Python核心技术与实战-基础浅探

从工程的角度深入理解Python 一听机器学习，很多人第一反应可能是“好难呀、厉害呀”。和很多对编程感兴趣的人一样，哪怕老师只是在讲台上，照本宣科地读着 N 年前的课件，并不理解，比如指针、递归这类抽象的概念，查了一堆资料也没看明白。但靠着死记硬背，考试基本可以过关，虽然这个过程比较痛苦，也比较累。为了更深入了解计算机，经过多年学习工作的积累，我深刻认识到，牢牢掌握一门编程语言及其学习方法，是日后在所有领域深造的根基。而在实际工作和生活中，我更是见过不少反例，比如搞机器学习的工程师，算法、理论等极强，但是编程水平或是工程水平很一般，于是涉及到偏工程的工作或合作时，就显得力不从心，这样就非常可惜了。 另外，不可否认，Python 确实是这个时代最流行、也必须要掌握的编程语言。Python 可以运用在数据处理、Web 开发、人工智能等多个领域，它的语言简洁、开发效率高、可移植性强，并且可以和其他编程语言（比如 C++）轻松无缝衔接。现如今，不少学校的文科生甚至中学生也开设了此课程，可见其重要程度。 01 | 如何逐步突破，成为Python高手？ 学习一门新的编程语言，其实也没有那么难，你首先要做到的是明确区分。比如，在学习 Python 的条件与循环语句时，多回忆一下其他语言的语法是怎样的。再如，遇到 Python 中的字符串相加时，你能分析出它的复杂度吗？再联想到其他语言，比如 Java 中字符串相加的复杂度，它们之间有什么相同点、又有什么区别呢？ 除了能够明确区分语言的不同点，我们还要能联系起来灵活运用。比如，最典型的“编程语言两问”： 你了解你学过的每种编程语言的特点吗？ 你能根据不同的产品需求，选用合适的编程语言吗？ 举个例子，Python 的优点之一是特别擅长数据分析，所以广泛应用于人工智能、机器学习等领域，如机器学习中 TensorFlow 的框架，就是用 Python 写的。但是涉及到底层的矩阵运算等等，还是要依赖于 C++ 完成，因为 C++ 的速度快，运行效率更高。 事实上，很多公司都是这样，服务器端开发基于 Python，但底层的基础架构依赖于 C++。这就是典型的“不同需求选用不同语言”。毕竟，你要明白，哪怕只是几十到几百毫秒的速度差距，对于公司、对于用户体验来说都是决定性的。 唯一语言，可循序渐进 当然，如果 Python 是你学的第一门编程语言，那也不必担心。我们知道，虽然同为人机交互的桥梁，Python 语言比起 C++、Java 等主流语言，语法更简洁，也更接近英语，对编程世界的新人还是很友好的，这也是其显著优点。这种情况下，你要做的就是专注于 Python 这一门语言，明确学习的重点，把握好节奏循序渐进地学习。 根据我多年的学习工作经验，我把编程语言的学习重点，总结成了下面这三步，无论你是否有其他语言的基础，都可以对照来做，稳步进阶。 第一步：大厦之基，勤加练习 任何一门编程语言，其覆盖范围都是相当广泛的，从基本的变量赋值、条件循环，到并发编程、Web 开发等等，我想市面上几乎没有任何一本书能够罗列完全。 所以，我建议你，在掌握必要的基础时，就得多上手操作了。千万不要等到把教材上所有东西都学完了才开始，因为到那时候你会发现，前面好不容易记住的一堆东西似乎又忘记了。计算机科学是一门十分讲究实战的学科，因此越早上手练习，练得越多越勤，就越好。 不过，到底什么叫做必要的基础呢？以 Python 为例，如果你能够理解变量间的赋值、基本的数据类型、条件与循环语句、函数的用法，那么你就达到了第一步的底线标准，应该开始在课下多多练习了。 比方说，你可以自己动手编程做一个简易的计算器，这应该也是大多数程序员实操的第一个小项目。用户输入数字和运算符后，你的程序能够检查输入是否合法并且返回正确的结果吗？ 在做这个小项目的过程中，你可能会遇到不少问题。