实验 0：环境搭建#

本次实验介绍如何使用你的计算机完成课程作业，也会介绍一些 Python 的基础知识。

实验文档较长，但是大多是一些安装操作以及一些使用说明。熟练使用这些工具，可以更好地帮助你完成课程内容。

初始文件#

下载文件 lab00.zip，该文件包含实验的初始代码以及用于测试的 Ok 工具。

任务一：安装 Python#

Python 3 是本课程主要使用的编程语言，根据下述步骤安装 Python 3 解释器。

注意

建议和课程保持一致，使用 Python 3.8 版本。

版本不一致可能会出现一些意想不到的报错，初学者不太容易解决。

对于 Windows 系统用户，可以下载 Python 3 (the Windows x86-64 executable installer)。双击安装包，根据提示进行安装即可。需要注意的是，安装过程中需要勾选“Add Python 3.x to PATH”选项，将 Python 添加到系统的 PATH 路径中：

python-installer

对于 macOS 系统用户，可以下载 Python 3 (64-bit)。双击打开软件包，根据提示一步步安装就好。

任务二：使用终端#

安装完成后，可以使用系统自带的终端工具（macOS/Linux 的“终端”或 Terminal，Windows 的 PowerShell）检查 Python 是否安装正确。

打开终端，输入 python --version：

python-version

补充：环境变量

如果你的终端无法找到 python 命令，很可能是环境变量 PATH 没有设置正确。

在 PowerShell 中可以使用 $env:PATH 打印出系统已存在的路径信息；macOS/Linux 终端可以使用 echo $PATH 命令进行打印。

至于环境变量 PATH 的概念以及如何设置，大家可以通过搜索引擎自行查找相关的教程。

如果一切安装就绪，我们就可以尝试练习使用终端，特别是一些文件管理相关的操作。

Python 解释器#

在终端输入 python，你将进入 Python 解释器：

PS C:\Users\cs100> python
Python 3.8.3 (tags/v3.8.3:6f8c832, May 13 2020, 22:37:02) [MSC v.1924 64 bit (AMD64)] on win32
Type "help", "copyright", "credits" or "license" for more information.
>>>

注意，某些系统可能需要你输入其他别名才可以进入，例如 python3，py 等。

你可以在 >>> 后面输入 Python 代码，尝试练习课程中介绍过的一些表达式。

退出解释器，可以输入 exit() 函数。也可以使用终端快捷键，例如 PowerShell 可以输入 Ctrl-Z；macOS/Linux 终端可以输入 Ctrl-D。

用户目录#

打开终端时，默认情况下，你应该处在用户目录（home directory）或家目录，即环境变量 HOME 表示的路径。PowerShell 会直接显示当前的路径，例如 PS C:\Users\cs100。

macOS/Linux 终端会显示 ~ 符号，该符号通常可以替代 HOME 变量。在 macOS/Linux 终端可以输入 echo $HOME 显示用户目录的路径。

文件列表#

第一个需要你掌握的命令是 ls，尝试在终端输入：

ls

命令 ls 是英文单词“list”的缩写，用于列出当前目录中的所有文件和文件夹。所谓“目录”（directory）就是文件夹的另一个别名。由于你当前正处在用户目录，执行完上述命令后，你会看到该目录包含的所有内容。

