摘要：另一個賦值語句將名稱關(guān)聯(lián)到出現(xiàn)在莎士比亞劇本中的所有去重詞匯的集合，總計(jì)個。表達(dá)式是一個復(fù)合表達(dá)式，計(jì)算出正序或倒序出現(xiàn)的莎士比亞詞匯集合。在意圖上并沒有按照莎士比亞或者回文來設(shè)計(jì)，但是它極大的靈活性讓我們用極少的代碼處理大量文本。

來源：1.1   Introduction
譯者：飛龍
協(xié)議：CC BY-NC-SA 4.0

計(jì)算機(jī)科學(xué)是一個極其寬泛的學(xué)科。全球的分布式系統(tǒng)、人工智能、機(jī)器人、圖形、安全、科學(xué)計(jì)算，計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)和許多新興的二級領(lǐng)域，每年都會由于新技術(shù)和新發(fā)現(xiàn)而擴(kuò)展。計(jì)算機(jī)科學(xué)的快速發(fā)展廣泛影響了人類生活。商業(yè)、通信、科學(xué)、藝術(shù)、休閑和政治都被計(jì)算機(jī)領(lǐng)域徹底改造。

計(jì)算機(jī)科學(xué)的巨大生產(chǎn)力可能只是因?yàn)樗鼧?gòu)建在一系列優(yōu)雅且強(qiáng)大的基礎(chǔ)概念上。所有計(jì)算都以表達(dá)信息、指定處理它所需的邏輯、以及設(shè)計(jì)管理邏輯復(fù)雜性的抽象作為開始。對這些基礎(chǔ)的掌握需要我們精確理解計(jì)算機(jī)如何解釋程序以及執(zhí)行計(jì)算過程。

這些基礎(chǔ)概念在伯克利長期教授，使用由Harold Abelson、Gerald Jay Sussman和Julie Sussman創(chuàng)作的經(jīng)典教科書《計(jì)算機(jī)科學(xué)的構(gòu)造與解釋》（SICP）。這個講義大量借鑒了這本書，原作者慷慨地使它可用于改編和復(fù)用。

我們的智力之旅一旦出發(fā)就不能回頭了，我們也永遠(yuǎn)都不應(yīng)該對此有所期待。

我們將要學(xué)習(xí)計(jì)算過程的概念。計(jì)算過程是計(jì)算機(jī)中的抽象事物。在演化中，過程操縱著叫做數(shù)據(jù)的其它事物。過程的演化由叫做程序的一系列規(guī)則主導(dǎo)。人們創(chuàng)造程序來主導(dǎo)過程。實(shí)際上，我們使用我們的咒語來憑空創(chuàng)造出計(jì)算機(jī)的靈魂。
我們用于創(chuàng)造過程的程序就像巫師的魔法。它們由一些古怪且深奧的編程語言中的符號表達(dá)式所組成，這些語言指定了我們想讓過程執(zhí)行的任務(wù)。
在一臺工作正確的計(jì)算機(jī)上，計(jì)算過程準(zhǔn)確且嚴(yán)謹(jǐn)?shù)貓?zhí)行程序。所以，就像巫師的學(xué)徒那樣，程序員新手必須學(xué)會理解和預(yù)測他們的魔法產(chǎn)生的結(jié)果。
--Abelson & Sussman, SICP (1993)

語言并不是你學(xué)到的東西，而是你參與的東西。
--Arika Okrent

為了定義計(jì)算過程，我們需要一種編程語言，最好是一種許多人和大量計(jì)算機(jī)都能懂的語言。這門課中，我們將會使用Python語言。

Python是一種廣泛使用的編程語言，并且在許多職業(yè)中都有它的愛好者：Web程序員、游戲工程師、科學(xué)家、學(xué)者，甚至新編程語言的設(shè)計(jì)師。當(dāng)你學(xué)習(xí)Python時，你就加入到了一個數(shù)百萬人的開發(fā)者社群。開發(fā)者社群是一個極其重要的組織：成員可以互相幫助來解決問題，分享他們的代碼和經(jīng)驗(yàn)，以及一起開發(fā)軟件和工具。投入的成員經(jīng)常由于他們的貢獻(xiàn)而出名，并且收到廣泛的尊重。也許有一天你會被提名為Python開發(fā)者精英。

