6. Módulos

Si sales del intérprete de Python y vuelves a entrar, las definiciones que habías hecho (funciones y variables) se pierden. Por lo tanto, si quieres escribir un programa más o menos largo, es mejor que utilices un editor de texto para preparar la entrada para el intérprete y ejecutarlo con ese archivo como entrada. Esto se conoce como crear un script. A medida que tu programa crezca, quizás quieras separarlo en varios archivos para que el mantenimiento sea más sencillo. Quizás también quieras usar una función útil que has escrito en distintos programas sin copiar su definición en cada programa.

Para soportar esto, Python tiene una manera de poner definiciones en un archivo y usarlos en un script o en una instancia del intérprete. Este tipo de ficheros se llama módulo; las definiciones de un módulo pueden ser importadas a otros módulos o al módulo principal (la colección de variables a las que tienes acceso en un script ejecutado en el nivel superior y en el modo calculadora).

Un módulo es un fichero conteniendo definiciones y declaraciones de Python. El nombre de archivo es el nombre del módulo con el sufijo .py agregado. Dentro de un módulo, el nombre del mismo módulo (como cadena) está disponible en el valor de la variable global __name__. Por ejemplo, utiliza tu editor de texto favorito para crear un archivo llamado fibo.py en el directorio actual, con el siguiente contenido:

# Fibonacci numbers module

def fib(n):    # write Fibonacci series up to n
    a, b = 0, 1
    while a < n:
        print(a, end=' ')
        a, b = b, a+b
    print()

def fib2(n):   # return Fibonacci series up to n
    result = []
    a, b = 0, 1
    while a < n:
        result.append(a)
        a, b = b, a+b
    return result

Ahora entra en el intérprete de Python e importa este modulo con el siguiente comando:

>>> import fibo

Esto no añade los nombres de las funciones definidas en fibo directamente en el espacio de nombres actual; sólo añade el nombre del módulo fibo. Usando el nombre del módulo puedes acceder a las funciones:

>>> fibo.fib(1000)
0 1 1 2 3 5 8 13 21 34 55 89 144 233 377 610 987
>>> fibo.fib2(100)
[0, 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55, 89]
>>> fibo.__name__
'fibo'

Si pretendes utilizar una función frecuentemente puedes asignarla a un nombre local:

>>> fib = fibo.fib
>>> fib(500)
0 1 1 2 3 5 8 13 21 34 55 89 144 233 377

6.1. Más sobre los módulos

Un módulo puede contener tanto declaraciones ejecutables como definiciones de funciones. Estas declaraciones están pensadas para inicializar el módulo. Se ejecutan únicamente la primera vez que el módulo se encuentra en una declaración import. 1 (También se ejecutan si el archivo se ejecuta como script.)

Cada módulo tiene su propio espacio de nombres, el cual es usado como espacio de nombres global para todas las funciones definidas en el módulo. Por lo tanto, el autor de un módulo puede usar variables globales en el módulo sin preocuparse acerca de conflictos con una variable global del usuario. Por otro lado, si sabes lo que estás haciendo puedes acceder a las variables globales de un módulo con la misma notación usada para referirte a sus funciones, nombremodulo.nombreitem.

Los módulos pueden importar otros módulos. Es costumbre pero no obligatorio ubicar todas las declaraciones import al principio del módulo (o script, para el caso). Los nombres de los módulos importados son ubicados en el espacio de nombres global del módulo que hace la importación.

Hay una variante de la declaración import que importa nos nombres de un módulo directamente al espacio de nombres del módulo que hace la importación. Por ejemplo:

>>> from fibo import fib, fib2
>>> fib(500)
0 1 1 2 3 5 8 13 21 34 55 89 144 233 377

Esto no introduce en el espacio de nombres local el nombre del módulo desde el cual se está importando (por lo tanto, en el ejemplo, fibo no esta definido).

Hay incluso una variante para importar todos los nombres que un módulo define:

>>> from fibo import *
>>> fib(500)
0 1 1 2 3 5 8 13 21 34 55 89 144 233 377

Esto importa todos los nombres excepto los que inician con un guión bajo (_). La mayoría de las veces los programadores de Python no usan esto ya que introduce en el intérprete un conjunto de nombres desconocido, posiblemente escondiendo algunas de las definiciones previas.

Nota que en general la práctica de importar * de un módulo o paquete está muy mal vista, ya que frecuentemente genera código poco legible. Sin embargo, está bien usarlo para ahorrar tecleo en sesiones interactivas.

Si el nombre del módulo es seguido por as, el nombre siguiendo as queda ligado directamente al módulo importado.

