初學__Python——Python 可重用結構：Python模塊

Python中的模塊實際上就是包含函數或者類的 Python 腳本。對於一個大型腳本而言，經常需要將其功能細化，將實現不同功能的代碼放到不同的腳本中實現，在其他的腳本中以模塊的形式使用細化的功能，以便於腳本的維護與重用。

一、模塊的基本用法

模塊是包含函數和其他語句的 Python 腳本文件，它以 ".py" 爲後綴名，也就是 Python 腳本的後綴名。用做模塊的 Python 腳本與其他腳本並沒有什麼區別。

在 Python 中可以通過導入模塊，然後使用模塊中提供的函數或者數據。

一、導入模塊

在 Python 中可以使用以下兩種方法導入模塊或者模塊中的函數。

import 模塊名
import 模塊名 as 新名字
from 模塊名 import 函數名

其中，使用 import 是將整個模塊導入，而使用 from 則是將模塊中某一個函數或者名字導入，而不是整個模塊。使用 import 和 from 導入模塊還有一個不同：要想使用 import 導入模塊中的函數，則必須以模塊名 + "." + 函數名的形式調用函數；而要想使用 from 導入模塊中的函數，則可以直接使用函數名調用，不必在前面加上模塊名稱。

>>> import math  # 使用 import 導入 math 模塊
>>> math.sqrt(9)  # 使用 math 模塊中的 sqrt 函數
3.0
>>> sqrt(9)  # 直接使用 sqrt 名字調用函數——發生錯誤
Traceback (most recent call last):
  File "<stdin>", line 1, in <module>
NameError: name 'sqrt' is not defined
>>> from math import sqrt  # 使用 from 導入 math 模塊中的 sqrt 函數
>>> sqrt(9)  # # 直接使用 sqrt 名字調用函數——成功使用
3.0

使用 from 導入模塊中的函數後，使用模塊中的函數會方便得多，不用在調用函數時使用模塊名。如果要想將模塊中所有函數都採用這種方式導入，則可以在 from 中使用 "*" 通配符，表示導入模塊中的所有函數。

>>> from math import sqrt  # 僅從 math 模塊中導入 sqrt
>>> sqrt(9)
3.0
>>> sin(30)  # 調用 math 模塊中的 sin 函數出錯
Traceback (most recent call last):
  File "<stdin>", line 1, in <module>
NameError: name 'sin' is not defined
>>> from math import *  # 重新從 math 模塊中導入所有函數
>>> sin(30)  # 重新調用 sin 函數
-0.9880316240928618

在 Python 2.x 中，還可以通過使用內置函數 reload 重新載入模塊。reload 可以在模塊被修改的情況下不必關閉 Python 而重新載入模塊。在使用 reload 重載模塊時，該模塊必須已經事先被導入。

在 Python 3 中，reload 函數已經被刪除，要重新載入模塊，則需要使用 importlib（版本舊一點的名稱是 imp ）模塊中的 reload 函數。

>>> import os              # 導入 os 模塊
>>> import importlib       # 導入 importlib 函數
>>> importlib.reload(os)   # 重新載入 os 模塊
<module 'os' from 'C:\\Users\\圖圖\\AppData\\Local\\Programs\\Python\\Python37-32\\lib\\os.py'>

二、編寫一個模塊

下面是一個簡單的模塊，該模塊中只包含一個函數。這個函數只打印 "I am a module!"。該模塊保存爲 mymodule.py。代碼如下：

def show():   # 聲明 show 函數
    print('I am a module!')

編寫一個調用函數 show 的腳本，將其保存爲 usemodule.py。代碼如下：

import mymodule    # 導入模塊
mymodule.show()    # 調用模塊中的 show 函數

腳本運行後輸出如下：

除了在模塊中聲明函數外，還可以在模塊中定義變量。模塊中的變量同樣可以在其他腳本中使用。以下代碼在 mymodule.py 模塊中添加了一個名爲 name 的變量。

def show():
    print('I am a module!')
name = 'mymodule.py'  # 在模塊中添加一個 name 變量

以下代碼爲修改的 usemodule.py 模塊，其中使用了 mymodule.py 中的 name 變量。

import mymodule
mymodule.show()
print(mymodule.name)      # 打印模塊中的 name 變量
mymodule.name = 'usemodule.py'   # 將 name 變量重新賦值
print(mymodule.name)

腳本運行後輸出如下：

二、在哪裏查找模塊

編寫好的模塊只有被 Python 找到才能被導入。上一節中編寫的模塊和調用模塊的腳本位於同一個目錄中，因此不需要進行設置就能被 Python 找到並導入。如果在該目錄中新建一個 module 目錄，並且把 mymodule.py 轉移到 module 目錄中，再次運行 usemodule.py，則輸出如下：

運行腳本出錯，Python 解釋器沒有找到 mymodule.py 模塊，在導入模塊時，Python 解釋器首先在當前目錄中查找要導入的模塊，如果未找到模塊，則 Python 解釋器會從 sys 模塊中 path 變量指定的目錄中查找導入模塊。如果在以上所有目錄中都未找到導入的模塊，則會輸出出錯信息。