Python語言自身就是一個大型志愿者社群的產(chǎn)物，并且為其貢獻(xiàn)者的多元化而自豪。這種語言在20世紀(jì)80年代末由Guido van Rossum設(shè)計(jì)并首次實(shí)現(xiàn)。他的Python3教程的第一章解釋了為什么Python在當(dāng)今眾多語言之中如此流行。

Python適用于作為教學(xué)語言，因?yàn)榭v觀它的歷史，Python的開發(fā)者強(qiáng)調(diào)了Python代碼對人類的解釋性，并在Python之禪中美觀、簡約和可讀的原則下進(jìn)一步加強(qiáng)。Python尤其適用于課堂，因?yàn)樗鼘挿旱奶匦灾С执罅康牟煌幊田L(fēng)格，我們將要探索它們。在Python中編程沒有單一的解法，但是有一些習(xí)俗在開發(fā)者社群之間流傳，它們可以使現(xiàn)有程序的閱讀、理解，以及擴(kuò)展變得容易。所以，Python的靈活性和易學(xué)性的組合可以讓學(xué)生們探索許多編程范式，之后將它們新學(xué)到的知識用于數(shù)千個正在開發(fā)的項(xiàng)目中。

這些講義通過使用抽象設(shè)計(jì)的技巧和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)挠?jì)算模型，來快速介紹Python的特性。此外，這些講義提供了Python編程的實(shí)踐簡介，包含一些高級語言特性和展示示例。通過這門課，學(xué)習(xí)Python將會變成自然而然的事情。

然而，Python是一門生態(tài)豐富的語言，帶有大量特性和用法。我們講到基本的計(jì)算機(jī)科學(xué)概念時，會刻意慢慢地介紹他們。對于有經(jīng)驗(yàn)的學(xué)生，他們打算一口氣學(xué)完語言的所有細(xì)節(jié)，我們推薦他們閱讀Mark Pilgrim的書Dive Into Python 3，它在網(wǎng)上可以免費(fèi)閱讀。這本書的主題跟這門課極其不同，但是這本書包含了許多關(guān)于使用Python的寶貴的實(shí)用信息。事先告知：不像這些講義，Dive Into Python 3需要一些編程經(jīng)驗(yàn)。

開始在Python中編程的最佳方法就是直接和解釋器交互。這一章會描述如何安裝Python3，使用解釋器開始交互式會話，以及開始編程。

就像所有偉大的軟件一樣，Python具有許多版本。這門課會使用Python3最新的穩(wěn)定版本（本書編寫時是3.2）。許多計(jì)算機(jī)都已經(jīng)安裝了Python的舊版本，但是它們可能不滿足這門課。你應(yīng)該可以在這門課上使用任何能安裝Python3的計(jì)算機(jī)。不要擔(dān)心，Python是免費(fèi)的。

Dive Into Python 3擁有一個為所有主流平臺準(zhǔn)備的詳細(xì)的安裝指南。這個指南多次提到了Python3.1，但是你最好安裝3.2（雖然它們的差異在這門課中非常微小）。EECS學(xué)院的所有教學(xué)機(jī)都已經(jīng)安裝了Python3.2。

在Python交互式會話中，你可以在提示符>>>之后鍵入一些Python代碼。Python解釋器讀取并計(jì)算你輸入的東西，并執(zhí)行你的各種命令。

有幾種開始交互式會話的途徑，并且具有不同的特性。把它們嘗試一遍來找出你最喜歡的方式。它們?nèi)慷荚诒澈笫褂昧讼嗤慕忉屍鳎–Python）。

最簡單且最普遍的方式就是運(yùn)行Python3應(yīng)用。在終端提示符后（Mac/Unix/Linux）鍵入python3，或者在Windows上打開Python3應(yīng)用。（譯者注：Windows上設(shè)置完P(guān)ython的環(huán)境變量之后，就可以在cmd或PowerShell中執(zhí)行相同操作了。）

有一個更加用戶友好的應(yīng)用叫做Idle3（idle3），可用于學(xué)習(xí)這門語言。Idie會高亮你的代碼（叫做語法高亮），彈出使用提示，并且標(biāo)記一些錯誤的來源。Idle總是由Python自帶，所以你已經(jīng)安裝它了。

