Python数据分析学习笔记02：Python语言基础、IPython与Jupyter笔记本

Python数据分析学习笔记02：Python语言基础、IPython与Jupyter笔记本

在2012年，现在大家习以为常的许多库，比如pandas、scikit-learn和statsmodels，那时都相对不成熟。在2017年，有日益增长的关于数据科学、数据分析和机器学习的文献资料，补充了先前关于通用科学计算的工作，主要针对计算科学家、物理学家和其它研究领域的专业人员。

学习Python编程成为高效软件工程师的好书确实不少。建议采用IPython控制台与Jupyter笔记本来做样例代码的实验，查看文档了解各种类型、函数和方法。

一、Python解释器

Python是一种解释性语言。Python解释器通过一次执行一条语句来运行程序。在命令行键入python命令可以调用标准交互Python解释器：

>>>是python提示符，其后可以键入表达式或语句。

键入exit()或按组合键Ctrl+Z（Windows系统）返回命令行提示符。

运行python程序很简单，调用python，用一个.py文件作为其第一个参数。

编写一个python程序hello_world.py：

运行上述python程序：

一些Python程序员以这种方式来执行他们的Python代码，而那些做数据分析和科学计算的程序员利用IPython或Jupyter笔记本。

• IPython 是一个 for Humans 的 Python 交互式 shell，用了它之后你就不想再用自带的 Python shell 了，IPython 支持变量自动补全，自动缩进，支持 bash shell 命令，内置了许多实用功能和函数，同时它也是科学计算和交互可视化的最佳平台。
• Jupyter Notebook 就像一个草稿本，能将文本注释、数学方程、代码和可视化内容全部组合到一个易于共享的文档中，以 Web 页面的方式展示。它是数据分析、机器学习的必备工具。

在IPython里，使用%run命令执行指定的Python程序。

使用Spyder自带的IPython控制台操作：

IPython提示符是In [数字]，跟Python提示符>>>相对应。

注意：在IPython里，可以按组合键 + 来清屏。

二、IPython基础

1、运行IPython外壳

你可以通过键入并按回车来执行任意Python语句。如果仅仅键入一个变量，IPython会呈现这个对象的字符串表示。

前两行是Python代码语句；第二条语句创建一个名叫data的变量，指向一个新建的Python词典。最后一行在控制台打印变量data的值。

很多种Python对象格式化后更有可读性，或漂亮打印（pretty-printed），与通常用print函数来打印有所不同。

利用pprint实现漂亮打印效果：

IPython也提供了通过复制粘贴来执行任意代码块或完整Python脚本的手段。当然，你也可以用Jupyter笔记本来处理更大的代码块。

mydict = {'students': [{'name':'Tom', 'age': 18},{'name':'Jerry', 'age': 19}]}
pprint.pprint(mydict)
# 未超长：
{'students': [{'age': 18, 'name': 'Tom'}, {'age': 19, 'name': 'Jerry'}]}
pprint.pprint(mydict, width=20)

将上述代码块全部选中，复制粘贴到IPython控制台，敲回车执行：

step = 0

def move(p1, p2):
	global step
	step = step + 1
	print('Step ' + str(step) + ': ', p1, '->', p2)

def hanoi(n, x, y, z):
	if n == 1:
		move(x, z)
	else:
		hanoi(n-1, x, z, y)
		move(x, z)
		hanoi(n-1, y, x, z)

hanoi(3, 'A', 'B', 'C')

将上述代码块全部选中，复制粘贴到IPython控制台，敲回车执行：

大家可以看到，在IPython里执行代码块还是挺方便的，对于已有的Python程序，简单的复制粘贴敲回车就可以执行。

2、运行Jupyter笔记本

Jupyter项目主要组件之一就是notebook，一种用于代码、文本（有或无标签），数据可视化和其它输出的交互式文档。

Jupyter笔记本与内核交互，内核以任何数量的编程语言实现了Jupyter交互计算协议。Python的Jupyter内核采用IPython系统作为其底层行为。

要启动Jupyter，在终端运行jupyter notebook命令：

在很多平台上，Jupyter会自动在你默认浏览器里打开（除非你启动时带了--no-browser参数）。或者，当你启动了notebook，你可以导航到它给出的http地址，这里是http://localhost:8888/?token=2b9cd7470d199f917f01de16df40907c57c0afc2013e69f6，下图就是在Chrome浏览里Jupyter的登录页面。