切换目录#

可以使用 cd 命令切换到另一个目录，该命令是“change directory”的缩写。

首先确保你仍然处在用户目录，或者使用 cd ~ 命令切换到用户目录。然后再尝试执行以下命令，进入桌面文件夹：

cd Desktop

尝试使用 ls 命令检查桌面文件夹的内容。

如果你不在用户目录，也可以尝试更快捷的操作，例如执行 cd ~/Desktop 可以从任何一个文件夹切换到桌面文件夹。

此时，再返回到用户目录也有多种方法，总结如下：

  • 命令 cd ..：使用两个点 .. 表示上一层目录（父级目录）。此时你处在桌面目录，上一层目录恰好就是用户目录。

  • 命令 cd ~：上面介绍过 ~ 表示用户目录，所以可以使用该符号直接定位到用户目录。

  • 命令 cd：在 macOS/Linux 终端上，直接输入该命令，默认情况下会跳转到用户目录，但是 PowerShell 不起作用。

新建文件夹#

命令 mkdir 是“make directory”的缩写。尝试在桌面文件夹创建一个 cs61a 文件夹，用于保存课程所有作业：

mkdir cs61a

观察桌面，你会发现一个名为 cs61a 的文件夹。也可以通过 ls 命令，在终端查看该目录。

你还可以进入 cs61a 文件夹创建更多分类文件夹，将课程中的项目和实验分类存储：

cd ~/Desktop/cs61a
mkdir projects
mkdir labs

如果你想新建一个文件而不是目录，可以使用 touch 命令，例如命令 touch test.py 将创建 test.py 文件。

移动文件#

如果你已经把 lab00.zip 下载到 ~\Downloads 目录，可以使用如下命令移动该文件到我们创建的桌面项目文件夹中。

mv ~/Downloads/lab00.zip ~/Desktop/cs61a/labs

命令 mv 是“move”的缩写，该命令将文件 lab00.zip 移动到 ~/Desktop/cs61a/labs 中。

总结

总结一下我们学习过的命令：

  • ls 列出当前目录内容

  • cd <path to directory> 切换到指定文件夹

  • mkdir <directory name> 使用指定名称创建一个新的文件夹

  • touch <file name> 使用指定名称创建一个新的文件

  • mv <source path> <destination path> 将指定的源文件/目录，移动到指定的目标路径

以上命令都来自 Unix 操作系统，熟练使用这些命令可以更好地完成课程内容。习惯了鼠标操作，这些内容看起来可能多此一举，但是在未来的进阶课程中，这些技能将给你带来很多便利，好好练习吧！

任务三：Python 基础#

程序由表达式和语句构成。表达式（expression）是一个代码片段，但其本质是一个值；语句（statement）由一行或多行代码构成，在程序中执行具体的动作。

在 Python 解释器中输入表达式后，其值会显示在下面。当你阅读下面的示例时，可以尝试在你的 Python 解释器中输入。

在本课程中，你将会学习到多种不同的表达式和语句。但是现在，为了完成本次实验，需要你先探索一部分。

简单表达式#

简单表达式（primitive expression）只需要一步就可以完成计算，例如数字和布尔值，这些表达式的值就是其本身：

>>> 3
3
>>> 12.5
12.5
>>> True
True

算术表达式#

数字可以和算术运算符进行组合，从而构成更复杂的表达式。

对于算术运算符，除了加法 +（addition），减法 -（subtraction），乘法 *（multiplication），求幂 **（exponentiation），还有三种不同的除法运算符需要牢记：

  • 浮点除法 /（floating point division）：用第二个数字除第一个数字，得到的结果带有小数点（即使在均分的情况下，也是如此）。

  • 取整 //（floor division）：用第二个数字除第一个数字并向下取整，得到的结果是一个整型（integer）。

  • 取余 %（modulo）：得到的结果是执行完除法留下的正余数。一般来说，负值相关的求余没太大意义，不建议深究。

括号（parentheses）可以用于组合子表达式，并改变计算顺序；表达式的计算顺序遵循 PEMDAS 顺序，即各运算符英文首字母缩写，P 表示 parentheses。

>>> 7 / 4
1.75
>>> (2 + 6) / 4
2.0
>>> 7 // 4        # Floor division (rounding down)
1
>>> 7 % 4         # Modulus (remainder of 7 // 4)
3

