20_少儿Python编程_第二十讲 ：编程技巧
少儿 Python 编程 _ 第二十讲：编程技巧
在学习编程的过程中，起初新手开发者对程序没有什么概念，先讲解习惯和注意事项，不但没什么效果，注意事项太多，反而提高了编程的难度；往往在自己遇到问题后，经过思考，印象更加深刻。之前在每一讲课后练习中，也加入了一些技巧说明，但比较分散。本讲将总结编写程序过程中遇到的各种问题和编程习惯。
20.1 编程习惯
写程序最重要的是实现功能，在实现功能的基础上，好的编程习惯，让代码更清晰，更容易理解，无论是过一段时间自己再看，还是给别人使用都能节约大量时间；同时，好的编程习惯让代码在不同运行环境和操作系统中也能稳定地运行。
20.1.1 缩进
缩进指代码与边界之间的距离，Python 使用缩进组织代码块，一般用冒号和缩进区分代码之间的层次。代码块缩进常出现在：函数体、循环体、以及判断语句之后。
对 Python 编程来说，缩进是必不可少的；其它编程语言，也大都包括缩进，但有的不是必须缩进，比如 C 语言用大括号括住循环体内容，但一般程序员也会使用空格缩进，这样更容易看到代码的层次：直观地看到循环从哪里开始，到哪里结束，缩进也是一种良好的编程习惯。
1．缩进相关错误
1 | <pre style="tab-stops:21.75pt 91.6pt 137.4pt 183.2pt 229.0pt 274.8pt 320.6pt 366.4pt 412.2pt 458.0pt 503.8pt 549.6pt 595.4pt 641.2pt 687.0pt 732.8pt"> |
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1 | 01 if x>0: |
编写这段语句的本意是：需要在 x 大于 0 时打印 02 和 04 句，无论什么情况都打印第 03 句。但使用以上写法，第三句没有缩进，表示 if 条件对应的代码块在 02 句之后已经结束，第 04 句的缩进出错。
冒号表示一个新代码块的开始，行尾的冒号和新增的缩进一一对应，只有冒号没有新的缩进，或者没有冒号但有新的缩进都是错误的，代码块中间不能断开。
正确的方法是调换第 03 句和 04 句的位置。
2．缩进的空格数
缩进使用的空格数是可变的，一般情况下，使用四格缩进，但也有人习惯两空格缩进或八空格缩进。在同一程序中必须使用一致的缩进规则，建议使用默认的四格缩进。
3．Tab 键生成缩进和空格生成缩进
Tab 键输入制表符，用于文本对齐，制表符在不同软件中被显示成四个或者八个空格。在 Jupyter Notebook 或者 Spyder 等编程工具中，使用 Tab 键生成的制表符都被转换成了对应的空格，因此可以使用 Tab 键生成缩进。但使用 Windows 记事本这类纯文本编辑器时，不自动转换成空格，如果混用 Tab 键输入的制表符和空格，程序运行时就会报错，由于制表符和空格看起来差不多，这种错误很难通过观察发现。
20.1.2 命名
无论是编写程序还是使用文件都会遇到命名问题，比如函数名、类名、变量名、文件名、路径名、网址、数据库的字段名等等。计算机上的命名规则也大同小异。一般都支持英文字母、数字、下划线，有的命名也支持中文、特殊符号、空格等等，虽然有些命名规则支持上百个字符的命名长度，但习惯上一般都在 20 字符以内，不应太长。
1．有意义的命名
命名最重要的是有意义，让自己和他人通过名字可以了解变量或者文件的作用。尽量不要使用 a、b 这样的命名，很难查找，时间长了自己也会忘记用途。
2．中文和特殊符号
Python 3 之后的版本，支持用中文命名变量，Windows 也支持用中文命名文件和目录。由于在计算机中支持多种中文编码，使用不同软件或者系统打开文件时，默认的编码方式如果不同，则可能出现乱码；另外，有些系统区分大小写字母，有的则视大小写为同一字母。
