Python 基础 （五）Python包与模块

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4.5 包与模块

4.5.1 包

• 包是一种管理 Python 模块命名空间的形式，采用"点模块名称"。
• 比如一个模块的名称是 A.B， 那么他表示一个包 A中的子模块 B 。
• 就好像使用模块的时候，你不用担心不同模块之间的全局变量相互影响一样，采用点模块名称这种形式也不用担心不同库之间的模块重名的情况。
• 这样不同的作者都可以提供 NumPy 模块，或者是 Python 图形库。
• 不妨假设你想设计一套统一处理声音文件和数据的模块（或者称之为一个"包"）。

Python中的包（Packages）是一种用于组织和管理模块（Modules）的方法。包实际上是一个包含了多个模块的目录，该目录包含一个特殊的__init__.py文件，用于指示Python该目录应该被视为一个包。
以下是创建和使用Python包的基本步骤：

1. 创建一个包目录：
   首先，您需要创建一个目录，该目录将作为包的根目录。您可以为这个目录选择一个有意义的名称，比如my_package。
2. 在包目录中创建模块：
   在包的目录下，您可以创建多个模块文件，这些模块可以包含函数、类和变量等Python代码。模块的文件名必须以.py结尾。
3. 创建__init__.py文件：
   您需要在包目录中创建一个名为__init__.py的文件，即使它是空的。这个文件用于告诉Python该目录是一个包。
4. 使用包中的模块：
   现在，您可以在其他Python脚本中使用这个包。例如，如果您有一个叫做module1.py的模块在my_package包中，您可以在其他脚本中这样导入它：

from my_package import module1

5. 子包（可选）：
   您还可以在包中创建子包，即在包目录中再创建一个子目录，并在子目录中放置一个__init__.py文件。这样可以创建多层嵌套的包结构。

示例目录结构：

my_package/
    __init__.py
    module1.py
    module2.py
    subpackage/
        __init__.py
        submodule1.py

注意事项：

• 包名和模块名应该遵循Python的命名规则，通常使用小写字母和下划线。
• 在Python 3.3及更高版本中，__init__.py文件不再是必需的，但仍然建议使用它以确保向后兼容性。
• 模块的导入方式可以是绝对导入或相对导入，具体取决于您的项目结构和需求。

4.5.2 模块

在Python中，模块（Module）是一个包含Python代码的单个文件。模块可以包含函数、类、变量和语句，用于组织和封装相关的代码。模块的主要目的是将代码分割成可维护和可重用的部分，以便在不同的程序中使用。
以下是关于Python模块的一些重要概念和用法：

1. 导入模块：要在Python中使用模块中的代码，您需要使用import语句将模块导入到您的脚本中。例如，要导入Python标准库中的math模块，可以这样做：

import math

2. 使用模块中的函数和变量：一旦导入了模块，您可以使用点运算符（.）访问模块中的函数、变量或类。例如，使用math模块中的sqrt函数计算平方根：

result = math.sqrt(25)

3. 给模块起别名：您可以为导入的模块起一个别名，以简化使用。这在模块名很长或容易混淆时特别有用。例如：

import math as m
result = m.sqrt(25)

4. 导入模块中的特定成员：如果您只需要模块中的特定函数或变量，而不想导入整个模块，可以使用from ... import语句。例如：

from math import sqrt
result = sqrt(25)

5. 自定义模块：除了使用Python标准库中的模块，您还可以创建自己的模块。创建模块就是创建一个包含Python代码的.py文件，并确保它在您的项目目录或Python路径下可用。
6. 标准库模块：Python附带了丰富的标准库，包含了许多常用的模块，如os（操作系统交互）、datetime（日期和时间处理）、json（JSON数据处理）等。
7. 第三方模块：除了标准库，Python社区还维护了大量的第三方模块和库，您可以使用工具如pip来安装这些模块，以扩展Python的功能。

总之，模块是Python中组织代码的重要方式，它们有助于代码的组织、可维护性和重用性。了解如何使用模块是编写更结构化、模块化和可维护的Python代码的关键。

4.5.3 命名空间

在Python中，命名空间（Namespace）是一个包含变量名和它们对应的对象的映射。它用于确定在程序中查找变量名时的范围和可见性。Python中有以下几种类型的命名空间：

