Python教程第五章 模块

本系列文章是我学习Python3.9的官方tutorial的笔记，大部分来源于官网的中文翻译，但由于该翻译有些部分实在太差和啰嗦，我做了很多删除和修改，还有部分原文讲不明白的，我参考其他资料增加了进一步阐述说明。

模块是一个包含Python定义和语句的文件。文件名就是模块名后跟文件后缀 .py 。在一个模块内部，模块名（作为一个字符串）可以通过全局变量 name 的值获得。例如，使用你最喜爱的文本编辑器在当前目录下创建一个名为 fibo.py 的文件， 文件中含有以下内容:

# Fibonacci numbers module

def fib(n):    # write Fibonacci series up to n
    a, b = 0, 1
    while a < n:
        print(a, end=' ')
        a, b = b, a+b
    print()

def fib2(n):   # return Fibonacci series up to n
    result = []
    a, b = 0, 1
    while a < n:
        result.append(a)
        a, b = b, a+b
    return result

现在进入Python解释器，并用以下命令导入该模块:

>>> import fibo

你可以用模块名访问这些函数:

>>> fibo.fib(1000)
0 1 1 2 3 5 8 13 21 34 55 89 144 233 377 610 987
>>> fibo.fib2(100)
[0, 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55, 89]
>>> fibo.__name__
'fibo'

如果你想经常使用某个函数，你可以把它赋值给一个局部变量:

>>> fib = fibo.fib
>>> fib(500)
0 1 1 2 3 5 8 13 21 34 55 89 144 233 377

5.1 有关模块的更多信息

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模块可以包含可执行的语句以及函数定义。这些语句用于初始化模块。它们仅在模块 第一次 在 import 语句中被导入时才执行。
模块可以导入其它模块。习惯上但不要求把所有 import 语句放在模块（或脚本）的开头。被导入的模块名存放在调入模块的全局符号表中。
import 语句有一个变体，它可以把名字从一个被调模块内直接导入到现模块的符号表里。例如:

>>> from fibo import fib, fib2
>>> fib(500)
0 1 1 2 3 5 8 13 21 34 55 89 144 233 377

还有一个变体甚至可以导入模块内定义的所有名称:

>>> from fibo import *
>>> fib(500)
0 1 1 2 3 5 8 13 21 34 55 89 144 233 377

这会调入所有非以下划线（_）开头的名称。 在多数情况下，Python程序员都不会使用这个功能，因为它在解释器中引入了一组未知的名称，而它们很可能会覆盖一些你已经定义过的东西。
如果模块名称之后带有 as，则跟在 as 之后的名称将直接绑定到所导入的模块。

>>> import fibo as fib
>>> fib.fib(500)
0 1 1 2 3 5 8 13 21 34 55 89 144 233 377

这种方式也可以在用到 from 的时候使用，并会有类似的效果:

>>> from fibo import fib as fibonacci
>>> fibonacci(500)
0 1 1 2 3 5 8 13 21 34 55 89 144 233 377

5.1.1. 以脚本的方式执行模块

当你用下面方式运行一个Python模块:

python fibo.py <arguments>

模块里的代码会被执行，就好像你导入了模块一样，但是 name 被赋值为 "main"。 这意味着通过在你的模块末尾添加这些代码:

if __name__ == "__main__":
    import sys
    fib(int(sys.argv[1]))

你既可以把这个文件当作脚本又可当作一个可调入的模块来使用， 因为那段解析命令行的代码只有在当模块是以“main”文件的方式执行的时候才会运行:

$ python fibo.py 50
0 1 1 2 3 5 8 13 21 34

如果模块是被导入的，那些代码是不运行的。

5.1.2. 模块搜索路径

当一个名为 spam 的模块被导入的时候，解释器首先寻找具有该名称的内置模块。如果没有找到，解释器会从 sys.path 变量给出的目录列表里寻找名为 spam.py 的文件。sys.path 初始有这些目录地址:

• 包含输入脚本的目录（或者未指定文件时的当前目录）。
• PYTHONPATH （一个包含目录名称的列表，它和shell变量 PATH 有一样的语法）。
• 取决于安装的默认设置

5.1.3 编译过的python文件

为了加速模块载入，Python在_pycache_ 目录里缓存了每个模块的编译后版本，名称为 module.version.pyc ，其中名称中的版本字段对编译文件的格式进行编码； 它一般使用Python版本号。例如，在CPython版本3.3中，spam.py的编译版本将被缓存为 pycache/spam.cpython-33.pyc。此命名约定允许来自不同发行版和不同版本的Python的已编译模块共存。
Python根据编译版本检查源的修改日期，以查看它是否已过期并需要重新编译。这是一个完全自动化的过程。此外，编译的模块与平台无关，因此可以在具有不同体系结构的系统之间共享相同的库。
Python在两种情况下不会检查缓存。首先，对于从命令行直接载入的模块，它从来都是重新编译并且不存储编译结果；其次，如果没有源模块，它不会检查缓存。为了支持无源文件（仅编译）发行版本， 编译模块必须是在源目录下，并且绝对不能有源模块。