>>> import fibo as fib
>>> fib.fib(500)
0 1 1 2 3 5 8 13 21 34 55 89 144 233 377

Esto es básicamente importar el módulo de la misma forma que se haría con import fibo, con la única diferencia en que se encuentra accesible como fib.

También se puede utilizar cuando se utiliza from con efectos similares:

>>> from fibo import fib as fibonacci
>>> fibonacci(500)
0 1 1 2 3 5 8 13 21 34 55 89 144 233 377

Nota

Por razones de eficiencia, cada módulo es importado solo una vez por sesión del intérprete. Por lo tanto, si cambias tus módulos, debes reiniciar el interprete – ó, si es un solo módulo que quieres probar de forma interactiva, usa importlib.reload(), por ejemplo: import importlib; importlib.reload(modulename).

6.1.1. Ejecutando módulos como scripts

Cuando ejecutes un módulo de Python con

python fibo.py <arguments>

el código en el módulo será ejecutado, tal como si lo hubieses importado, pero con __name__ con el valor de "__main__". Eso significa que agregando este código al final de tu módulo:

if __name__ == "__main__":
    import sys
    fib(int(sys.argv[1]))

puedes hacer que el archivo sea utilizable tanto como script, como módulo importable, porque el código que analiza la línea de órdenes sólo se ejecuta si el módulo es ejecutado como archivo principal:

$ python fibo.py 50
0 1 1 2 3 5 8 13 21 34

Si el módulo se importa, ese código no se ejecuta:

>>> import fibo
>>>

Esto es frecuentemente usado para proveer al módulo una interfaz de usuario conveniente, o para propósitos de prueba (ejecutar el módulo como un script ejecuta el juego de pruebas).

6.1.2. El camino de búsqueda de los módulos

Cuando se importa un módulo llamado spam, el intérprete busca primero por un módulo con ese nombre que esté integrado en el intérprete. Si no lo encuentra, entonces busca un archivo llamado spam.py en una lista de directorios especificada por la variable sys.path. sys.path se inicializa con las siguientes ubicaciones:

  • El directorio que contiene el script de entrada (o el directorio actual cuando no se especifica archivo).

  • PYTHONPATH (una lista de nombres de directorios, con la misma sintaxis que la variable de la terminal PATH).

  • The installation-dependent default (by convention including a site-packages directory, handled by the site module).

Nota

En los sistemas de archivo que soportan enlaces simbólicos, el directorio que contiene el script de entrada es calculado luego de seguir el enlace simbólico. En otras palabras, el directorio que contiene el enlace simbólico no es agregado al camino de búsqueda del módulo.

Luego de la inicialización, los programas Python pueden modificar sys.path. El directorio que contiene el script que se está ejecutando se ubica al principio de la búsqueda, adelante de la biblioteca estándar. Esto significa que se cargarán scripts en ese directorio en lugar de módulos de la biblioteca estándar con el mismo nombre. Esto es un error a menos que se esté reemplazando intencionalmente. Mirá la sección Módulos estándar para más información.

6.1.3. Archivos «compilados» de Python

Para acelerar la carga de módulos, Python cachea las versiones compiladas de cada módulo en el directorio __pycache__ bajo el nombre module.version.pyc, dónde la versión codifica el formato del archivo compilado; generalmente contiene el número de versión de Python. Por ejemplo, en CPython release 3.3 la versión compilada de spam.py sería cacheada como __pycache__/spam.cpython-33.pyc. Este convención de nombre permite compilar módulos desde diferentes releases y versiones de Python para coexistir.

Python chequea la fecha de modificación de la fuente contra la versión compilada para ver si esta es obsoleta y necesita ser recompilada. Esto es un proceso completamente automático. También, los módulos compilados son independientes de la plataforma, así que la misma biblioteca puede ser compartida a través de sistemas con diferentes arquitecturas.

Python no chequea el caché en dos circunstancias. Primero, siempre recompila y no graba el resultado del módulo que es cargado directamente desde la línea de comando. Segundo, no chequea el caché si no hay módulo fuente. Para soportar una distribución sin fuente (solo compilada), el módulo compilado debe estar en el directorio origen, y no debe haber un módulo fuente.

Algunos consejos para expertos:

  • Puedes usar los modificadores -O o -OO en el comando de Python para reducir el tamaño del módulo compilado. El modificador -O remueve las declaraciones assert, el modificador -OO remueve declaraciones assert y cadenas __doc__. Dado que algunos programas pueden confiar en tenerlos disponibles, solo deberías usar esta opción si conoces lo que estás haciendo. Los módulos «optimizados» tienen una etiqueta opt- y generalmente son mas pequeños. Releases futuras pueden cambiar los efectos de la optimización.

  • Un programa no se ejecuta mas rápido cuando es leído de un archivo .pyc que cuando es leído de un archivo .py; la única cosa que es mas rápida en los archivos .pyc es la velocidad con la cual son cargados.

