【新人系列】Python 入门（二十七）：Python 库

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📚 专栏简介：在这个专栏，我将带着大家从 0 开始入门 Python 的学习。在这个 Python 的新人系列专栏下，将会总结 Python 入门基础的一些知识点，方便大家快速入门学习~
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1. import 原理

1. 搜索路径：当执行 import 语句时，Python 会在一系列预定义的路径中搜索要导入的模块，搜索路径主要按照「内置模块 -> 当前目录 -> 环境变量 -> 标准库目录 -> .pth 文件 -> 第三方库路径」进行搜索。另外也可以通过 sys.path 得方式可以查看和修改的其他路径。
   1. 内置模块：Python 解释器自带的模块，例如 math、os 等。
   2. 当前目录：首先会在当前执行脚本所在的目录或所属项目目录中查找模块。
   3. 环境变量：如果在当前目录中没有找到模块，会继续在 PYTHONPATH 环境变量中指定的目录列表中搜索。
   4. 标准库路径：Python 安装目录下的标准库模块所在的路径。
   5. .pth 文件：如果模块仍未找到，Python 会查看安装目录下的 .pth 文件，这些文件包含了额外的搜索路径。.pth 文件的作用和环境变量 PYTHONPATH 一样，都会把路径加到 sys.path。.pth 文件要放在 python 安装目录下的 lib\site-package 文件夹下，一行就代表一个路径。
   6. 第三方库路径：如果通过 pip 安装了第三方库，通常在 Python 安装目录的 lib\site-packages 目录下。

Tips：
import 的搜索路径有两大步骤：先判断 import 后面的 XXX 包是不是内置模块，内置模块可以直接 import,基本不会报错。如果 XXX 不是内置的，那么就从 sys.path 的列表中依次查找 XXX（注意是依次，即有先后顺序），如果遍历完 sys.path 还找不到 XXX 就抛 ModuleNotFoundError 异常结束。

2. 模块查找：Python 会按照指定的名称在搜索路径中查找对应的 .py 文件（对于 Python 模块）或包含 init.py 文件的目录（对于 Python 包）。
3. 编译和缓存：如果找到模块并且是 .py 文件，Python 会将其编译为字节码（.pyc 或 .pyo 文件）以提高后续导入的性能。编译后的字节码会被缓存，下次导入时如果模块没有修改，将直接使用缓存的字节码。
4. 执行模块代码：在导入模块时，模块中的顶层代码（不在函数或类内部的代码）会被执行，包括变量的定义、函数的定义等。
5. 命名空间：导入的模块会在当前的命名空间中创建一个对应的名称，通过这个名称可以访问模块中的内容。
   

2. 模块与包

2.1 定义

• 模块：在 Python 中，一个 .py 文件就是一个模块，模块让你能够有逻辑地组织你的 Python 代码段。模块能定义函数、类和变量等。
• 包（目录）：Python 包是一个分层次的文件目录结构，它定义了一个由模块及子包组成的 Python 的应用环境。简单来说，包就是文件夹，但该文件夹下必须存在 init.py 文件，该文件的内容可以为空，init.py 用于标识当前文件夹是一个包。

2.2 导入规范

导入一个模块就起一行，最好不要将多个模块导入放在同一行。另外，import 建议要放在文件头部，一般是放在 docstring 之后，全局变量或正式逻辑代码之前。

# 推荐每一个模块放一行
import os
import sys
import time

# 不推荐放在一行导入
import os, sys, time
尽量按照内置模块、第三方模块和本地模块的顺序导入。
# 内置模块
import os
import time

# 第三方模块
import request
import django
import flask

# 本地模块
import xxx

2.3 导入操作

2.3.1 导入整个模块

加入已经有写好的程序 pizza.py，那么可以通过 import 来调动这个程序，然后通过 import 的模块来调用其中的函数名进行使用：

import module_name

module_name.function_name( )

例如：

import pizza

make_pizza(16, 'mushrooms')

2.3.2 导入特定函数（推荐用法）

可以导入模块中的特定函数，导入后想调用这些函数就不用加上前面的模块名了：

from module_name import function_name
from module_name import function_0, function_1, function_2

function_name()

例如：

from pizza import make_pizza

make_pizza(16, 'mushrooms')

2.3.3 导入模块中的所有函数（不推荐）

通过星号可以将模块中的所有函数都复制到这个程序文件中：

from module_name import *

function_name()