Emacs編輯器可以在它的某個緩沖區(qū)中運(yùn)行交互式會話。雖然它學(xué)習(xí)起來有些挑戰(zhàn)，Emacs是個強(qiáng)大且多功能的編輯器，適用于任何語言。請閱讀61A的Emacs教程來開始。許多程序員投入大量時間來學(xué)習(xí)Emacs，之后他們就不再切換編輯器了。

在所有情況中，如果你看見了Python提示符>>>，你就成功開啟了交互式會話。這些講義使用提示符來展示示例，同時帶有一些輸入。

>>> 2 + 2
4

控制：每個會話都保留了你的歷史輸入。為了訪問這些歷史，需要按下-P（上一個）和-N（下一個）。-D會退出會話，這會清除所有歷史。

想像會把不知名的事物用一種形式呈現(xiàn)出來，詩人的筆再使它們具有如實(shí)的形象，空虛的無物也會有了居處和名字。
--威廉·莎士比亞，《仲夏夜之夢》

為了介紹Python，我們會從一個使用多個語言特性的例子開始。下一節(jié)中，我們會從零開始，一步一步構(gòu)建整個語言。你可以將這章視為即將到來的特性的預(yù)覽。

Python擁有常見編程功能的內(nèi)建支持，例如文本操作、顯示圖形以及互聯(lián)網(wǎng)通信。導(dǎo)入語句

>>> from urllib.request import urlopen

為訪問互聯(lián)網(wǎng)上的數(shù)據(jù)加載功能。特別是，它提供了叫做urlopen的函數(shù)，可以訪問到統(tǒng)一資源定位器（URL）處的內(nèi)容，它是互聯(lián)網(wǎng)上的某個位置。

語句和表達(dá)式：Python代碼包含語句和表達(dá)式。廣泛地說，計(jì)算機(jī)程序包含的語句

計(jì)算某個值

或執(zhí)行某個操作

語句通常用于描述操作。當(dāng)Python解釋器執(zhí)行語句時，它執(zhí)行相應(yīng)操作。另一方面，表達(dá)式通常描述產(chǎn)生值的運(yùn)算。當(dāng)Python計(jì)算表達(dá)式時，就會計(jì)算出它的值。這一章介紹了幾種表達(dá)式和語句。

賦值語句

>>> shakespeare = urlopen("http://inst.eecs.berkeley.edu/~cs61a/fa11/shakespeare.txt")

將名稱shakespeare和后面的表達(dá)式的值關(guān)聯(lián)起來。這個表達(dá)式在URL上調(diào)用urlopen函數(shù)，URL包含了莎士比亞的37個劇本的完整文本，在單個文本文件中。

函數(shù)：函數(shù)封裝了操作數(shù)據(jù)的邏輯。Web地址是一塊數(shù)據(jù)，莎士比亞的劇本文本是另一塊數(shù)據(jù)。前者產(chǎn)生后者的過程可能有些復(fù)雜，但是我們可以只通過一個表達(dá)式來調(diào)用它們，因?yàn)閺?fù)雜性都塞進(jìn)函數(shù)里了。函數(shù)是這一章的主要話題。

另一個賦值語句

>>> words = set(shakespeare.read().decode().split())

將名稱words關(guān)聯(lián)到出現(xiàn)在莎士比亞劇本中的所有去重詞匯的集合，總計(jì)33,721個。這個命令鏈調(diào)用了read、decode和split，每個都操作銜接的計(jì)算實(shí)體：從URL讀取的數(shù)據(jù)、解碼為文本的數(shù)據(jù)、以及分割為單詞的文本。所有這些單詞都放在set中。

對象：集合是一種對象，它支持取交和測試成員的操作。對象整合了數(shù)據(jù)和操作數(shù)據(jù)的邏輯，并以一種隱藏其復(fù)雜性的方式。對象是第二章的主要話題。

表達(dá)式

>>> {w for w in words if len(w) >= 5 and w[::-1] in words}
{"madam", "stink", "leets", "rever", "drawer", "stops", "sessa",
"repaid", "speed", "redder", "devil", "minim", "spots", "asses",
"refer", "lived", "keels", "diaper", "sleek", "steel", "leper",
"level", "deeps", "repel", "reward", "knits"}