要创建一个笔记本，单击【New】按钮，选择Python 3选项。在代码单元格里键入Python代码，然后按组合键Shift-Enter执行，如下图所示：

当你保存笔记本，会创建一个扩展名为.ipynb的文件。这是一种自包含文件格式，包含当前在笔记本里的所有内容（包括任何计算的代码输出）。这些东西可以被其他Jupyter用户加载并编辑。为了加载一个已有的笔记本，将文件放在启动笔记本的同一个目录里，或者其子目录里，然后从Jupyter登录页面双击那个文件名。

刚才，我保存了笔记本，并且重命名为“demo001”，于是在Jupyter当前目录下就有了demo001.ipynb文件。

在启动Jupyter的目录里保存了demo001.ipynb文件：

内容如下所示：

{
 "cells": [
  {
   "cell_type": "code",
   "execution_count": 1,
   "metadata": {},
   "outputs": [
    {
     "name": "stdout",
     "output_type": "stream",
     "text": [
      "hello python world!\n"
     ]
    }
   ],
   "source": [
    "print(\"hello python world!\")"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "code",
   "execution_count": 2,
   "metadata": {},
   "outputs": [
    {
     "name": "stdout",
     "output_type": "stream",
     "text": [
      "250\n"
     ]
    }
   ],
   "source": [
    "a = 100\n",
    "b = 150\n",
    "sum = a + b\n",
    "print(sum)"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "code",
   "execution_count": null,
   "metadata": {},
   "outputs": [],
   "source": []
  }
 ],
 "metadata": {
  "kernelspec": {
   "display_name": "Python 3",
   "language": "python",
   "name": "python3"
  },
  "language_info": {
   "codemirror_mode": {
    "name": "ipython",
    "version": 3
   },
   "file_extension": ".py",
   "mimetype": "text/x-python",
   "name": "python",
   "nbconvert_exporter": "python",
   "pygments_lexer": "ipython3",
   "version": "3.7.3"
  }
 },
 "nbformat": 4,
 "nbformat_minor": 2
}

打开已有的Jupyter笔记本文件：

3、Tab补全功能

跟标准的Python外壳相比，IPython外壳具有tab补全功能，现在很多集成开发环境或交互式计算分析环境都提供了此功能。

定义了两个变量an_apple与an_example，输入an，按tab键，IPython会提示an_apple any an_example Anaconda3。

在一个对象后面键入英文句点，按tab键会自动提示其方法与属性：

同理，在模块后面键入英文句点，按tab键也会自动提示其函数或常量：

利用tab键也可以自动提示模块的私有属性和方法，但是必须加上一个下划线再按tab键：

结合%run命令，tab键自动补全功能可以为你节省不少敲键次数。

4、对象自省功能

在变量或方法名后加一个?，会显示一些相关信息：

定义一个函数，添加文档字符串；使用?可以显示文档字符串。

用??可以显示函数的源代码：

?还可以结合通配符*搜索IPython的命名空间：

注意，python shell不具有对象自省功能：

5、%run命令——运行Python脚本

6、%load命令——加载Python脚本

7、执行剪贴板里的代码

将上述代码全部选中，然后复制到剪贴板里。

在IPython里，利用魔法命令%paste，可以执行剪贴板里的代码：

8、终端键盘快捷键

Ctrl-L，清屏快捷键，在前面我们就已经提到过。

9、关于魔法命令

IPython提供了一些特殊命令，不是Python内置的，命令以%打头。

魔法命令之后加?也可以自省：

利用%automagic命令可以设置自动魔法命令是ON还是OFF，当设置为ON时，魔法命令可以省掉前面的%；当设置为OFF时，魔法命令不能省掉前面的%。默认情况下，automagic是ON状态，如下图所示：

一些魔法命令执行的结果还可以保存到变量里，如下图所示：

但是有些魔法命令执行的结果无法保存到变量里，只能直接显示在屏幕上，如下图所示：