第4章　基本输入与输出

本章摘要

4-1　Python的辅助说明help( )

4-2　格式化输出数据使用print( )

4-3　输出数据到文件

4-4　数据输入input( )

4-5　处理字符串的数学运算eval( )

4-6　列出所有内建函数dir( )

4-7　专题——温度转换/房贷问题/正五角形面积/计算经纬度距离

本章将介绍如何在屏幕上进行输入与输出，另外也将讲解Python内建的实用功能。

4-1　Python的辅助说明help( )

help( )函数可以列出某一个Python指令或函数的使用说明。

实例：列出输出函数print( )的使用说明。

当然程序语言是全球化的语言，所有说明是以英文为基础，要有一定的英文能力才可彻底了解，不过笔者在本书中会详尽地用中文引导读者入门。

4-2　格式化输出数据使用print( )

相信读者经过前三章的学习，对于使用print( )函数输出数据已经非常熟悉了，现在是时候完整解说这个输出函数的用法了。

4-2-1　函数print( )的基本语法

print( )的基本语法格式如下：

    print(value, … , sep=" ", end="\n", file=sys.stdout, flush=False）

value：表示想要输出的数据，可以一次输出多个数据，各数据间以逗号隔开。

sep：当输出多个数据时，可以插入各数据的分隔字符，默认是一个空格。

end：当数据输出结束时所插入的字符，默认是插入换行字符，所以下一次print( )函数的输出会在下一行输出。如果想让下次输出不换行，可以在此设置空字符串，或是空格或是其他字符串。

file：数据输出位置，默认是sys.stdout，也就是屏幕。也可以使用此设置，将输出导入其他文件或设备。

flush：是否清除数据流的缓冲区，默认是不清除。

程序实例ch4_1.py：重新设计ch3_18.py，其中在第二个print( )中两个输出数据的分隔字符是“ $$$”。

执行结果

程序实例ch4_2.py：重新设计ch4_1.py，将两个数据在同一行输出，彼此之间使用Tab键的距离隔开。

执行结果

4-2-2　格式化print( )输出

在使用格式化输出时，基本使用格式如下：

    print("  …输出格式区…  "  %  ( 变量系列区,  …  ））

在上述输出格式区中，可以放置变量系列区相对应的格式化字符，这些格式化字符的基本意义如下。

%d：格式化整数输出。

%f：格式化浮点数输出。

%x：格式化十六进制整数输出。

%X：格式化大写十六进制整数输出。

%o：格式化八进制整数输出。

%s：格式化字符串输出。

%e：格式化科学记数法e的输出。

%E：格式化科学记数法大写E的输出。

程序实例ch4_3.py：格式化输出的应用。

执行结果

设计程序时，在print( )函数内的输出格式区也可以用一个字符串变量取代。

程序实例ch4_4.py：重新设计ch4_3.py，在print( )内用字符串变量取代字符串列，读者可以参考第5行和第6行与原先ch4_3.py的第5行做比较。

执行结果　与ch4_3.py相同。

程序实例ch4_5.py：格式化十六进制和八进制输出的应用。

执行结果

程序实例ch4_6.py：将整数与浮点数分别以%d、%f、%s格式化，同时观察执行结果。特别要注意的是，浮点数以整数%d格式化后，小数数据将被舍去。

执行结果

下列是使用%x和%X格式化数据输出的实例。

下列是使用%e和%E格式化科学记数法数据输出的实例。

4-2-3　精准控制格式化的输出

在上述程序实例ch4_6.py中，我们发现最大的缺点是无法精确地控制浮点数的小数输出位数，print( )函数在格式化过程中，可以让我们设置保留多少格的空间让文件做输出，此时格式化的语法如下。