例如：

from pizza import *
make_pizza(16,'pepperoni')

这种方法使用需谨慎，如果模块中有函数的名称与当前项目中使用的名称相同，Python 会覆盖函数。

比如当前项目中有一个叫 func 的函数，然后从某个模块中又通过 “from module_name import *” 导入了一个也叫 func 的函数。那么此时在当前项目中使用 func 时，实际上使用的是从模块中导入的那个 func 函数，而不是原本自己定义的那个。

但是在 my_package/init.py 文件中，可以定义 all 列表来指定当用户执行 from modname import * 时应该导入哪些模块或对象。

例如有如下包结构：

my_package/
    __init__.py
    module1.py
    module2.py
    module3.py

并且在 all 这样设置：

__all__ = ['module1', 'module2']

如果 module1.py 中有一个函数 func1，module2.py 中有一个类 MyClass，现在当用户执行 from my_package import * 时，只会导入 module1 和 module2 这两个模块名.

2.3.4 使用 as

• 给函数指定别名

from pizza import make_pizza as mp
mp(16,'pepperoni')

• 给模块指定别名

import pizza as p
p.make_pizza(16,'pepperoni')

Tips：
导入类的方法和导入函数的方法是一致的，只是类名需要需要大写，因此下面就不再过多赘述了~

2.3.5 导入类

已知文件 car.py，从此文件中向另一个文件导入 Car 类：

from car import Car

3. 动态加载

动态加载模块，不需要提前导入相关模块，它可以根据运行条件来选择加载不同的模块，从而增强程序的灵活性和扩展性。

方法一：Python 提供了一个 importlib 模块，可以用于实现动态加载。

import importlib

def test_func():
    module_name = 'math'
    math = importlib.import_module(module_name)
    result = math.sqrt(16)
    print(result)   # 4.0

test_func()

可以需要选择时机加载模块，按需加载，按需使用，延时加载模块。

另外，importlib 还有一些扩展的用法，但不是必须掌握的，一般用上面那种方法就足够了。对于这个扩展的用法，还是来看一个例子，在下面这个例子中：

• 首先使用 spec_from_file_location 函数创建一个模块规格，指定了模块的名称和文件路径。
• 然后，使用 module_from_spec 创建一个模块对象。
• 接着通过 spec.loader.exec_module(module) 执行模块的代码，将模块加载到内存中。
• 最后，可以使用导入的模块中的函数或属性。

import importlib.util

# 假设要从文件路径为 /path/to/module.py 的文件加载模块
module_path = '/path/to/module.py'
module_name = 'custom_module'
spec = importlib.util.spec_from_file_location(module_name, module_path)
module = importlib.util.module_from_spec(spec)
spec.loader.exec_module(module)

# 现在可以使用导入的模块
print(module.some_function())
方法二：使用 __import__ 来实现动态加载。
os = __import__('os')

if platform.uname().system == 'Windows':
    module = __import__('os')
else:
    module = __import__('sys')

4. pip 工具

4.1 官方下载源

Python 包官网地址：https://pypi.org/

Python 语言提供超过 15 万个第三方库，使用 pip 安装。

4.2 国内下载源

官网的包下载速度可能比较慢，因此也可以使用国内的下载源来下载第三方包：

• 阿里云：http://mirrors.aliyun.com/pypi/simple/
• 中国科技大学：https://pypi.mirrors.ustc.edu.cn/simple/
• 清华大学：https://pypi.tuna.tsinghua.edu.cn/simple/
• 中国科学技术大学：http://pypi.mirrors.ustc.edu.cn/simple/

如果要使用国内镜像源配置（以使用国内知名的 Python 镜像源“阿里云”为例），主要有两种方式使用方法：

1. 可以在使用 pip 命令安装包时，通过 -i 参数指定镜像源，例如：

pip install 包名 -i https://mirrors.aliyun.com/pypi/simple/

2. 永久配置（以配置阿里云镜像源为例）：

• Windows 系统：在用户目录下创建一个名为 pip 的文件夹，在该文件夹内创建一个名为 pip.ini 的文件，在文件中添加以下内容。

[global]
index-url = https://mirrors.aliyun.com/pypi/simple/

• Linux 或 macOS 系统：在用户目录下创建一个 .pip 文件夹，在该文件夹内创建一个 pip.conf 文件，添加类似上述的内容。

另外，如果想将整个包都下载下来，则可以使用如下命令：

pip download 包名