给专业人士的一些小建议:

• 你可以在Python命令中使用 -O 或者 -OO 开关， 以减小编译后模块的大小。 -O 开关去除断言语句，-OO 开关同时去除断言语句和 doc 字符串。由于有些程序可能依赖于这些，你应当只在清楚自己在做什么时才使用这个选项。“优化过的”模块有一个 opt- 标签并且通常小些。将来的发行版本或许会更改优化的效果。
• 一个从 .pyc 文件读出的程序并不会比它从 .py 读出时运行的更快，.pyc 文件唯一快的地方在于载入速度。
• compileall 模块可以为一个目录下的所有模块创建.pyc文件。
• 关于这个过程，PEP 3147 中有更多细节，包括一个决策流程图。

5.2 标准模块

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Python附带了一个标准模块库。一些模块内置于解释器中；它们提供对不属于语言核心的一些内置操作的访问，以提高效率和提供对系统调用的访问。这些模块的集合是一个配置选项，它也取决于底层平台。例如，winreg 模块只在Windows操作系统上提供。一个特别值得注意的模块 sys，它被内嵌到每一个Python解释器中。变量 sys.ps1 和 sys.ps2 定义用作主要和辅助提示的字符串:

>>> import sys
>>> sys.ps1
'>>> '
>>> sys.ps2
'... '
>>> sys.ps1 = 'C> '
C> print('Yuck!')
Yuck!
C>

这两个变量只有在编译器是交互模式下才被定义。
sys.path 变量是一个字符串列表，用于确定解释器的模块搜索路径。该变量被初始化为从环境变量 PYTHONPATH 获取的默认路径，或者如果 PYTHONPATH 未设置，则从内置默认路径初始化。你可以使用标准列表操作对其进行修改:

>>> import sys
>>> sys.path.append('/ufs/guido/lib/python')

5.3 dir()函数

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内置函数 dir() 可以列出某个对象定义的所有属性。 它返回一个排序过的字符串列表:

>>> import fibo, sys
>>> dir(fibo)
['__name__', 'fib', 'fib2']
>>> dir(sys)  
['__breakpointhook__', '__displayhook__', '__doc__', '__excepthook__',
 '__interactivehook__', '__loader__', '__name__', '__package__', '__spec__',
 '__stderr__', '__stdin__', '__stdout__', '__unraisablehook__',
 '_clear_type_cache', '_current_frames', '_debugmallocstats', '_framework',
 '_getframe', '_git', '_home', '_xoptions', 'abiflags', 'addaudithook',
 'api_version', 'argv', 'audit', 'base_exec_prefix', 'base_prefix',
 'breakpointhook', 'builtin_module_names', 'byteorder', 'call_tracing',
 'callstats', 'copyright', 'displayhook', 'dont_write_bytecode', 'exc_info',
 'excepthook', 'exec_prefix', 'executable', 'exit', 'flags', 'float_info',
 'float_repr_style', 'get_asyncgen_hooks', 'get_coroutine_origin_tracking_depth',
 'getallocatedblocks', 'getdefaultencoding', 'getdlopenflags',
 'getfilesystemencodeerrors', 'getfilesystemencoding', 'getprofile',
 'getrecursionlimit', 'getrefcount', 'getsizeof', 'getswitchinterval',
 'gettrace', 'hash_info', 'hexversion', 'implementation', 'int_info',
 'intern', 'is_finalizing', 'last_traceback', 'last_type', 'last_value',
 'maxsize', 'maxunicode', 'meta_path', 'modules', 'path', 'path_hooks',
 'path_importer_cache', 'platform', 'prefix', 'ps1', 'ps2', 'pycache_prefix',
 'set_asyncgen_hooks', 'set_coroutine_origin_tracking_depth', 'setdlopenflags',
 'setprofile', 'setrecursionlimit', 'setswitchinterval', 'settrace', 'stderr',
 'stdin', 'stdout', 'thread_info', 'unraisablehook', 'version', 'version_info',
 'warnoptions']

如果没有参数，dir() 会列出你当前定义的名称:

>>> a = [1, 2, 3, 4, 5]
>>> import fibo
>>> fib = fibo.fib
>>> dir()
['__builtins__', '__name__', 'a', 'fib', 'fibo', 'sys']

注意：它会列出所有类型的名称：包括变量，模块，函数，等等。
dir() 不会列出内置函数和变量的名称。如果你想要这些，它们的定义是在标准模块 builtins 中:

