第八章 Python计算生态

第八章 Python计算生态

8.1 计算思维

计算思维是人类科学思维活动的重要组成部分。人类在认识世界、改造世界的过程中表现出三种基本的思维特征：以实验和验证为特征的实证思维，以物理学科为代表；以推理和演绎为特征的逻辑思维，以数学学科为代表；以设计和构造为特征的计算思维，以计算机学科为代表。

计算思维的本质是抽象（Abstraction）和自动化（Automation）。

8.2 程序设计方法论

一个解决复杂问题行之有效的方法被称作自顶而下的设计方法，其基本思想是从一个总问题开始，试图把他分解为很多小问题组成的解决方案。再用同样的方法依次攻破每个小问题，最终问题变得非常小，以至于可以很容易解决。然后只需要把所有的碎片组合起来，就可以得到一个程序。

8.2.1 自顶向下设计

自顶向下设计中最重要的是顶层设计。

自顶向下的设计过程可以概括为四个步骤：

步骤1：将算法表达为一系列小问题。

步骤2：为每个小问题设计接口。

步骤3：通过将算法表达为接口关联的多个小问题来细化算法。

步骤4：为每个小问题重复上述过程。

8.2.2 自底向上执行

程序编写后，需要经过测试过程。对于较小规模的程序，直接运行即可。但对于稍大规模的程序，需要特殊方法应对测试问题。就像自顶向下设计，每次只设计程序的一部分比一下子解决整个问题更容易，开展测试的更好办法也是将程序分为小部分逐个测试。

执行中等规模程序的最好方法是从结构图最底层开始，而不是从顶部开始，然后逐步上升。或者说，先运行和测试每一个基础函数，再测试由基础函数组成的整体函数，这样有助于定位错误。

通过继续进行这样的单元测试可以检测程序中的每个函数。独立检验每个函数更容易发现错误。通过模块化设计可以分解问题使编写复杂程序成为可能，通过单元测试方法分解问题试运行和调试复杂程序成为可能。

自顶向下和自底向上贯穿程序设计和执行的整个过程。

8.3 计算生态

近20年的开源运动产生了深植于各信息技术领域的大量可重用资源，直接且有力的支撑了信息技术超越其他技术领域的发展速度，形成了“计算生态”。

Python语言从诞生之初致力于开源开放，建立了全球最大的编程计算生态。

Python官方网站提供了第三方库索引功能（PyPI，the Python Package Index）,网址如下：https://pypi.org/

该页面列出来Python语言超过12万个第三方库的基本信息，这些函数库覆盖信息领域技术所有技术方向。

由于Python有非常简单灵活的编程方式，很多采用C、C++等语言编写的专业库可以经过简单的接口封装供Python语言程序调用。这样的粘性功能使得Python语言成为了各类编程语言之间的接口，Python语言也被称为“胶水语言”。

8.3.1 Python标准库

有一部分Python计算生态随Python安装包一起发布，用户可以随时使用，被称为Python标准库。受限于Python安装包的设定大小，标准库数量270个左右。

8.3.2 Python第三方库

更广泛的Python计算生态采用额外安装方式服务用户，被称为Python第三方库。这些第三方库由全球各行业专家、工程师和爱好者开发，没有顶层设计，有开发者采用“尽力而为”