中下载和安装第三方库。

打开Anaconda Prompt工具，执行pip install wordcloud，即可下载和安装第三方库wordcloud，安装成功后如图1-46所示。