%（+|-）nd：格式化整数输出。

%（+|-）m.nf：格式化浮点数输出。

%（+|-）nx：格式化十六进制整数输出。

%（+|-）no：格式化八进制整数输出。

%（-）ns：格式化字符串输出。

%（-）m.ns：m是输出字符串宽度，n是显示字符串长度，n小于字符串长度时会有裁减字符串的效果。

%（+|-）e：格式化科学记数法e输出。

%（+|-）E：格式化科学记数法大写E输出。

上述格式对浮点数而言，m代表保留多少格数供输出（包含小数点），n则是小数数据保留格数。至于其他的数据格式，n则是保留多少格数空间，如果保留格数空间不足将完整输出数据，如果保留格数空间太多则数据靠右对齐。

如果是格式化数值数据或字符串数据有加上负号（-），表示保留格数空间有多余时，数据将靠左输出。如果是格式化数值数据有加上正号（+），如果输出数据是正值时，将在左边加上正值符号。

程序实例ch4_7.py：格式化输出的应用。

执行结果

程序实例ch4_8.py：格式化输出，靠左对齐的实例。

执行结果

程序实例ch4_9.py：格式化输出，正值数据将出现正号（+）。

执行结果

程序实例ch4_10.py：格式化输出的应用。

执行结果

下面是格式化科学记数法e和E输出的应用。

对于格式化字符串有一个特别的是使用“%m.n”方式格式化字符串，这时m是保留显示字符串空间，n是显示字符串长度，如果n的长度小于实际字符串长度，会有裁减字符串的效果。

4-2-4　format( )函数

这是Python增强版的格式化输出功能，是字符串使用format方法做格式化的动作，基本使用格式如下：

    print("  …输出格式区…  " .format( 变量系列区,  …  ））

在输出格式区内的变量使用“{ }”表示。

程序实例ch4_11.py：使用format( )函数重新设计ch4_3.py。

执行结果　与ch4_3.py相同。

程序实例ch4_12.py：以字符串代表输出格式区，重新设计ch4_11.py。

执行结果　与ch4_3.py相同。

在使用{ }代表变量时，也可以在{ }内增加编号n，此时n将是format( )内变量的顺序，编号从0开始计算，变量多时方便了解变量的顺序。

程序实例ch4_12_1.py：重新设计ch4_12.py，在{ }内增加编号。

执行结果

也可以在format( )内使用具名参数。

程序实例ch4_12_2.py：使用具名参数，重新设计ch4_12_1.py。

执行结果

也可以将4-2-2节所述格式化输出数据的概念应用于format( )，例如，d是格式化整数、f是格式化浮点数、s是格式化字符串等。传统的格式化输出是使用%配合d、s、f，使用format则是使用“:”，可参考下列实例第5行。

程序实例ch4_12_3.py：计算圆面积，同时格式化输出。

执行结果

在使用格式化输出时默认是靠右输出，也可以使用下列参数设置输出对齐方式。

>：靠右对齐

<：靠左对齐

^：居中对齐

程序实例ch4_12_4.py：输出对齐方式的应用。

执行结果

在使用format输出时也可以使用填充字符，字符是放在“：”后面，在<、^、>或指定宽度之前。

程序实例ch4_12_5.py：填充字符的应用。

执行结果

4-2-5　字符串输出与基本排版的应用

适度利用输出格式，可以制作一封排版的信件，以下程序的前3行会先利用sp字符串变量建立一个含40格的空白格数，然后产生对齐效果。

程序实例ch4_12_6.py：有趣排版信件的应用。

执行结果

4-2-6　一个无聊的操作

程序实例ch4_12_6.py第2行，利用空格乘以40产生40个空格，功能是用于排版。如果将某个字符串乘以500，然后用print( )输出，可以在屏幕上建立一个无聊的画面。

