Python 命令行参数详解

0. 命令行参数

通常，对于大型项目程序而言，执行程序的一个必要的步骤是正确处理命令行参数，这些命令行参数是提供给包含某种参数化信息的程序或脚本的参数。例如，在计算机视觉项目中，图像和不同类型的文件通常作为命令行参数传递给脚本，用于使程序可以处理不同图片或者不同类型文件。
命令行参数是参数化程序执行的一种常见且简单的方法，下面主要介绍三种常见的获取和解析命令行参数的方法。

1. sys.argv

为了处理命令行参数，Python 中内置了 sys.argv 模块，通过模块中的 sys.argv 就可以访问到所有的命令行参数，它的返回值是包含所有命令行参数的列表 (list)。当程序执行时，Python 从命令行获取所有值并将它们存储在 sys.argv 列表中。列表的第一个元素 sys.argv[0] 是脚本的完整路径(或脚本名称——取决于具体操作系统)。列表的第二个元素是脚本的第一个命令行参数，即 sys.argv[1]，依此类推。这可以通过下图中清晰的看出，其中 script_1.py 脚本使用两个参数执行：

接下来，让我们看看 sys.argv 是如何工作的，首先编写 scripy_1.py 脚本：

import sys
print("正在运行的脚本名称: '{}'".format(sys.argv[0]))
print("脚本的参数数量: '{}'".format(len(sys.argv)))
print("脚本的参数: '{}'".format(str(sys.argv)))

如果我们不使用任何参数执行这个脚本：

python script_1.py

将会看到如下信息：

正在运行的脚本名称: 'script_1.py'
脚本的参数数量: '1'
脚本的参数: '['script_1.py']'

如果我们使用多个参数执行此脚本:

python script_1.py OpenCV -i test.png

将得到以下信息：

正在运行的脚本名称: 'script_1.py'
脚本的参数数量: '4'
脚本的参数: '['script_1.py', 'OpenCV', '-i', 'test.png']'

如上所示，列表的第一个元素 script_1.py (sys.argv[0]) 是脚本名称。列表的第二个元素 (sys.argv[1]) OpenCV 是脚本的第一个参数。但同时也可以看到，sys.argv 将命令行选项 -i 也识别为参数，这样并不能方便的满足我们的需求，因此引入 getopt 模块来识别命令行选项。

2. getopt

getopt 模块是专门处理命令行参数的模块，用于获取命令行选项和参数。命令行选项使得程序的参数更加灵活，其支持短选项模式(-)和长选项模式(–)。
该模块提供了两个方法及一个异常处理来解析命令行参数。

2.1 getopt.getopt 方法

getopt.getopt 方法用于解析命令行参数列表，其语法格式如下：

getopt.getopt(args, options[, long_options])

方法参数说明如下表所示：

参数	说明
args	要解析的命令行参数列表，一般是sys.argv[1:]，需要过滤掉脚本名(sys.argv[0])
options	以字符串的格式定义，options 后的冒号 “:” 表示如果设置该选项，必须有附加的参数，否则就不附加参数
long_options	以列表的格式定义，long_options 后的等号 “=” 表示该选项必须有附加的参数，不带冒号表示该选项不附加参数

该方法返回值由两个元素组成: 第一个是 (option, value) 元组的列表。 第二个是参数列表，包含那些没有 - 或 – 的参数。
下面编写 script_2.py 脚本进行演示：

import sys
import getopt


def main(argv):
    input_file = ""
    output_file = ""
    # "hi:o:": 短格式分析串, h 后面没有冒号, 表示后面不带参数; i 和 o 后面带有冒号, 表示后面带参数
    # ["help", "input_file=", "output_file="]: 长格式分析串列表, help后面没有等号, 表示后面不带参数; input_file和output_file后面带冒号, 表示后面带参数
    # 返回值包括 `opts` 和 `args`, opts 是以元组为元素的列表, 每个元组的形式为: (选项, 附加参数)，如: ('-i', 'test.png');
    # args是个列表，其中的元素是那些不含'-'或'--'的参数
    opts, args = getopt.getopt(argv[1:], "hi:o:", ["help", "input_file=", "output_file="])

    for opt, arg in opts:
        if opt in ("-h", "--help"):
            print('script_2.py -i  -o ')
            print('or: test_arg.py --input_file= --output_file=')
            sys.exit()
        elif opt in ("-i", "--input_file"):
            input_file = arg
        elif opt in ("-o", "--output_file"):
            output_file = arg
    print('输入文件为：', input_file)
    print('输出文件为：', output_file)

    # 打印不含'-'或'--'的参数
    for i in range(0, len(args)):
        print('不含'-'或'--'的参数 %s 为：%s' % (i + 1, args[i]))
        
if __name__ == "__main__":
    main(sys.argv)

