一、 异常处理 (Exception)

1. 完整结构

try:
    # 可能出错的代码
except (ValueError, TypeError) as e:
    # 捕获特定异常（可多个）
except Exception as e:
    # Exception 万能异常（BaseException 的子类）
else:
    # 未发生异常时执行
finally:
    # 无论是否有异常，最终都会执行（常用于关闭文件/数据库）
    
    # 常见异常  
# IndexError  
# ValueError  
# NameError  
# TypeError  
# IndentationError  
# FileExistsError  
# FileNotFoundError

2. 主动抛出异常 (raise)

用于人为中断程序执行。

if age < 0:
    raise ValueError("年龄不能为负数")

3. 断言 (assert)

用于内部调试，条件为假时触发 AssertionError。

assert len(list) > 0, "列表不能为空" 
# 若条件为真，继续执行；为假，崩溃并提示。

4. 总结

try...except捕获，raise主动抛，assert快速检查

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二、 文件操作 (File I/O)

1. 基础流程

• 核心步骤：打开 (open) $\to$ 操作 (read/write) $\to$ 关闭 (close)。
• 推荐写法：使用 with 语句（上下文管理器），执行完毕自动关闭文件，更安全。

with open('文件路径', mode='文件模式', encoding='utf-8 | gbk') as file_obj:
# 打开多个文件，逗号分隔：open('路径1','w'，encoding='utf-8‘) as file_obj2

2. 路径与编码

• 相对路径：./ (当前目录)，../ (上一级目录)。推荐使用，方便项目移植。
• 绝对路径：从根目录开始的完整路径。
• 编码：文本文件建议显式指定 encoding='utf-8'。

3. 常用模式 (Mode)

模式	描述	文件不存在时	文件存在时
r	读 (默认)	报错	正常读取
w	覆盖写	创建新文件	清空原内容再写
a	追加写	创建新文件	在末尾接着写
x	独占写	创建新文件	报错 (防止覆盖)
b	二进制	处理图片/音频/视频，如 rb, wb	-
+	更新	增强功能，如 r+ (可读可写)	-
r+	read+write	抛出异常	正常打开
w+	write+read	创建文件	清空内容
a+	append+read	创建文件	正常打开

后缀	说明	返回类型	示例
t	文本文件（默认）	str字符串	rt、wt
b	二进制文件（图片/音频等）	bytes 字节码	rb、wb

4. 代码示例

基础读写：

# 同时打开多个文件：从 f1 读，写入 f2
with open('data.txt', 'r', encoding='utf-8') as f1, open('backup.txt', 'w') as f2:
    for line in f1:
        content = line.strip() # 去除行末换行符 \n 和空格
        f2.write(content + '\n')

二进制读写（图片/PDF）：

with open('logo.png', 'rb') as f:
    data = f.read() # 读取的是字节码 b'\x...'

常用函数：

方法	返回类型	示例	说明
read(size)	str / bytes	"Hello" 或 b"Hello"	读取最多 size 个字符/字节，省略则读全部
readline(size)	str / bytes	"Hello\n" 或 b"Hello\n"	读取一行（含换行符），size 限制每行最大长度
readlines(hint)	list	["Hello\n", "World\n"]	读取所有行，返回列表。hint 为字节数建议（不切分行）
readable()	bool	True / False	判断文件是否可读
write(s)	int	5	写入字符串/字节串，返回写入的字符/字节数
writelines(lines)	None	None	写入字符串列表（不会自动添加换行符）
writable()	bool	True / False	判断文件是否可写
close()	None	None	关闭文件，释放资源
closed (属性)	bool	False	属性（非方法），判断文件是否已关闭
flush()	None	None	强制将缓冲区数据写入磁盘
seek(offset, whence)	int	10	移动文件指针到指定位置，返回新位置
tell()	int	0	返回当前文件指针的位置（字节数）
truncate(size)	int	100	截断文件到指定大小（字节），省略则截断到当前位置
isatty()	bool	False	判断文件是否关联到一个终端设备
fileno()	int	3	返回文件描述符（整数，供底层操作系统使用）