实例：在屏幕上建立一个无聊的画面。

上述实例是启发读者活用Python，可以产生许多意外的结果。

4-3　输出数据到文件

在4-2-1节有讲解在print( )函数中，默认输出位置是屏幕（sys.stdout），其实可以利用这个特性将输出导向一个文件。

4-3-1　打开一个文件open( )

open( )函数可以打开一个文件供读取或写入，如果这个函数执行成功，会返回文件流对象，这个函数的基本使用格式如下：

file_Obj = open(file, mode="r"）# 只列出最常用的两个参数

file：用字符串列出要打开的文件，如果不指明路径，则打开目前工作文件夹。

mode：打开文件的模式，如果省略代表是mode="r"，使用时如果mode="w"或其他，也可以省略“mode=”，直接写“w”。也可以同时具有多项模式，例如，“wb”代表以二进制文件打开供写入，可以是下列基本模式。下列是第一个字母的操作意义。

　"r"：这是默认值，打开文件供读取（read）。

　"w"：打开文件供写入，如果原先文件有内容将被覆盖。

　"a"：打开文件供写入，如果原先文件有内容，新写入数据将附加在后面。

　"x"：打开一个新的文件供写入，如果所打开的文件已经存在会产生错误。下列是第二个字母的意义，代表文件类型。

　"b"：打开二进制文件模式。

　"t"：打开文本文件模式，这是默认值。

file_Obj：这是文件对象，读者可以自行命名，未来print( )函数可以将输出导向此对象，不使用时要关闭file_Obj.close( )，才可以返回操作系统的文件管理器观察执行结果。

4-3-2　使用print( )函数输出数据到文件

程序实例ch4_13.py：将数据输出到文件的实例，其中，输出到out1.txt采用“w”模式，输出到out2.txt采用“a”模式。

执行结果

这个程序执行后需到ch4文件夹查看执行结果内容，如果执行程序一次，可以得到out1.txt和out2.txt内容相同。但是如果持续执行，out2.txt内容会持续增加，out1.txt内容则保持不变，下列是检查文件夹内容。

下列是执行两次此程序后out1.txt和out2.txt的内容。

4-4　数据输入input( )

这个input( )函数功能与print( )函数功能相反，会从屏幕读取用户从键盘输入的数据，它的使用格式如下：

    value = input("prompt: "）

value是变量，所输入的数据会存储在此变量内，特别需注意的是所输入的数据不论是字符串或是数值数据返回到value时一律是字符串数据，如果要执行数学运算需要用int( )函数转换为整数。

程序实例ch4_14.py：认识输入数据类型。

执行结果

程序实例ch4_15.py：基本数据输入与运算。

执行结果

接下来的程序主要是处理中文名字与英文名字的技巧，假设要求使用者分别输入姓氏（lastname）与名字（firstname），在中文中要处理成名字，可以使用下列字符串连接方式。

    fullname = lastname + firstname

在英文中首先名字在前面，姓氏在后面，同时中间有一个空格，因此处理方式如下：

    fullname = firstname + " " + lastname

程序实例ch4_16.py：分别输入中文和英文的姓氏以及名字，本程序将会输出名字组合并输出问候语。

执行结果

4-5　处理字符串的数学运算eval( )

Python内有一个非常好用的计算数学表达式的函数eval( )，这个函数可以直接返回字符串内数学表达式的计算结果。

    result = eval(expression）  # expression是字符串

程序实例ch4_17.py：输入公式，本程序可以列出计算结果。

执行结果

由上述执行结果可以发现，在第一个执行结果中输入的是“5*9+10”字符串，eval( )函数可以处理此字符串的数学表达式，然后将计算结果返回，同时也可以发现即使此数学表达式之间有空字符也可以正常处理。

Windows操作系统有计算器程序，其实当我们使用计算器输入运算公式时，就可以将所输入的公式用字符串存储，然后使用eval( )方法就可以得到运算结果。在ch4_15.py中input( )所输入的数据是字符串，当时我们使用int( )将字符串转成整数处理，其实也可以使用eval( )配合input( )，直接返回整数数据。

