02. IPython 的安装及使用

1. IPython 的介绍

Ipython 是一个 python 的交互式 shell，比默认的 python shell 好用得多，支持变量自动补全，自动缩进，支持 bash shell 命令，内置了许多很有用的功能和函数。学习Ipython 将会让我们以一种更高的效率来使用 python。同时它也是利用 Python 进行科学计算和交互可视化的一个最佳的平台。

IPython 提供了两个主要的组件：

1. 一个强大的 python 交互式 shell；
2. 供 Jupyter notebooks 使用的一个 Jupyter 内核（IPython notebook）。

IPython 的主要功能如下：

1. 运行 ipython 控制台 ；
2. 使用 ipython 作为系统 shell ；
3. 使用历史输入(history) ；
4. Tab 键自动补全 ；
5. 使用%run命令运行脚本 ；
6. 使用%timeit命令快速测量时间 ；
7. 使用%pdb命令快速 debug ；
8. 使用%edit命令打开当前函数编辑；
9. 使用%save命令把某些历史记录保存到文件；
10. 使用%debug命令激活debug程序；
11. 使用 pylab 进行交互计算 ；
12. 使用 IPython Notebook。

2. IPython 的安装

Ipython 支持 Python2.7 版本或者3.3 以上的版本，此处用的是 windows 下的 python 3.7.9 版本。

1. 安装 ipython 很简单，可以直接使用 pip 管理工具即可:

pip install ipython    # 这条命令会自动安装IPython以及它的各种依赖包

安装 ipython

2. 如果还想在 notebook 中或者在 Qt console 中使用 IPython，我们还需要安装 Jupyter，如下命令：

pip install jupyter

安装 jupyter

3. 另外还可能需要安装一些用到的库：

• NumPy 高性能多维数组矢量运算库：

pip install numpy

安装 numpy

• Matplotlib 绘图以及交互式可视化：

pip install matplotlib

安装 matplotlib

3. IPython 的交互式使用

IPython 支持所有 python 的标准输入输出，也就是我们在 IDLE 中或者 Python shell 中能用的，在 IPython 中都能够使用，唯一的不同之处使 ipython 会使用 In [x] 和 Out [x] 表示输入输出，并表示出相应的序号。后面我们会知道，In 和 Out 是两个保存历史信息的变量。

进入 IPython 也非常简单，直接 win + R 打开运行，然后输入ipython 即可进入 IPython shell 交互框。

进入 ipython 交互框

3.1 Tab 键自动补全

在 shell 中输入表达式时，只要按下 Tab 键，当前命名空间中任何与输入的字符串相匹配的变量(对象或者函数等)就提示出来，这时可以通过键盘的向下翻页键找到自己需要的对象。

Tab键自动补全

3.2 内省

在变量的前面或者后面加上一个问号 ?，就可以将有关该对象的一些通用信息显示出来，这就叫做对象的内省。

内省

如果对象是一个函数或者实例方法，则它的 docstring 也会被显示出来，定义方法如下：

定义方法

查看该方法的内省信息：

查看方法的内省信息

如果使用两个问号 ??，还可以显示出该方法的源代码：

查看方法的内省信息

此外，可以使用通配符字符串查找出所有与该通配符字符串相匹配的名称，比如查找 re 模块下所有的包含find的函数：

使用通配符字符串查找

3.3 使用历史命令 history

在 IPython shell 中，使用历史命令可以简单地使用上下翻页键即可，也可以使用hist命令(或者history命令)查看所有的历史输入。（正确的做法是使用%hist，在这里，%hist也是一个魔法命令）

使用历史命令

如果在hist命令之后加上-n，即hist -n也可以显示出输入的序号：

使用历史命令

在任何的交互会话中，输入历史和输出历史都会被保存在In和Out变量中，并被序号进行索引。
另外，_，__，___和_i，_ii，_iii变量保存着最后三个输出和输入对象。_n和_in(这里的n表示具体的数字)变量返回第n个输出结果和输入内容的历史命令。
比如：_3输出第3条语句的输出结果，_i3输出第3条语句的内容。