是一個復(fù)合表達(dá)式，計(jì)算出正序或倒序出現(xiàn)的“莎士比亞詞匯”集合。神秘的記號w[::-1]遍歷單詞中的每個字符，然而-1表明倒序遍歷（::表示第一個和最后一個單詞都使用默認(rèn)值）。當(dāng)你在交互式會話中輸入表達(dá)式時，Python會在隨后打印出它的值，就像上面那樣。

解釋器：計(jì)算復(fù)合表達(dá)式需要可預(yù)測的過程來精確執(zhí)行解釋器的代碼。執(zhí)行這個過程，并計(jì)算復(fù)合表達(dá)式和語句的程序就叫解釋器。解釋器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)是第三章的主要話題。

與其它計(jì)算機(jī)程序相比，編程語言的解釋器通常比較獨(dú)特。Python在意圖上并沒有按照莎士比亞或者回文來設(shè)計(jì)，但是它極大的靈活性讓我們用極少的代碼處理大量文本。

最后，我們會發(fā)現(xiàn)，所有這些核心概念都是緊密相關(guān)的：函數(shù)是對象，對象是函數(shù)，解釋器是二者的實(shí)例。然而，對這些概念，以及它們在代碼組織中的作用的清晰理解，是掌握編程藝術(shù)的關(guān)鍵。

Python正在等待你的命令。你應(yīng)當(dāng)探索這門語言，即使你可能不知道完整的詞匯和結(jié)構(gòu)。但是，要為錯誤做好準(zhǔn)備。雖然計(jì)算機(jī)極其迅速和靈活，它們也十分古板。在斯坦福的導(dǎo)論課中，計(jì)算機(jī)的本性描述為

計(jì)算機(jī)的基本等式是：計(jì)算機(jī) = 強(qiáng)大 + 笨拙
計(jì)算機(jī)非常強(qiáng)大，能夠迅速搜索大量數(shù)據(jù)。計(jì)算機(jī)每秒可以執(zhí)行數(shù)十億次操作，其中每個操作都非常簡單。
計(jì)算機(jī)也非常笨拙和脆弱。它們所做的操作十分古板、簡單和機(jī)械化。計(jì)算機(jī)缺少任何類似真實(shí)洞察力的事情...它并不像電影中的HAL 9000。如果不出意外，你不應(yīng)被計(jì)算機(jī)嚇到，就像它擁有某種大腦一樣。它在背后非常機(jī)械化。
程序是一個人使用他的真實(shí)洞察力來構(gòu)建出的一些實(shí)用的東西，它由這些簡單的小操作所組成。
—Francisco Cai & Nick Parlante, 斯坦福 CS101

在你實(shí)驗(yàn)Python解釋器的時候，你會馬上意識到計(jì)算機(jī)的古板：即使最小的拼寫和格式修改都會導(dǎo)致非預(yù)期的輸出和錯誤。

學(xué)習(xí)解釋錯誤和診斷非預(yù)期錯誤的原因叫做調(diào)試（debugging）。它的一些指導(dǎo)原則是：

逐步測試：每個寫好的程序都由小型的組件模塊組成，這些組件可以獨(dú)立測試。盡快測試你寫好的任何東西來及早捕獲錯誤，并且從你的組件中獲得自信。

隔離錯誤：復(fù)雜程序的輸出、表達(dá)式、或語句中的錯誤，通常可以歸于特定的組件模塊。當(dāng)嘗試診斷問題時，在你能夠嘗試修正錯誤之前，一定要將它跟蹤到最小的代碼片段。

檢查假設(shè)：解釋器將你的指令執(zhí)行為文字 -- 不多也不少。當(dāng)一些代碼不匹配程序員所相信的（或所假設(shè)的）行為，它們的輸出就會是非預(yù)期的。了解你的假設(shè)，之后專注于驗(yàn)證你的假設(shè)是否整理來調(diào)試。

詢問他人：你并不是一個人！如果你不理解某個錯誤信息，可以詢問朋友、導(dǎo)師或者搜索引擎。如果你隔離了一個錯誤，但是不知道如何改正，可以讓其它人來看一看。在小組問題解決中，會分享一大堆有價值的編程知識。

逐步測試、模塊化設(shè)計(jì)、明確假設(shè)和團(tuán)隊(duì)作業(yè)是貫穿這門課的主題。但愿它們也能夠一直伴隨你的計(jì)算機(jī)科學(xué)生涯。