在编写程序时，尽量使用小写英文字母数字和下划线命名，最好使用有意义的英文单词，其次是使用拼音，尽量少使用中文命名变量、函数和类，除了下划线“_”，命名时也尽量少使用其它的特殊符号和空格，如果想用一个以上的词命名变量，建议使用下划线分隔词，例如“get_width”相比“getwidth”更加直观。
另外，还需要注意区分下划线“_”和减号“-”；中英文标点符号不同；一些字符看起来比较像，比如大写的 i（I）和小写的 L（l），英文字母 O 和数字 0 比较容易混淆等等。
3．命名习惯
注意根据用途命名，例如：主要给老师、同学、家长（中国人）看的文件名、目录名可以用中文命名；给程序员看的代码文件名、代码中的内容、数据库字段使用英文字母命名；提供给别人调用的文件或者函数命名要有意义，只供自己使用的内部变量可相对随意一些。
另外，还有一些约定俗成的用法，比如：一般使用字母 i，j 表示循环中的记数变量。对于一些不变的值，通常使用大写字母命名，比如窗口的长宽常使用 WIDTH 和 HEIGHT 命名。
20.1.3 注释
1．用途
注释是对代码的解释和说明，它的目的是让人能够更加轻松地理解代码。虽然使用有意义的命名可以描述程序文件、函数、变量的功能，但命名不能太长，一般通过注释进行更加详细的说明。注释有以下几种使用场景：
- 在程序文件的开头介绍该程序的功能和用法。
- 在函数之前介绍函数的功能和用法。
- 在难以理解的语句前后，说明语句的功能。
- 将暂时不用的代码注释掉。
注释要尽量写得简洁而清楚，如果不熟悉英文，就用中文写，内容比形式更重要。不光自己看得懂，也要让别人能看懂。
2．用法
Python 使用井号“#”实现单行注释，当前行中井号之后的内容都视为注释。使用三引号实现多行注释，形如：
1 | 01 print('aaa') # 打印信息 |
三引号用于定义包含回车换行的字符串，可以是三个单引号，也可以是三个双引号。在程序中的字符串，不操作、不赋值，也不影响程序的运行，因此，常作为包含多行的注释使用。
20.2 调试程序
学习自然语言时，除了记住词义以外，还要能组合成句子文章，才能正常使用。编程语言也是一种语言，学习时不仅要记住所学知识点，还要学习程序整体的构造和调试。在每一讲后面的习题可供读者练习编写各种程序。尤其是从第十五章之后，不再对课程中实例的简单修改，而是用完全不同的代码构造新的功能。
如果读者按要求完成了练习，在练习过程中一定遇到了很多的程序错误，也从中学习了解决问题的方法。
本小节将总结常见的问题和解法，并介绍简单有效的程序调试方法。
20.2.1 常见问题
无论是使用命令行还是 Python 集成开发环境，程序运行出错时都会显示错误提示。提示信息中最重要的是行号信息，开发者通过行号可以确定错误的大概位置。
1．语法错误
图 20.1 是一种常见的错误，“invalid syntax”意思是语法错误，提示错误出现在第二行（line 2），实际上，错误的原因是第一行少了右括号，程序一直在等待右括号，而在第 02 行却出现了 print 语句，所以提示为第 02 行错误。由此可见，也有少量错误行提示，可能是由之前行的错误引起的。但至少可以通过行号确认大概位置。
2．缩进错误
图 20.2 是缩进错误，“unexpected indent”意思是意外的缩进，它由第 2 行多了一个空格引起，也是常见的输入引起的错误。
3．名字未定义错误
图 20.3 示例了未定义错误，程序在使用 y 之前，没有定义 y，因此提示“name ‘y’ is not defined”（名字’y’没有被定义）。有时候，并不是使用变量或者函数前没有定义，也可能是没有引入函数所在的三方库、或者是输入时拼写错误引起的，比如：混淆字母 O 和数字 0，逗号看成句号，冒号和分号写错等等。像大写 I(i) 和小写 l(L) 混淆的错误很难被观察到，这时，可以使用查找功能，比如在 Jupyter Notebook 中用 Ctrl+f 查找报错中提示的名字。