不调用 flush() 时，数据也会提前写入磁盘的情况

1. 缓冲区满了（默认8KB）

f = open('test.txt', 'w')
for i in range(10000):
    f.write("a" * 100)  # 写入约 1MB 数据
    # 缓冲区每满 8KB 会自动刷一次，不需要 flush()
f.close()

2. 行缓冲模式（buffering=1）

f = open('test.txt', 'w', buffering=1)
f.write("第一行\n")  # 遇到换行符自动刷，不需要 flush()

3. 无缓冲模式（buffering=0，仅二进制）

f = open('test.txt', 'wb', buffering=0)
f.write(b"Hello")  # 每次 write 都直接写磁盘，不需要 flush()

4. 程序正常结束（Python 会自动清理缓冲区）

f = open('test.txt', 'w')
f.write("Hello")
# 没有 flush，没有 close
# 但程序正常结束时，Python 会自动刷新缓冲区

write()调用完成流程图如下：

write() 调用
    ↓
数据进入【内存缓冲区】
    ↓
触发自动刷新的条件：
├── 缓冲区满了（8KB）
├── 遇到换行符（行缓冲模式）
├── 调用 flush()
├── 调用 close()
├── 程序正常结束
└── 程序崩溃 → ❌ 数据丢失！

函数细节

f2 = open('test.txt', mode='wt')  # ← 覆盖发生在这里！
f2.write('12345')    # 写入到已清空（或新建）的文件
f2.write('abcde1')   # 追加到当前文件指针位置（不是覆盖）
f2.close()

f = open('./test.txt', mode='a+', encoding='utf-8')
print(f.tell())  # 输出文件指针位置，通常是文件的总字节数（末尾）
print(f.read())  # 从末尾开始读，读不到任何内容

5. 注意事项

1. 换行符：读取每一行时，末尾通常带有 \n，处理数据建议配合 .strip()。
2. 写权限：w 模式极其危险，打开瞬间就会清空原文件。
3. 异常处理：可以在 with 内部嵌套 try...except 捕获读写过程中的异常。

6. 总结

• 读用 r，改用 w (覆盖) 或 a (追加)。
• 非文本文件必带 b。
• 永远优先使用 with open(...)。

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三、 模块的使用 (Modules)

1. 导入模块的四种格式

# 格式 1：导入整个模块
import math
print(math.sqrt(16))  # 4.0

# 格式 2：从模块导入具体功能 (推荐，避免使用 *)
from math import sin, pi
print(sin(pi/2))      # 1.0

# 格式 3：设置别名 (简化长模块名)
import datetime as dt
now = dt.datetime.now()

# 格式 4：从包/子包中导入
import xml.etree.ElementTree as ET  
# ET.parse()

模块注意事项

1. 导入：优先使用 from 模块 import 函数。
2. 别名：as 可以让代码更简洁（如 numpy as np）。
3. 数学：基础计算用 math 模块，复杂科学计算通常用 numpy。
4. 搜索路径：Python 会先在当前目录找模块，找不到再去系统库路径找。
5. 标准库 vs 第三方库：
   • 标准库：Python自带（如 math, os, sys），直接导入。
   • 第三方库：需先通过 pip install 库名 安装后方可使用。

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2. math 内置模块常用功能

2.1 常用math函数

math 模块提供了丰富的数学运算函数：

• 常用常量：
  • math.pi: 圆周率 $\pi$
  • math.e: 自然对数底数 $e$
• 数值处理：
  • ceil(x) : 向上取整。 美/siːl /
  • floor(x) : 向下取整。
  • sqrt(x) : 开平方。square root 美 /skwer ruːt/
  • pow(x, y) : 求幂，x 的 y 次方。
  • trunc(x) ：截取整数。truncate 美 /ˈtrʌŋkeɪt/
  • gcd(*integers) ：最大公约数

import math

# 1. 常量与数值处理
print(math.pi)            # 3.1415926... (圆周率)
print(math.e)             # 2.7182818... (自然对数底数)
print(math.ceil(3.1))     # 4   (向上取整)
print(math.floor(3.9))    # 3   (向下取整)
print(math.sqrt(16))      # 4.0 (开平方)
print(math.pow(2, 3))     # 8.0 (2的3次方)