程序实例ch4_18.py：使用eval( )重新设计ch4_15.py 。

执行结果

一个input( )可以读取一个输入字符串，我们可以灵活运用多重指定在eval( )与input( )函数上，然后产生一行输入多个数值数据的效果。

程序实例ch4_19.py：输入3个数字，本程序可以输出平均值，注意输入时各数字间要用“,”隔开。

执行结果

4-6　列出所有内建函数dir( )

阅读至此，相信读者已经使用了许多Python内建的函数了，例如help( )、print( )、input( )等，读者可能想了解到底Python提供哪些内建函数可供我们在设计程序时使用，可以使用下列方式列出Python所提供的内建函数。

    dir(_ _ builtins _ _） # 列出Python内建函数

实例：列出Python所有内建函数。

在本书中，笔者会依功能分类将常用的内建函数分别融入各章节主题中，如果读者想了解某一个内建函数的功能，可参考4-1节使用help( )函数。

4-7　专题——温度转换/房贷问题/正五角形面积/利用经纬度计算距离

4-7-1　设计摄氏温度和华氏温度的转换

摄氏温度（Celsius，C）的由来是在标准大气压环境，纯水的凝固点是0℃，沸点是100℃，中间划分100等份，每个等份是摄氏1度。为了纪念瑞典科学家安德斯·摄尔修斯（Anders Celsius）对摄氏温度定义的贡献，所以称为摄氏温度（Celsius）。

华氏温度（Fahrenheit，F）的由来是在标准大气压环境，水的凝固点是32℃、水的沸点是212℃，中间划分180等份，每个等份是华氏1度。为了纪念德国科学家丹尼尔·加布里埃尔·华伦海特（Daniel Gabriel Fahrenheit）对华氏温度定义的贡献，所以称为华氏温度（Fahrenheit）。

摄氏和华氏温度互转的公式如下：

摄氏温度 = ( 华氏温度 – 32 ）×5 / 9

华氏温度 = 摄氏温度×( 9 / 5 ） + 32

程序实例ch4_20.py：请输入华氏温度，这个程序会输出摄氏温度。

执行结果

4-7-2　房屋贷款问题

每个人在成长的过程中可能都会经历买房子，第一次住在属于自己的房子中是一个美好的经历，大多数人在这个过程中可能需要向银行贷款。这时会思考需要贷多少钱？贷款年限是多少？银行利率是多少？然后可以利用上述已知资料计算每个月还款金额是多少，同时我们会好奇整个贷款结束究竟还了多少贷款本金和利息。在做这个专题分析时，已知的条件是：

贷款金额：使用loan当变量

贷款年限：使用year当变量

年利率：使用rate当变量

然后需要利用上述条件计算下列结果。

每月还款金额：使用monthlyPay当变量

总共还款金额：使用totalPay当变量

处理这个贷款问题的数学公式如下：

在银行的贷款术语习惯使用年利率，所以碰上这类问题需要将所输入的利率先除以100，这是转成百分比，同时要除以12表示是月利率。可以用下列方式计算月利率，用monthrate当变量。

    monthrate = rate / (12*100）     # 第5行

为了不让求每月还款金额的数学式变得复杂，将分子（第8行）与分母（第9行）分开计算，第10行是计算每月还款金额，第11行是计算总共还款金额。

程序实例ch4_21.py：请输入贷款金额、贷款年限和年利率，程序会输出每月还款金额和总共还款金额。

执行结果

4-7-3　正五角形面积

在几何学中正五角形边长假设是s，其面积的计算公式如下：

上述计算正五角形面积需要使用数学中的PI，虽然可以使用3.14159代替，不过笔者此处先引导读者学习使用Python的数学模块，有关模块的概念将在第13章说明，此节将先教导读者使用，可以使用“import math”导入此数学模块。