4．下标越界错误
图 20.4 示例了下标越界错误，报错为“list index out of range”（列表索引号超出范围），程序在第 1 行定义了含有三个元素的列表 arr，在第 2 行试图访问数组的第 4 个元素（索引号为 3），数组元素索引号从 0 开始，范围是 0,1,2，本例中访问的索引号超过了列表的最大索引号。
5．其它问题
程序可能出现的错误非常多，无法一一列举，而报错信息一般都是英文的，建议使用以下步骤查找错误原因：
首先，查看错误提示中的行号，以及行号之前的程序，看是否能发现代码错误。
如果未找到原因，查看是否为以上几种错误类型。
如果不是以上问题，用翻译工具翻译错误提示，以定位问题。
如果仍不能找到问题，在搜索引擎（如百度）中搜索错误提示，查看他人解决此类问题的方法。
20.2.2 调试方法
在程序中间加入断点和打印信息都是标准的程序调试方法，特别是在运行他人编写的代码时，用这种方法可以了解每个阶段做了什么。
我们写的程序都相对简单，类和函数并不多，当运行别人代码时，梳理互相调用关系很重要，最好能画出简单的调用关系图。
1．print 函数
Python 中的 print 函数用于打印输出，它虽然不是专用的程序调试工具，但是如果养成使用 print 跟踪程序运行的习惯，至少一半的问题都可以解决。
学习使用 print 调试程序不是学习函数的使用方法，而是在编写程序的过程中，要理解程序每一行做了什么工作，每一行程序执行之后当前环境中各个变量的状态是什么，尤其是在循环这样较为复杂的结构中，需要了解每一次循环中数据的变化。而使用 print 语句则是在开发者不太清楚当前状态的情况下，用程序输出所关注的变量或者数据。
比如加载数据表文件之后，可以用 print 语句显示加载后的内容以及数据格式，又如跟踪循环中数据的变化情况。如下例所示。
1 | 01 s = 0 |
其中第四行用于显示每一次循环中的 s 值和 i 值。当程序并未报错，但输出结果与想象中不同时，可以使用 print 方法跟踪程序中数据的变化，以定位出错的位置。
还有一种常用的调试方法是注释掉可能错误的程序段，然后运行程序，如果运行仍不正常，说明不是被注释掉语句的问题，继续注释更多的语句；如果注释后运行正常，则说明是该段问题，然后尝试注释掉较少的语句，直到定位到具体出错的行。
2. 调试工具 pdb
pdb 是 Python 的调试工具，由于 pdb 使用方法比较复杂，此处讲解 pdb 只作为知识扩展，不要求读者掌握。
在 Jupyter 中加入魔法命令%pdb，即可在程序出错时调用 pdb，以便调试出错时的具体代码。例如，运行以下程序：
1 | 01 %pdb |
程序运行到第三行时，会报错，但并未退出，界面上将出现可交互的输入框，开发者可以在输入框中输入程序如：print(arr)，来进一步运行程序。请注意：调试完成之后需要在输入框中输入 exit 退出调试模式。
使用 pdb 的另一种方法是在程序中加入断点，当程序运行到该行，会跳出可交互的输入框，开发者可以通过 pdb 命令查看当前状态，或者逐步执行断点之后的程序。
设置断点的方法是，在程序中加入 pdb.set_trace()，如以下程序所示：
1 | 01 import pdb |
pdb 常用的调式命令如下：
- 单步调试（进入函数）：s(tep)。
- 单步调试（不进入函数）：n(ext)。
- 继续往后执行，直到下个断点：c(ont(inue))。
- 运行到函数结束：r(eturn)。
- 运行到当前循环结束：unt(il)。
- 设置断点：b(reak) 文件名: 行号（或行号，或函数名）。
- 显示当前调用关系：w(here)。
- 显示当前代码段：l(ist)。
- 显示变量：p(rint) 变量名。
- 显示当前函数的参数：a(rgs)。
- 显示帮助信息：h(elp)。
- 退出：q(uit)。