命名空间查找顺序:
假设我们要使用变量 runoob，则 Python 的查找顺序为：局部的命名空间 -> 全局命名空间 -> 内置命名空间。
如果找不到变量 runoob，它将放弃查找并引发一个 NameError 异常:

NameError: name 'runoob' is not defined。

1. 内置命名空间（Built-in Namespace）：
   • 这是Python解释器默认提供的命名空间。
   • 包含了Python内置的对象和函数，如print()、len()等。
   • 可以在任何地方直接访问内置命名空间的内容。
2. 全局命名空间（Global Namespace）：
   • 在模块级别定义的变量和函数属于全局命名空间。
   • 全局命名空间在整个模块中可见，也可以在不同模块之间共享。
   • 在一个Python脚本或模块中，全局命名空间就是该脚本或模块的命名空间。
3. 局部命名空间（Local Namespace）：
   • 每个函数调用都会创建一个局部命名空间。
   • 局部命名空间包含函数内部定义的变量和参数。
   • 局部命名空间只在函数内部可见，函数外部无法直接访问。
4. 模块命名空间（Module Namespace）：
   • 每个模块（.py文件）都有自己的命名空间。
   • 模块命名空间包含了模块级别的变量和函数。
   • 模块命名空间在整个模块内可见。
5. 类命名空间（Class Namespace）：
   • 每个类定义都有自己的命名空间，用于管理类的属性和方法。
   • 类命名空间在类定义中可见。
   • 类的实例可以访问类的命名空间。
6. 实例命名空间（Instance Namespace）：
   • 每个类的实例都有自己的命名空间，用于管理实例特有的属性。
   • 实例命名空间在实例化时创建，并且可以随着实例的生命周期而改变。

在Python中，命名空间的概念非常重要，它决定了变量和函数的可见性和作用域。当您使用变量时，Python会根据LEGB规则（Local、Enclosing、Global、Built-in）来查找变量，从局部命名空间开始，逐级向外查找，直到找到匹配的变量名或者达到全局和内置命名空间。
理解不同命名空间的作用和范围有助于编写更清晰、可维护的代码，避免变量名冲突，同时充分利用Python的模块化和封装特性。

4.5.4 作用域

在编程中，作用域（Scope）指的是变量的可见性和生命周期。它决定了在程序的哪些部分可以访问某个变量，并且确定了变量何时被创建和销毁。Python中有以下几种常见的作用域：

1. 局部作用域（Local Scope）：
   • 局部作用域是最内层的作用域，通常与函数内部相关联。
   • 在函数内定义的变量具有局部作用域，只能在该函数内部访问。
   • 变量的生命周期从函数被调用开始，到函数执行结束时结束。

def my_function():
    x = 10  # 局部作用域变量
    print(x)  # 可以在函数内访问

my_function()
print(x)  # 会引发 NameError，x 不在全局作用域中

2. 嵌套作用域（Enclosing Scope）：
   • 嵌套作用域与包含它们的函数的局部作用域相关联。
   • 如果在函数内部嵌套了另一个函数，内部函数可以访问外部函数的变量。
   • 外部函数无法访问内部函数的变量。

def outer_function():
    x = 10  # 外部函数的变量
    
    def inner_function():
        y = 20  # 内部函数的变量
        print(x + y)  # 内部函数可以访问外部函数的变量

    inner_function()

outer_function()

3. 全局作用域（Global Scope）：
   • 全局作用域是整个程序的最外层作用域。
   • 在模块级别定义的变量具有全局作用域，可以在整个模块中访问。
   • 变量的生命周期从程序启动时开始，到程序退出时结束。

global_variable = 100  # 全局作用域变量

def my_function():
    print(global_variable)  # 可以在函数内访问全局变量

my_function()
print(global_variable)

4. 内置作用域（Built-in Scope）：
   • 内置作用域包含了Python内置的函数和对象，如print()、len()等。
   • 这些函数和对象可以在任何地方访问，无需导入模块。
   • 内置作用域的变量在Python解释器启动时创建，并在解释器退出时销毁。

print(len("Hello, World!"))  # 内置作用域中的函数和对象

理解作用域是编写Python代码的关键，它有助于避免变量名冲突，提高代码的可读性和可维护性。作用域规则决定了在不同位置访问变量时，哪些变量是可见的。通常情况下，变量应尽可能在最小的作用域内定义，以减少潜在的副作用和错误。