赋值语句#

赋值语句包含一个变量名和一个表达式。计算表达式，将值通过赋值运算符 = 绑定到左边的变量名，从而改变程序的状态。

>>> a = (100 + 50) // 2

此时，如果评估变量 a 的值，解释器将会显示 75：

>>> a
75

任务四：如何完成作业#

解锁测试#

实验的一个练习是预测 Python 解释器是如何执行的。输入以下命令，开始本小节的练习：

python ok -q python-basics -u --local

注意添加 --local 命令行选项，避免 ok 工具连接任何课程服务器。测试过程中，如果想强制退出 Python 解释器，可以使用快捷键 Ctrl-C。

根据提示信息，需要你输入多个表达式的值。你必须正确输入才能够继续下一个表达式，但是输入错误也没有任何惩罚。

由于没有连接任何课程服务器，所以这些作答不会有任何评分。自学过程需要你同时扮演一位老师的角色，自己评估个人的学习状况。

理解问题#

实验也包含一些函数填空练习。使用文本编辑器打开 lab00.py 文件，你应该会看到如下代码：

def twenty_twenty_one():
    """Come up with the most creative expression that evaluates to 2021,
    using only numbers and the +, *, and - operators.

    >>> twenty_twenty_one()
    2021
    """
    return ______

三引号 """ 组成的行称为文档字符串（docstring），用于描述当前函数的功能。在本课程中，当你编写代码之前，一定要先阅读这些文档。

以符号 >>> 开头的行称为文档测试（doctests）。类比 Python 解释器，你输入的表达式也在 >>> 后面，输出会打印在该行的下面。文档测试通过一些真实的 Python 代码来解释该函数的作用。这些测试回答了这样的问题：“如果输入这些 Python 代码，期望的输出应该是什么？”

在 twenty_twenty_one 函数中，

  • 文档字符串告诉我们“Come up with the most creative expression that evaluates to 2021”，但是你只能使用数字和算术运算符 +，-，*。

  • 文档测试表明，当调用函数 twenty_twenty_one() 时，返回结果将是值 2021。

除非你想添加自己的测试，否则不要修改文档字符串！只有在作业和项目中，才需要你编辑这些内容。

编写代码#

一旦你理解了问题，那么就可以准备编写代码了。你应该使用正确的表达式替换掉 return ______ 中的下划线。你能想出哪些最具创意的表达式？

运行测试#

本课程使用 ok 工具测试我们的代码。每个实验和作业中，都已经包含该测试工具。

回到终端，确保当前目录是在 lab00，然后使用 ls 命令查看该目录的内容，注意以下三个文件：

  • lab00.py：需要你编辑的初始代码文件

  • ok：测试工具

  • lab00.ok：测试工具的配置文件

现在执行以下命令测试我们的项目：

python ok --local

修改初始代码，直到测试通过。如果测试通过，终端将会显示以下提示信息：

=====================================================================
Assignment: Lab 0
OK, version v1.18.1
=====================================================================

~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
Running tests

---------------------------------------------------------------------
Test summary
    3 test cases passed! No cases failed.

自助评分#

由于没有使用课程服务器，我们无法通过网站管理自己的成绩。但是 ok 工具也提供了评分的选项，可以通过以下命令进行评分：

python ok --score --local

根据测试情况，终端将会显示以下评分信息：

=====================================================================
Assignment: Lab 0
OK, version v1.18.1
=====================================================================

~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
Scoring tests

---------------------------------------------------------------------
Doctests for twenty_twenty_one

>>> from lab00 import *
>>> twenty_twenty_one()
2021
Score: 1.0/1

---------------------------------------------------------------------
Python Basics
    Passed: 0
    Failed: 0
[k..........] 0.0% passed

---------------------------------------------------------------------
Point breakdown
    twenty_twenty_one: 1.0/1
    Python Basics: 0.0/0

Score:
    Total: 1.0

附：Python 命令行选项#

如果你想运行一个 Python 程序，也可以通过命令行运行。不使用命令行选项执行 Python 代码文件，程序执行完将返回到命令行。

在 lab00.py 文件末尾添加一些打印语句，例如 print(2021)，执行以下命令查看该程序的运行结果：

python lab00.py

此外，你也可以使用一些命令行选项来进一步检查代码。例如选项 -m doctest 可以执行指定文件中的文档测试。

尝试修改 lab00.py 文件，将 twenty_twenty_one() 的返回值改成一个错误值，然后执行以下命令观察结果：

python -m doctest lab00.py

如果你想了解更多 Python 命令行选项，可以查看 Python 文档。

完！