以下代碼是使用 sys.path 輸出 Python 的模塊查找路徑。

>>> import sys
>>> sys.path
['D:\\Python', 
'D:\\Python', 
'C:\\Users\\圖圖\\AppData\\Local\\Programs\\Python\\Python37-32\\python37.zip', 
'C:\\Users\\圖圖\\AppData\\Local\\Programs\\Python\\Python37-32\\DLLs', 
'C:\\Users\\圖圖\\AppData\\Local\\Programs\\Python\\Python37-32\\lib', 
'C:\\Users\\圖圖\\AppData\\Local\\Programs\\Python\\Python37-32', 
'C:\\Users\\圖圖\\AppData\\Local\\Programs\\Python\\Python37-32\\lib\\site-packages', 
'C:\\Program Files\\JetBrains\\PyCharm 2018.3.5\\helpers\\pycharm_matplotlib_backend']

在腳本中可以向 sys.path 添加模塊查找路徑。以下所示腳本中，將當前目錄下的 module 子目錄添加到 sys.path 中，並從 module 目錄中導入 mymodule.py 模塊。代碼如下。

import os
import sys
modulepath = os.getcwd() + '\\module'
sys.path.append(modulepath)
print(sys.path)
import mymodule
mymodule.show()
print(mymodule.name)
mymodule.name = 'usenodule.py'
print(mymodule.name)

運行腳本輸出如下：

['D:\\Python', 
'D:\\Python', 
'C:\\Users\\圖圖\\AppData\\Local\\Programs\\Python\\Python37-32\\python37.zip',
'C:\\Users\\圖圖\\AppData\\Local\\Programs\\Python\\Python37-32\\DLLs', 
'C:\\Users\\圖圖\\AppData\\Local\\Programs\\Python\\Python37-32\\lib', 
'C:\\Users\\圖圖\\AppData\\Local\\Programs\\Python\\Python37-32', 
'C:\\Users\\圖圖\\AppData\\Local\\Programs\\Python\\Python37-32\\lib\\site-packages', 
'C:\\Program Files\\JetBrains\\PyCharm 2018.3.5\\helpers\\pycharm_matplotlib_backend', 
'D:\\Python\\module']
I am a module!
mymodule.py
usenodule.py

從輸出可以看出，當前路徑也被添加到了 sys.path 路徑列表中，這說明 Python 其實是按照 sys.path 中的路徑來查找模塊的。之所以首先在當前目錄中查找，那是因爲 Python 解釋器在運行腳本前將當前目錄添加到 sys.path 路徑列表中了。

三、是否需要編譯模塊

在上面的例子中，運行完 usemodule.py 會發現，module 目錄中除了 mymodule.py 文件外，還多了一個後綴名爲 ".pyc" 文件。其實，該文件就是 Python 將 mymodule.py 編譯成字節碼的文件。雖然 Python 是腳本語言，但 Python 可以將腳本編譯成字節碼的形式。對於模塊，Python 總是在第一次調用後就將其編譯成字節碼的形式，以提高腳本的啓動速度。

Python 在導入模塊時會查找模塊的字節碼文件，如果存在則將編譯後的模塊的修改時間同模塊的修改時間相比較。如果兩者的修改時間不相符，則 Python 將重新編譯模塊，以保證兩者內容相符。被編譯的腳本也是可以直接運行的。

當然，沒有必要去刻意編譯 Python 腳本。不過，由於 Python 是腳本，如果不想將源文件發佈，則可以發佈編譯後的腳本，這樣能起到一定的保護源文件的作用。

對於非模塊的腳本，Python 不會在運行腳本後將其編譯成字節碼的形式。如果想將其編譯，可以使用 commile 模塊。以下代碼可以將 usemodule.py 文件編譯成 ".pyc" 文件。

import py_compile       # 導入 py_compile 模塊
py_compile.compile('usemodule.py','usemodule.pyc')   # 編譯 usemodule.py

運行 compile.py 後，可以看到當前目錄中多了一個 usemodule.pyc 文件。在 Python 3 中，如果在 py_compile.compile 函數中不指定第 2 個參數，則將在當前目錄新建一個名爲 "__pycache__" 的目錄，並在這個目錄中生成 "被編譯模塊名.cpython-32.pyc" 的 pytc 字節碼文件。

運行 usemodule.py 腳本輸出如下：

['D:\\Python', 
'D:\\Python', 
'C:\\Users\\圖圖\\AppData\\Local\\Programs\\Python\\Python37-32\\python37.zip',
'C:\\Users\\圖圖\\AppData\\Local\\Programs\\Python\\Python37-32\\DLLs', 
'C:\\Users\\圖圖\\AppData\\Local\\Programs\\Python\\Python37-32\\lib', 
'C:\\Users\\圖圖\\AppData\\Local\\Programs\\Python\\Python37-32', 
'C:\\Users\\圖圖\\AppData\\Local\\Programs\\Python\\Python37-32\\lib\\site-packages', 
'C:\\Program Files\\JetBrains\\PyCharm 2018.3.5\\helpers\\pycharm_matplotlib_backend', 
'D:\\Python\\module']
I am a module!
mymodule.py
usenodule.py