>>> import builtins
>>> dir(builtins)  
['ArithmeticError', 'AssertionError', 'AttributeError', 'BaseException',
 'BlockingIOError', 'BrokenPipeError', 'BufferError', 'BytesWarning',
 'ChildProcessError', 'ConnectionAbortedError', 'ConnectionError',
 'ConnectionRefusedError', 'ConnectionResetError', 'DeprecationWarning',
 'EOFError', 'Ellipsis', 'EnvironmentError', 'Exception', 'False',
 'FileExistsError', 'FileNotFoundError', 'FloatingPointError',
 'FutureWarning', 'GeneratorExit', 'IOError', 'ImportError',
 'ImportWarning', 'IndentationError', 'IndexError', 'InterruptedError',
 'IsADirectoryError', 'KeyError', 'KeyboardInterrupt', 'LookupError',
 'MemoryError', 'NameError', 'None', 'NotADirectoryError', 'NotImplemented',
 'NotImplementedError', 'OSError', 'OverflowError',
 'PendingDeprecationWarning', 'PermissionError', 'ProcessLookupError',
 'ReferenceError', 'ResourceWarning', 'RuntimeError', 'RuntimeWarning',
 'StopIteration', 'SyntaxError', 'SyntaxWarning', 'SystemError',
 'SystemExit', 'TabError', 'TimeoutError', 'True', 'TypeError',
 'UnboundLocalError', 'UnicodeDecodeError', 'UnicodeEncodeError',
 'UnicodeError', 'UnicodeTranslateError', 'UnicodeWarning', 'UserWarning',
 'ValueError', 'Warning', 'ZeroDivisionError', '_', '__build_class__',
 '__debug__', '__doc__', '__import__', '__name__', '__package__', 'abs',
 'all', 'any', 'ascii', 'bin', 'bool', 'bytearray', 'bytes', 'callable',
 'chr', 'classmethod', 'compile', 'complex', 'copyright', 'credits',
 'delattr', 'dict', 'dir', 'divmod', 'enumerate', 'eval', 'exec', 'exit',
 'filter', 'float', 'format', 'frozenset', 'getattr', 'globals', 'hasattr',
 'hash', 'help', 'hex', 'id', 'input', 'int', 'isinstance', 'issubclass',
 'iter', 'len', 'license', 'list', 'locals', 'map', 'max', 'memoryview',
 'min', 'next', 'object', 'oct', 'open', 'ord', 'pow', 'print', 'property',
 'quit', 'range', 'repr', 'reversed', 'round', 'set', 'setattr', 'slice',
 'sorted', 'staticmethod', 'str', 'sum', 'super', 'tuple', 'type', 'vars',
 'zip']

5.4 包

包是一种通过用“带点号的模块名”来构造 Python 模块命名空间的方法。 例如，模块名 A.B 表示 A 包中名为 B 的子模块。
这是你的包的可能结构（以分层文件系统的形式表示）：

sound/                          Top-level package
      __init__.py               Initialize the sound package
      formats/                  Subpackage for file format conversions
              __init__.py
              wavread.py
              wavwrite.py
              aiffread.py
              aiffwrite.py
              auread.py
              auwrite.py
              ...
      effects/                  Subpackage for sound effects
              __init__.py
              echo.py
              surround.py
              reverse.py
              ...
      filters/                  Subpackage for filters
              __init__.py
              equalizer.py
              vocoder.py
              karaoke.py
              ...

当导入这个包时，Python搜索 sys.path 里的目录，查找包的子目录。

必须要有 init.py 文件才能让 Python 将包含该文件的目录当作包。 在最简单的情况下，init.py 可以只是一个空文件，但它也可以执行包的初始化代码或设置 all 变量，具体将在后文介绍。
从包中导入单个模块:

import sound.effects.echo

这会加载子模块 sound.effects.echo 。但引用它时必须使用它的全名。

sound.effects.echo.echofilter(input, output, delay=0.7, atten=4)

导入子模块的另一种方法是

from sound.effects import echo

这也会加载子模块 echo ，并使其在没有包前缀的情况下可用，因此可以按如下方式使用:

echo.echofilter(input, output, delay=0.7, atten=4)

请注意，当使用 from package import item 时，item可以是包的子模块（或子包），也可以是包中定义的其他名称，如函数，类或变量。 import 语句首先测试是否在包中定义了item；如果没有，它假定它是一个模块并尝试加载它。如果找不到它，则引发 ImportError 异常。

相反，当使用 import item.subitem.subsubitem 这样的语法时，除了最后一项之外的每一项都必须是一个包；最后一项可以是模块或包，但不能是类或函数或变量。

5.4.1 子包相互引用

当包被构造成子包时（与示例中的 sound 包一样），你可以使用绝对导入来引用兄弟包的子模块。例如，如果模块 sound.filters.vocoder 需要使用 sound.effects 包中的 echo 模块，它可以使用 from sound.effects import echo 。

你还可以相对路径的形式来导入：

from . import echo
from .. import formats
from ..filters import equalizer
from ..filters.

请注意，相对导入是基于当前模块的名称进行导入的。由于主模块的名称总是 "main" ，因此用作Python应用程序主模块的模块必须始终使用绝对导入。