• 三角函数 (传入弧度)：
  • sin(x), cos(x), tan(x)：正弦、余弦、正切。
  • asin(x), acos(x), atan(x)：反三角函数。

# 2. 三角函数 (注意：参数均为弧度制)
# 将 30度 转换为弧度  美 /ˈreɪdiənz/
angle = math.radians(30)  
print(math.sin(angle))    # 0.49999999999999994 (约等于0.5)
print(math.cos(angle))    # 0.866...
print(math.tan(angle))    # 0.577...

# 反三角函数
print(math.asin(0.5))     # 返回弧度
print(math.degrees(math.asin(0.5))) # 30.0 (弧度转角度)

# 3. 双曲函数
print(math.sinh(1))       # 双曲正弦
print(math.cosh(1))       # 双曲余弦
print(math.tanh(1))       # 双曲正切

2.2

常见角度的三角函数值表

角度 (θ)	弧度 (rad)	sin θ	cos θ	tan θ
0°	0	0	1	0
30°	π/6	1/2 = 0.5	√3/2 ≈ 0.8660	1/√3 ≈ 0.5774
45°	π/4	√2/2 ≈ 0.7071	√2/2 ≈ 0.7071	1
60°	π/3	√3/2 ≈ 0.8660	1/2 = 0.5	√3 ≈ 1.7321
90°	π/2	1	0	无穷大 (未定义)
180°	π	0	-1	0
270°	3π/2	-1	0	无穷大 (未定义)
360°	2π	0	1	0

常见输入值对应的反三角函数结果

输入 x	arcsin(x)	arccos(x)	arctan(x)
-1	−π/2（−90°）	π（180°）	−π/4（−45°）
-√3/2 ≈ -0.8660	−π/3（−60°）	5π/6（150°）	−π/3（−60°）
-√2/2 ≈ -0.7071	−π/4（−45°）	3π/4（135°）	−π/4（−45°）
-1/2 = -0.5	−π/6（−30°）	2π/3（120°）	−π/6（−30°）
0	0（0°）	π/2（90°）	0（0°）
1/2 = 0.5	π/6（30°）	π/3（60°）	π/6（30°）
√2/2 ≈ 0.7071	π/4（45°）	π/4（45°）	π/4（45°）
√3/2 ≈ 0.8660	π/3（60°）	π/6（30°）	π/3（60°）
1	π/2（90°）	0（0°）	π/4（45°）

常见 x 值对应的双曲函数值表

x	sinh x	cosh x	tanh x
0	0	1	0
0.5	≈ 0.5211	≈ 1.1276	≈ 0.4621
1	≈ 1.1752	≈ 1.5431	≈ 0.7616
1.5	≈ 2.1293	≈ 2.3524	≈ 0.9051
2	≈ 3.6269	≈ 3.7622	≈ 0.9640
2.5	≈ 6.0502	≈ 6.1323	≈ 0.9866
3	≈ 10.0179	≈ 10.0677	≈ 0.9951
4	≈ 27.2899	≈ 27.3082	≈ 0.9993
5	≈ 74.2030	≈ 74.2099	≈ 0.9999

常见输入 y 对应的反双曲函数值表

输入 y	arsinh y	arcosh y	artanh y
-2	≈ -1.4436	无定义（y<1）	≈ -0.5493
-1	≈ -0.8814	无定义（y<1）	无定义（|y|≥1）
-0.5	≈ -0.4812	无定义（y<1）	≈ -0.5493
0	0	无定义（y<1）	0
0.5	≈ 0.4812	无定义（y<1）	≈ 0.5493
1	≈ 0.8814	0	无定义（|y|=1 时趋于无穷）
1.5	≈ 1.1948	≈ 0.9624	无定义（|y|≥1）
2	≈ 1.4436	≈ 1.3170	无定义（|y|≥1）
3	≈ 1.8184	≈ 1.7627	无定义（|y|≥1）
5	≈ 2.3124	≈ 2.2924	无定义（|y|≥1）