程序实例ch4_22.py：请输入正五角形的边长s，此程序会计算此正五角形的面积。

执行结果

可以将上述概念扩充应用在正多边形面积计算，相关概念可以参考习题13。

4-7-4　利用经纬度计算地球各城市间的距离

地球是圆的，我们可以使用经度和纬度来了解地球上每一个点的位置。有了两个地点的经纬度后，可以使用下列公式计算彼此的距离。

    distance = r×acos(sin(x1）×sin(x2）+cos(x1）×cos(x2）×cos(y1-y2））

上述r是地球的半径约6371千米，由于Python的三角函数都是弧度（radians）单位，我们使用上述公式时，需使用math.radian( )函数将角度转成弧度。上述公式西经和北纬是正值，东经和南纬是负值。

经度坐标介于-180°～180°，纬度坐标是-90°～和90°，虽然我们习惯称经纬度，在用小括号表达时却是（纬度, 经度），也就是第一个参数放纬度，第二个参数放经度。

最简单的获得经纬度的方式是打开Google地图，其实打开Google地图后就可以在网址列看到我们目前所在地点的经纬度，选择地点就可以在网址列看到所选地点的经纬度信息，可参考下方左图。

由上图可以知道中国台北车站的经纬度是（25.0452909, 121.5168704），以上概念可以应用于查询世界各地的经纬度，上方右图是中国香港红磡车站的经纬度（22.2838912, 114.173166），程序为了简化小数取4位。

程序实例ch4_23.py：中国香港红磡车站的经纬度信息是（22.2839, 114.1731），中国台北车站的经纬度是（25.0452, 121.5168），请计算中国台北车站至中国香港红磡车站的距离。

执行结果

习题

1. 请重新设计第2章的习题4，将输出方式改为下列方式。（4-2节）

2. 扩充ch4_10.py，最右边增加平均分数字段，这个字段的格式化方式是%4.1f，相当于取到小数第1位。（4-2节）

3. 设计前一个程序，输出到out.txt，最后用记事本显示执行结果，下列是执行画面。（4-3节）

下列是验证out.txt结果。

4. 写一个程序，要求用户输入3位数数字，最后舍去个位数字输出，例如，输入是777输出是770，输入是879输出是870。（4-4节）

5. 请重新设计ch4_20.py，改为输入摄氏温度，转成华氏温度输出，输出温度格式化到小数第1位。（4-4节）

6. 输入厘米，转成英寸输出，输出格式化到小数第1位。提示：1英寸约是2.54厘米。（4-4节）

7. 输入英寸，转成厘米输出，输出格式化到小数第1位。提示：1英寸约是2.54厘米。（4-4节）

8. 请重新设计ch2_5.py，将年利率和存款年数改为从屏幕输入，输出金额舍去小数相当于单位是元。（4-4节）

9. 请重新设计第2章的习题5，将火箭飞行速度改为从屏幕输入，输出舍去小数。（4-4节）

10. 请重新设计ch3_24.py，将速度speed改为从屏幕输入马赫数，程序会将速度马赫数转为千米/小时，然后才开始运算。（4-4节）

11. 请重新设计程序实例ch3_26.py，计算两个点之间的距离，但是将点的坐标改为从屏幕输入，一行需可以输入x和y坐标，输出到小数第2位。（4-5节）

12. 前一个习题的扩充，平面任意3个点可以产生三角形，请输入任意3个点的坐标，可以使用下列公式计算此三角形的面积。假设三角形各边长是dist1、dist2、dist3。（4-5节）

13. 在4-7-3节介绍了正五角形的面积计算公式，可以将该公式扩充为正多边形面积计算，如下所示。（4-7节）

14. 请扩充ch4_23.py，将程序改为输入两个地点的经纬度，本程序可以计算这两个地点的距离。（4-7节）

15. 假设一架飞机起飞的速度是v，飞机的加速度是a，下列是飞机起飞时所需的跑道长度公式。（4-7节）

请输入飞机时速（米/秒）和加速速（米/秒），然后列出所需跑道长度（米）。

16. 北京故宫博物院的经纬度信息大约是（39.9196, 116.3669），法国巴黎罗浮宫的经纬度大约是（48.8595, 2.3369），请计算这两个博物馆之间的距离。（4-7节）