使用带有命令行选项的命令执行此脚本，以下两种方式是等价的：

# 方式1
python scripy_1.py -i test.png -o output.png OpenCV
# 方式2
python scripy_1.py --input_file test.png --output_file output.png OpenCV

输出得到以下信息：

输入文件为： test.png
输出文件为： output.png
不含'-'或'--'的参数 1 为：OpenCV

2.2 Exception getopt.GetoptError

在参数列表中没有找到所传递参数，或选项的需要的参数为空时会触发该异常。异常的参数是一个字符串，表示错误的原因。属性 msg 和 opt 为相关选项的错误信息。
在上述代码中添加异常处理，检查此错误信息：

# ...
def main(argv):
    input_file = ""
    output_file = ""
    try:
        opts, args = getopt.getopt(argv[1:], "hi:o", ["help", "input_file=", "output_file="])
    except getopt.GetoptError as e:
        print(e.msg)
        print(e.opt)
        sys.exit(2)
# ...

使用错误的格式选项传递参数执行脚本：

python scripy_1.py -f

输出以下错误信息：

option -f not recognized
f

3. argparse

当程序中使用采用复杂参数或多个文件名时，推荐使用 Python 的 argparse 库，它以系统的方式处理命令行参数，从而可以编写用户友好的命令行程序。Python 标准库 argparse 同样也是用于解析命令行参数的模块。首先，由程序确定所需的参数，然后， argparse 将这些参数解析为 sys.argv。此外，argparse 会生成帮助和使用信息提示，并在提供无效参数时发出错误。
为了介绍此模块，编写 script_3.py，如下所示：

import argparse
parser = argparse.ArgumentParser()
parser.parse_args()

不带参数运行此脚本不会向 stdout 显示任何内容。但是，如果使用 --help 或 -h 选项，将得到脚本的使用信息提示：

usage: scripy_3.py [-h]
optional arguments:
-h, --help show this help message and exit

指定其他参数会导致错误，例如使用如下命令：

scripy_3.py -i

则会报导致错误：

usage: scripy_3.py [-h]
argparse_minimal.py: error: unrecognized arguments: -i

由于未定义参数，因此不允许其他参数，接下来就添加一个参数，编写 script_4.py 脚本：

import argparse
parser = argparse.ArgumentParser()
parser.add_argument("first_argument", help="this is the string text in connection with first_argument")
args = parser.parse_args()
print(args.first_argument)

这里添加了 add_argument() 方法。此方法用于指定程序将接受哪些命令行选项，此处添加了 first_argument 参数。此外， argparse 模块存储所有参数，将其名称与每个添加参数的名称相匹配——在此处为 first_argument 。为了获得参数值，需要使用 args.first_argument。
如果此脚本以下示方法执行，则输出为 10：

python scripy_4.py 10

但如果脚本在没有参数的情况下执行，则将输出以下信息：

usage: scripy_4.py [-h] first_argument
scripy_4.py: error: the following arguments are required: first_argument

最后，如果我们使用 -h 选项执行脚本，输出将如下所示：

usage: scripy_4.py [-h] first_argument

positional arguments:
  first_argument  this is the string text in connection with first_argument

optional arguments:
  -h, --help      show this help message and exit

默认情况下，argparse 将提供的选项视为字符串。因此，如果参数不是字符串，则应使用 type 选项。使用 script_5.py 脚本，其中添加了两个参数，这两个参数是 int 类型：

import argparse
parser = argparse.ArgumentParser()
parser.add_argument("first_number", help="first number to be added", type=int)
parser.add_argument("second_number", help="second number to be added", type=int)
args = parser.parse_args()
print("args: '{}'".format(args))
print("the sum is: '{}'".format(args.first_number + args.second_number))
args_dict = vars(parser.parse_args())
print("args_dict dictionary: '{}'".format(args_dict))
print("first argument from the dictionary: '{}'".format(args_dict["first_number"]))

在前面的示例中，通过调用 vars() 函数将参数存储在字典中：

args_dict = vars(parser.parse_args())
print("args_dict dictionary: '{}'".format(args_dict))
print("first argument from the dictionary: '{}'".format(args_dict["first_number"]))

如果不带参数执行脚本：

python script_5.py

则输出如下：

usage: scripy_5.py [-h] first_number second_number
scripy_5.py: error: the following arguments are required: first_number, second_number

此外，如果我们使用 -h 选项执行脚本：

python script_5.py --help

输出将如下所示：

usage: scripy_1.py [-h] first_number second_number

positional arguments:
  first_number   first number to be added
  second_number  second number to be added

optional arguments:
  -h, --help     show this help message and exit

如果此脚本以如下方式执行：

python script_5.py 123 456

则输出如下：

args: 'Namespace(first_number=123, second_number=456)'
the sum is: '579'
args_dict dictionary: '{'first_number': 123, 'second_number': 456}'
first argument from the dictionary: '123'

更多 argparse 的高级介绍可以在官方文档中看到，其中包括了大量示例。