20.2.3 错误处理
程序有时可能出现一些难以预料的错误，比如写客户端程序与服务器端交互，就可能遇到很多问题，如网络未连接，对三方库调用方法不对，与服务器数据交互格式不对，或者以前能正常运行，后来服务端修改了端口，找不到对应功能等等。
这种情况下，程序员，尤其是写程序供他人调用的程序员，需要识别出程序中可能出现的错误，进行错误处理后，保证程序正常运行，而不会意外退出。
当程序运行出错时会抛出异常，如果不做处理，则程序会异常退出，Python 用 try/except 方式捕获异常，其语法规则如下：
1 | 01 try: |
简单实例如下：以读方式打开文件 test.txt，该文件不存在时将抛出异常，例程中捕获异常，并显示出具体的异常信息。
1 | 01 try: |
从返回结果可以看到，捕捉到异常信息后，程序正常执行了之后的打印信息操作，而并未因为异常而崩溃。
课后练习：（练习答案见本讲最后的小结部分）
练习一：尝试捕获越界的错误。
20.3 思维训练
20.3.1 学习编程的好处
如果读者从头到尾学习了所有例程，并做完了所有习题，可能发现以下变化：
- 熟悉了程序、界面、网络、数据库、数据分析等概念。
- 熟练使用 Python 编程环境。
- 对大多数问题都能定位到关键点。
- 写程序从修改变成了构建。
- 不再抵触较长的程序段。
- 变量命名更有章法。
- 更喜欢使用工具和快捷键。
- 能解决大多数语法方面的问题，至少有了解决思路。
……
12 岁以下的学生，对于文中绝大多数的概念都是第一次接触，即使当时学会了，过一段时间也会淡忘，因此推荐整体看三遍以上，最终目标是能自如地编写练习中的每一个程序，并且能够将程序用于日常的数据处理。
20.3.2 防患于未然
之前提到学习常常分为两部分：一部分从经验中学习，即构建框架；另一部分从教训中学习。经验可以通过实践或者学习规则构造，而教训更多往往是自己犯了错误印象才深。
教训又可再细分成两种情况：改正错误和防患于未然。发现问题及时改正可能导致处理过程的暂停和回退；而防患于未然则更多地源于之前的积累，它们在错误的行为之前就进行了阻止，而从表面看来，似乎非常平稳，未经波折。实际上是经验在毫无意识的情况下就发生了作用。比如我们不会在公共场景提到禁忌话题。
因此，很多时候看起来运气比较好或者天生的灵感，实际上下意识的行为是源于之前的积累。对于一个严谨的人，很多思路在没有外显时可能就已经被过滤掉了，往往也显得没有幽默感，缺少想象力。严谨或者随意可能取决于个人经历和环境，也可能是遗传或者性格所致。
人们不能要求小孩子对陌生人又友好，又有戒心，但是有些成年人却可以做到。我们在成长过程中不断打磨，逐渐学会了在两极之间取折中的方案，在不同的情况下使用不同的框架。
20.3.3 注意事项
最后，整理了一些学习编程中的注意事项，与大家共同学习：
- 任何老师都不可能列出所有可能出现的问题，要学会在试错中进步。
- 基础知识非常重要，无论文科理科记和背都是必须的，对常用知识构建条件反射，才能有更多的脑力用于后续的学习和思考。
- 完成功能后整理代码：从变量命名到代码顺序，都请严格要求自己。
- 量的问题积累太多，就变成了质的问题：一个小问题，努力一下也许能解决，但是十个小问题堆叠起来，脑子就直接转不动了。
- 代码重构比代码填空难度大得多，尽量多练习构建整体代码逻辑。
- 分类和对比非常重要，如果不能直接找到答案，可以寻找类似的情况及处理方法。
- 代码需要逐行读懂，长代码，很可能读到后面忘了前面，建议边读边记，最好能绘制流程图，有时候也需要反复阅读。
- 初学者对例程往往知其然，不知其所以然，在看他人代码时尽量动手跟踪调试程序。
- 写程序像弹琴一样需要不断练习，即使学一遍就会，后边不用也会很快忘记。
20.4 小结
20.4.1 单词
本讲需要掌握的英文单词如表 20.1 所示。
20.4.2 习题答案
- 练习一：尝试捕获越界的错误。
1 | 01 try: |