• 对数函数：
  • log(x[, base]): 默认以 $e$ 为底，也可指定底数。
  • log2(x): 以 2 为底。
  • log10(x): 以 10 为底。

# 2. 对数函数
print(math.log(8, 2))     # 3.0 (以2为底，8的对数)
print(math.log10(100))    # 2.0 (以10为底)
print(math.log2(8))       # 3.0 (以2为底)
print(math.log(math.e))   # 1.0 (已e为底)

math模块注意事项

1. 弧度制转换：math.sin/cos/tan 等函数接收的是弧度。
   • 角度转弧度：math.radians(degrees)
   • 弧度转角度：math.degrees(radians)
2. 精度：math.sqrt 和 math.pow 返回的都是浮点数（float）。
3. 对数：math.log(x, base) 如果不写第二个参数，默认以 $e$ 为底（即 $\ln x$）。

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3. 系统操作 (os & os.path)

3.1. 目录与文件操作

• 创建目录：
  • os.mkdir(path)：创建单层目录，若已存在则报错。
  • os.makedirs(path, exist_ok=True)：推荐。递归创建多层目录，exist_ok=True 可防止目录已存在时报错。
• 删除文件：os.remove(path)。

3.2. 路径检测与拆分 (os.path)

import os

path = '/Users/data/test.py'

# 常用检测
os.path.exists(path)    # 路径是否存在
os.path.isdir(path)     # 是否为目录
os.path.isfile(path)    # 是否为文件
os.path.getsize(path)   # 获取文件大小 (B)

# 路径处理
os.path.abspath('t.py') # 获取绝对路径
os.path.basename(path)  # 获取文件名 -> 'test.py'
os.path.split(path)     # 拆分为 (目录, 文件名)
os.path.splitext(path)  # 拆分为 (路径名, .扩展名) -> (..., '.py')

# 路径拼接 (智能处理斜杠)
os.path.join('a', 'b', 'c.txt') # 'a/b/c.txt'
# 注意：若出现多个绝对路径（/开头），以最后一个为准
os.path.join('/a', '/b') # 结果为 '/b'

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四、 随机数 (random)

1. 随机数值生成

• random.random()：生成 [0, 1) 之间的浮点数。
• random.randint(a, b)：生成 [a, b] 之间的整数（包含 b）。
• random.uniform(a, b)：生成 [a, b] 之间的浮点数。
• random.randrange(start, stop, step)：按步长生成随机整数（左闭右开）。
• random.seed(n)：设置随机种子，固定种子后生成的随机数序列不变。

2. 序列操作 (List/Tuple)

import random
lst = [1, 2, 3, 4, 5]

random.choice(lst)           # 随机抽取 1 个元素
random.sample(lst, k=3)      # 随机抽取 k 个不重复元素（返回新列表）
random.shuffle(lst)          # 【原地】打乱列表顺序，无返回值

3. 加权随机抽取 (choices)

• 格式：random.choices(seq, weights=None, k=n)
• 特点：可重复抽取，支持权重（概率）。
• 权重逻辑：weights=[1, 2, 7] 意味着三个元素被抽中的概率分别为 10%、20%、70%。

# 示例：根据权重随机抽 20 次
colors = ['红', '绿', '蓝']
res = random.choices(colors, weights=[1, 1, 8], k=20) 
# '蓝' 出现的次数理论上占 80%

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总结备忘

• os：处理文件夹建议用 makedirs(..., exist_ok=True)；拼接路径必用 os.path.join。
• random：
  • 拿一个用 choice。
  • 拿多个（不重复）用 sample。
  • 拿多个（按概率/可重复）用 choices。
  • 打乱原顺序用 shuffle。