可以看到其輸出與前面的輸出一樣。編譯後生成的 usemodule.pyc 文件並沒有改變程序功能，只是以 Python 字節碼的形式存在。

另外，還可以通過 Python 的命令行選項將腳本優化編譯。Python 編譯的優化選項有以下兩個：

-O 該選項對腳本的優化不多，編譯後的腳本以 ".pyo" 爲擴展名。凡是以 ".pyo" 爲擴展名的 Python 字節碼都是經過優化的。
-OO 該選項對腳本優化的程度較大。使用該標誌可以使編譯的 Python 腳本更小。使用該選項可能導致腳本運行錯誤，因此，因謹慎使用。

可以通過在命令行中輸入以下命令將 usemodule.py 優化編譯。

python -O compile.py
python -OO compile.py

四、模塊也可獨立運行

每個 Python 腳本在運行時都有一個 __name__ 屬性（name 前後均是兩條下劃線）。在腳本中通過對 __name__ 屬性值的判斷，可以讓腳本在作爲導入模塊和獨立運行時都可以正確運行。

在 Python 中，如果腳本作爲模塊被導入，則其 __name__ 屬性被設置爲模塊名；如果腳本獨立運行，則其 __name__ 屬性被設置爲 "__main__"。因此可以通過 __name__ 屬性來判斷腳本的運行狀態。

以下所示腳本 mymodule2.py 既可以獨立運行，也可以作爲模塊被其他腳本導入。

# file: mymodule2.py

def show():
    print('I am a module!')
if __name__ == '__main__':
    show()
    print('I am not a module!')

以下所示腳本 usemodule2.py 可以調用 mymodule2.py 模塊

# file: usemodule2.py

import mymodule2
mymodule2.show()
print('my __name__ is', __name__)

運行 usemodule2.py 後，輸出如下：

運行 mymodule2.py 後，輸出如下：

五、如何查看模塊提供的函數名

如果需要獲得導入模塊中所有聲明的名字、函數等，就可以使用內置的函數 dir() 來進行操作。

以下所示代碼將獲得 sys 模塊中的名字和函數。

import sys
print(dir(sys))

輸出結果如下：

['__breakpointhook__', '__displayhook__', '__doc__', '__excepthook__', 
'__interactivehook__', '__loader__', '__name__', '__package__', '__spec__', 
'__stderr__', '__stdin__', '__stdout__', '_clear_type_cache', '_current_frames', 
'_debugmallocstats', '_enablelegacywindowsfsencoding', '_framework', '_getframe', 
'_git', '_home', '_xoptions', 'api_version', 'argv', 'base_exec_prefix', 'base_prefix', 
'breakpointhook', 'builtin_module_names', 'byteorder', 'call_tracing', 'callstats', 
'copyright', 'displayhook', 'dllhandle', 'dont_write_bytecode', 'exc_info', 
'excepthook', 'exec_prefix', 'executable', 'exit', 'flags', 'float_info', 
'float_repr_style', 'get_asyncgen_hooks', 'get_coroutine_origin_tracking_depth', 
'get_coroutine_wrapper', 'getallocatedblocks', 'getcheckinterval', 'getdefaultencoding', 
'getfilesystemencodeerrors', 'getfilesystemencoding', 'getprofile', 'getrecursionlimit', 
'getrefcount', 'getsizeof', 'getswitchinterval', 'gettrace', 'getwindowsversion', 
'hash_info', 'hexversion', 'implementation', 'int_info', 'intern', 'is_finalizing', 
'maxsize', 'maxunicode', 'meta_path', 'modules', 'path', 'path_hooks', 
'path_importer_cache', 'platform', 'prefix', 'set_asyncgen_hooks', 
'set_coroutine_origin_tracking_depth', 'set_coroutine_wrapper', 'setcheckinterval', 
'setprofile', 'setrecursionlimit', 'setswitchinterval', 'settrace', 'stderr', 'stdin', 
'stdout', 'thread_info', 'version', 'version_info', 'warnoptions', 'winver']

dir() 函數的原型如下：

dir( [object] )

object 可選參數，要列舉的模塊名。

如果不向 dir() 函數傳遞參數，那麼 dir() 函數將返回當前腳本的所有名字列表。如下所示。

a = [1, 3, 6]  # 定義一個列表
b = 'python'  # 定義一個字符串
print(dir())  # 使用 dir() 函數獲得當前腳本所有名字列表


def fun():  # 定義一個函數
    print('python')


print(dir())  # 再次使用 dir() 函數

兩個 print 的輸出結果如下：

初學__Python——Python 可重用結構：Python模塊

一、模塊的基本用法

一、導入模塊

二、編寫一個模塊

二、在哪裏查找模塊

三、是否需要編譯模塊

四、模塊也可獨立運行

五、如何查看模塊提供的函數名

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