In 和 Out 变量

3.4 使用 %run 命令运行脚本

在 ipython 会话环境中，所有文件都可以通过%run命令当做 Python 程序来运行，输入%run 路径+python文件名称即可

3.5 使用 %timeit 命令快速测量代码运行时间

在一个交互式会话中，可以使用%timeit魔法命令快速测量代码运行时间。相同的命令会在一个循环中多次执行，多次运行时长的平均值作为该命令的最终评估时长。-n 选项可以控制命令在单词循环中执行的次数，-r选项控制执行循环的次数。

快速测量代码运行时间

3.6 使用 %debug 命令进行快速 debug

ipython 带有一个强大的调试器。无论何时控制台抛出了一个异常，我们都可以使用%debug魔法命令在异常点启动调试器。接着你就能调试模式下访问所有的本地变量和整个栈回溯。使用u和d向上和向下访问栈，使用q退出调试器。在调试器中输入?可以查看所有的可用命令列表。可以使用%pdb魔法命令来激活IPython调试器，这样，每当异常抛出时，调试器就会自动运行。

3.7 使用 Pylab 进行交互式计算

%pylab魔法命令可以使Numpy和matplotlib中的科学计算功能生效，这些功能被称为基于向量和矩阵的高效操作，交互可视化特性。它能够让我们在控制台进行交互式计算和动态绘图。

使用 Pylab 进行交互式计算

在该示例中，我们首先定义了一个 -10 到 10 的线性空间中的 1000 个数值的向量，接着绘制 (x,sin(x)) 图像，这样我们就成功绘制出了sin(x)的函数图像：

sin(x)的函数图像

3.8 在 IPython 中使用系统 shell

我们可以在 IPython 中直接使用系统 shell，并获取读取结果作为一个 Python 字符串列表。为了实现这种功能，需要使用感叹号 ! 作为 shell 命令的前缀。比如现在在我的 windows 系统中，直接在 IPython 中ping 百度：

ping 百度

此外，在 IPython 中调用系统 shell 可以再次进入一个新的 IPython shell 中。

进入一个新的 IPython shell 中

4. 使用 IPython Notebook

IPython Notebook 使用浏览器作为界面，向后台的 IPython 服务器发送请求，并显示结果。在浏览器的界面中使用单元(Cell)保存各种信息。Cell 有多种类型，需要强调的是，它也支持 MarkDown 语法，所以可以有 MarkDown 格式化文本单元，也可以有表示代码的 Code 单元。

IPython Notebook 有一个重要的特点就是：可重复性的互动计算，这意味着我们可以重复更改并且执行曾经的输入记录。它可以保存成其他很多格式，比如 Python脚本，HTML，PDF 等，所以它可以记录我们的演算过程。很多课程，博客以及书籍都是用 Notebook 写的。

4.1 安装并运行

前面 IPython 的安装过程如果你都已经执行过了，那么 IPython Notebook 就算是安装好了。至于怎么测试呢？
Win + R打开运行窗口，输入ipython notebook，如果正确安装的话，这个命令就会默认在本地 8888 端口启动一个 web 服务，并自动打开浏览器，打开http://localhost:8888/tree页面，在这个页面我们可以看到当前目录下的所有文件夹以及ipynb文件。当然，如果不想在当前默认目录启动该Web服务器的话，就在 cmd 窗口下切换目录之后再运行ipython notebook。

打开 ipython notebook

自动打开，如下页面：

网页 jupyter

我们可以点击当前目录下的 Notebook 文件进行编辑，也可以新建 Notebook。

使用 notebook

编辑 Notebook 可以选择代码模式和文本编辑模式，也可以导出各种不同格式的文件。

编写代码运行

由于 IPython Notebook 是基于 Web 服务模式的，所以我们可以在远程服务器打开 IPython 服务器，在本地客户端启动 IPython Web 交互界面，这样可以很方便地操作远程数据。

4.2 操作

在一个输入框即Cell中使用回车即Enter键，表示换行，也就是说一个Cell中可以输入多条语句。
一个Cell中的命令可以由两种方式运行：

1. Shift + Enter小格内的所有代码将会在当前的 IPython 交互命名空间中运行，运行结果将会立即在输入框下面的输出区域显示，且一个新的输入框会出现。
2. Ctrl + Enter组合键只会显示运行结果而不会创建新的输入框。

也可以使用上面的菜单栏和工具栏对Cell进行各种增删复制粘贴等操作。