我的建议是，遇到不懂的问题时，多去Stack Overflow上查询，这样你还能阅读别人优秀的代码，借鉴别人的思路，对于你的学习肯定大有帮助。当然，实在解决不了的问题，也可以写在留言区，我们一起来解决。 第二步：代码规范，必不可少 诚然，学习编程讲究快和高效。但是，与此同时，请一定不要忽略每一种语言必要的编程规范。在你自己刚开始写代码练习时，你可以不写单元测试，但总不能几百行的代码却没有一个函数，而是从头顺序写到尾吧？你可以省略一些可有可无的注释，但总不能把很多行代码全部并到一行吧？ 比如，我们来看下面这行代码： v.A(param1, param2, param3).B(param4, param5).C(param6, param7).D() 显然，这样写十分不科学，应该把它拆分成多行： v.A(param1, param2, param3) \ # 字符'\'表示换行 .B(param4, param5) \ .C(param6, param7) \ .D() 再比如，变量和函数的命名虽有一定的随意性，但一定要有意义。如果你图省事，直接把变量依次命名为 v1、v2、v3 等，把函数依次命名为 func1、func2、func3 等等，不仅让其他人难理解，就算是你自己，日后维护起来都费劲儿。 一名优秀的程序员，一定遵守编程语言的代码规范。像 Facebook 的工程师，每次写完代码都必须经过别人的 review 才能提交。如果有不遵守代码规范的例子，哪怕只是一个函数或是一个变量的命名，我们都会要求原作者加以修改，严格规范才能保证代码库的代码质量。 第三步：开发经验，质的突破 想要真正熟练地掌握 Python 或者是任何一门其他的编程语言，拥有大中型产品的开发经验是必不可少的。因为实战经验才能让你站得更高，望得更远。 比如我们每天都在用搜索引擎，但你了解一个搜索引擎的服务器端实现吗？这是一个典型的面向对象设计，你需要定义一系列相关的类和函数，需要从产品需求、代码复杂度、效率以及可读性等多个方面考虑，同时，上线后还要进行各种优化等等。 今天，我跟你分享了 Python 的学习方法和注意事项，其实这些观点不只适用于 Python，也能帮助你学习任何一门其他计算机编程语言，希望你能牢记在心。在接下来的课程里，我会带你逐步突破，最终成为一名 Python 高手。 Stack Overflow 曾在 2017 年底，发布了在该站上各种语言的提问流量。其中，Python 已经超过了 JavaScript 成为了流量最高的语言，预测在 2020 年前会远远甩开 JavaScript。 可能你已经知道，Python 在 14 年后的“崛起”，得益于机器学习和数学统计应用的兴起。那为什么 Python 如此适合数学统计和机器学习呢？作为“老司机”的我可以肯定地告诉你，Jupyter Notebook （https://jupyter.org/）功不可没。 磨刀不误砍柴工，高效的工具让我们的编程事半功倍。这一节课，我就来带你学习一下 Jupyter Notebook，为后面的 Python 学习打下必备基础。 什么是 Jupyter Notebook？ 说了这么多，到底什么是 Jupyter Notebook？按照 Jupyter 创始人 Fernando Pérez 的说法，他最初的梦想是做一个综合 Ju （Julia）、Py （Python）和 R 三种科学运算语言的计算工具平台，所以将其命名为 Ju-Py-te-R。发展到现在，Jupyter 已经成为一个几乎支持所有语言，能够把软件代码、计算输出、解释文档、多媒体资源整合在一起的多功能科学运算平台。 英文里说一图胜千言（A picture is worth a thousand words）。看下面这个图片，你就明白什么是 Jupyter Notebook 了。 你在一个框框中直接输入代码，运行，它立马就在下面给你输出。怎么样，是不是很酷？你可能会纳闷儿，这样一个看起来“华而不实”的玩意儿，真的就成了 Python 社区的颠覆者吗？说实话放在几年前我也是不信的。所以 Jupyter Notebook 的影响究竟有多大呢？ Jupyter Notebook 的影响力 我们衡量一个技术的影响力，或者说要用自己的技术去影响世界时，必定绕不开这个技术对教育界的影响力。 就拿微软的 Word 文本处理系统来说吧。从纯技术角度来讲，Word 的单机设计理念早已落后时代 20 年。但以 Google Doc 为代表的在线文档系统，却并没有像想象中那样，实现对 Word 的降维打击。 直观的原因是用户习惯，使用 Word 修改文档，那就来回发几十遍呗，用着也还可以。但更深刻来想，之所以养成这样的用户习惯，是因为我们的教育根源。教育系统从娃娃抓起，用小学中学大学十几年的时间，训练了用户 Word 的使用习惯。到工作中，老员工又会带着新员工继续使用 Word，如此行程技术影响力生生不息的正向反馈。 回到我们今天的主题，我们来看 Jupyter Notebook。从 2017 年开始，已有大量的北美顶尖计算机课程，开始完全使用 Jupyter Notebook 作为工具。比如李飞飞的 CS231N《计算机视觉与神经网络》课程，在 16 年时作业还是命令行 Python 的形式，但是 17 年的作业就全部在 Jupyter Notebook 上完成了。再如 UC Berkeley 的《数据科学基础》课程，从 17 年起，所有作业也全部用 Jupyter Notebook 完成。 而 Jupyter Notebook 在工业界的影响力更甚。在 Facebook，虽然大规模的后台开发仍然借助于功能齐全的 IDE，但是几乎所有的中小型程序，比如内部的一些线下分析软件，机器学习模块的训练都是借助于 Jupyter Notebook 完成的。据我了解，在别的硅谷一线大厂，例如 Google 的 AI Research 部门 Google Brain，也是清一色地全部使用 Jupyter Notebook，虽然用的是他们自己的改进定制版，叫 Google Colab。 看到这里，相信你已经认可了 Jupter Notebook 现如今的江湖地位。不过，说到技术的选择，有些人会说，这个技术流行，我们应该用；有些人认为，阿里已经在用这个技术了，这就是未来，我们也要用等等。不得不说，这些都是片面的认知。不管是阿里还是 Facebook 用的技术，其实不一定适用你的应用场景。 我经常会鼓励技术同行，对于技术选择要有独立的思考，不要人云亦云。最起码你要去思考，Facebook 为什么选择这个技术？这个技术解决了哪些问题？Facebook 为什么不选择别的技术？有哪些局限？单从选择结果而言，Facebook 选择的技术很可能是因为它有几百个产品线，几万个工程师。而同样的技术，在一个十人的团队里，反而成了拖累。 在这里，我不想忽悠你任何技术，我想教会你的是辩证分析技术的思考方法。接下来，我们就来看看，Jupyter 究竟解决了哪些别人没有解决的问题。 Jupyter 的优点 整合所有的资源 在真正的软件开发中，上下文切换占用了大量的时间。什么意思呢？举个例子你就很好理解了，比如你需要切换窗口去看一些文档，再切换窗口去用另一个工具画图等等。这些都是影响生产效率的因素。 正如我前面提到的，Jupyter 通过把所有和软件编写有关的资源全部放在一个地方，解决了这个问题。当你打开一个 Jupyter Notebook 时，就已经可以看到相应的文档、图表、视频和相应的代码。这样，你就不需要切换窗口去找资料，只要看一个文件，就可以获得项目的所有信息。 交互性编程体验 在机器学习和数学统计领域，Python 编程的实验性特别强，经常出现的情况是，一小块代码需要重写 100 遍，比如为了尝试 100 种不同的方法，但别的代码都不想