  • El módulo compileall puede crear archivos .pyc para todos los módulos en un directorio.

  • Hay mas detalle de este proceso, incluyendo un diagrama de flujo de decisiones, en PEP 3147.

6.2. Módulos estándar

Python viene con una biblioteca de módulos estándar, descrita en un documento separado, la Referencia de la Biblioteca de Python (de aquí en más, «Referencia de la Biblioteca»). Algunos módulos se integran en el intérprete; estos proveen acceso a operaciones que no son parte del núcleo del lenguaje pero que sin embargo están integrados, tanto por eficiencia como para proveer acceso a primitivas del sistema operativo, como llamadas al sistema. El conjunto de tales módulos es una opción de configuración el cual también depende de la plataforma subyacente. Por ejemplo, el módulo winreg sólo se provee en sistemas Windows. Un módulo en particular merece algo de atención: sys, el que está integrado en todos los intérpretes de Python. Las variables sys.ps1 y sys.ps2 definen las cadenas usadas como cursores primarios y secundarios:

>>> import sys
>>> sys.ps1
'>>> '
>>> sys.ps2
'... '
>>> sys.ps1 = 'C> '
C> print('Yuck!')
Yuck!
C>

Estas dos variables están solamente definidas si el intérprete está en modo interactivo.

La variable sys.path es una lista de cadenas que determinan el camino de búsqueda del intérprete para los módulos. Se inicializa por omisión a un camino tomado de la variable de entorno PYTHONPATH, o a un valor predefinido en el intérprete si PYTHONPATH no está configurada. Lo puedes modificar usando las operaciones estándar de listas:

>>> import sys
>>> sys.path.append('/ufs/guido/lib/python')

6.3. La función dir()

La función integrada dir() se usa para encontrar qué nombres define un módulo. Retorna una lista ordenada de cadenas:

>>> import fibo, sys
>>> dir(fibo)
['__name__', 'fib', 'fib2']
>>> dir(sys)  
['__breakpointhook__', '__displayhook__', '__doc__', '__excepthook__',
 '__interactivehook__', '__loader__', '__name__', '__package__', '__spec__',
 '__stderr__', '__stdin__', '__stdout__', '__unraisablehook__',
 '_clear_type_cache', '_current_frames', '_debugmallocstats', '_framework',
 '_getframe', '_git', '_home', '_xoptions', 'abiflags', 'addaudithook',
 'api_version', 'argv', 'audit', 'base_exec_prefix', 'base_prefix',
 'breakpointhook', 'builtin_module_names', 'byteorder', 'call_tracing',
 'callstats', 'copyright', 'displayhook', 'dont_write_bytecode', 'exc_info',
 'excepthook', 'exec_prefix', 'executable', 'exit', 'flags', 'float_info',
 'float_repr_style', 'get_asyncgen_hooks', 'get_coroutine_origin_tracking_depth',
 'getallocatedblocks', 'getdefaultencoding', 'getdlopenflags',
 'getfilesystemencodeerrors', 'getfilesystemencoding', 'getprofile',
 'getrecursionlimit', 'getrefcount', 'getsizeof', 'getswitchinterval',
 'gettrace', 'hash_info', 'hexversion', 'implementation', 'int_info',
 'intern', 'is_finalizing', 'last_traceback', 'last_type', 'last_value',
 'maxsize', 'maxunicode', 'meta_path', 'modules', 'path', 'path_hooks',
 'path_importer_cache', 'platform', 'prefix', 'ps1', 'ps2', 'pycache_prefix',
 'set_asyncgen_hooks', 'set_coroutine_origin_tracking_depth', 'setdlopenflags',
 'setprofile', 'setrecursionlimit', 'setswitchinterval', 'settrace', 'stderr',
 'stdin', 'stdout', 'thread_info', 'unraisablehook', 'version', 'version_info',
 'warnoptions']

Sin argumentos, dir() lista los nombres que tienes actualmente definidos:

>>> a = [1, 2, 3, 4, 5]
>>> import fibo
>>> fib = fibo.fib
>>> dir()
['__builtins__', '__name__', 'a', 'fib', 'fibo', 'sys']

Note que lista todos los tipos de nombres: variables, módulos, funciones, etc.

dir() no lista los nombres de las funciones y variables integradas. Si quieres una lista de esos, están definidos en el módulo estándar builtins:

>>> import builtins
>>> dir(builtins)  
['ArithmeticError', 'AssertionError', 'AttributeError', 'BaseException',
 'BlockingIOError', 'BrokenPipeError', 'BufferError', 'BytesWarning',
 'ChildProcessError', 'ConnectionAbortedError', 'ConnectionError',
 'ConnectionRefusedError', 'ConnectionResetError', 'DeprecationWarning',
 'EOFError', 'Ellipsis', 'EnvironmentError', 'Exception', 'False',
 'FileExistsError', 'FileNotFoundError', 'FloatingPointError',
 'FutureWarning', 'GeneratorExit', 'IOError', 'ImportError',
 'ImportWarning', 'IndentationError', 'IndexError', 'InterruptedError',
 'IsADirectoryError', 'KeyError', 'KeyboardInterrupt', 'LookupError',
 'MemoryError', 'NameError', 'None', 'NotADirectoryError', 'NotImplemented',
 'NotImplementedError', 'OSError', 'OverflowError',
 'PendingDeprecationWarning', 'PermissionError', 'ProcessLookupError',
 'ReferenceError', 'ResourceWarning', 'RuntimeError', 'RuntimeWarning',
 'StopIteration', 'SyntaxError', 'SyntaxWarning', 'SystemError',
 'SystemExit', 'TabError', 'TimeoutError', 'True', 'TypeError',
 'UnboundLocalError', 'UnicodeDecodeError', 'UnicodeEncodeError',
 'UnicodeError', 'UnicodeTranslateError', 'UnicodeWarning', 'UserWarning',
 'ValueError', 'Warning', 'ZeroDivisionError', '_', '__build_class__',
 '__debug__', '__doc__', '__import__', '__name__', '__package__', 'abs',
 'all', 'any', 'ascii', 'bin', 'bool', 'bytearray', 'bytes', 'callable',
 'chr', 'classmethod', 'compile', 'complex', 'copyright', 'credits',
 'delattr', 'dict', 'dir', 'divmod', 'enumerate', 'eval', 'exec', 'exit',
 'filter', 'float', 'format', 'frozenset', 'getattr', 'globals', 'hasattr',
 'hash', 'help', 'hex', 'id', 'input', 'int', 'isinstance', 'issubclass',
 'iter', 'len', 'license', 'list', 'locals', 'map', 'max', 'memoryview',
 'min', 'next', 'object', 'oct', 'open', 'ord', 'pow', 'print', 'property',
 'quit', 'range', 'repr', 'reversed', 'round', 'set', 'setattr', 'slice',
 'sorted', 'staticmethod', 'str', 'sum', 'super', 'tuple', 'type', 'vars',
 'zip']

6.4. Paquetes

Los Paquetes son una forma de estructurar el espacio de nombres de módulos de Python usando «nombres de módulo con puntos». Por ejemplo, el nombre del módulo A.B designa un submódulo B en un paquete llamado A. Así como el uso de módulos salva a los autores de diferentes módulos de tener que preocuparse por los nombres de las variables globales de cada uno, el uso de nombres de módulo con puntos salva a los autores de paquetes con múltiples módulos, como NumPy o Pillow de preocupaciones por los nombres de los módulos de cada uno.

Supongamos que quieres designar una colección de módulos (un «paquete») para el manejo uniforme de archivos y datos de sonidos. Hay diferentes formatos de archivos de sonido (normalmente reconocidos por su extensión, por ejemplo: .wav, .aiff, .au), por lo que tienes que crear y mantener una colección siempre creciente de módulos para la conversión entre los distintos formatos de archivos. Hay muchas operaciones diferentes que quizás quieras ejecutar en los datos de sonido (como mezclarlos, añadir eco, aplicar una función ecualizadora, crear un efecto estéreo artificial), por lo que además estarás escribiendo una lista sin fin de módulos para realizar estas operaciones. Aquí hay una posible estructura para tu paquete (expresados en términos de un sistema jerárquico de archivos):

sound/                          Top-level package
      __init__.py               Initialize the sound package
      formats/                  Subpackage for file format conversions
              __init__.py
              wavread.py
              wavwrite.py
              aiffread.py
              aiffwrite.py
              auread.py
              auwrite.py
              ...
      effects/                  Subpackage for sound effects
              __init__.py
              echo.py
              surround.py
              reverse.py
              ...
      filters/                  Subpackage for filters
              __init__.py
              equalizer.py
              vocoder.py
              karaoke.py
              ...

Al importar el paquete, Python busca a través de los directorios en sys.path, buscando el sub-directorio del paquete.

Los archivos __init__.py son obligatorios para que Python trate los directorios que contienen los archivos como paquetes. Esto evita que los directorios con un nombre común, como string, oculten involuntariamente módulos válidos que se producen luego en el camino de búsqueda del módulo. En el caso mas simple, __init__.py puede ser solo un archivo vacío, pero también puede ejecutar código de inicialización para el paquete o el conjunto de variables __all__, descriptas luego.

Los usuarios del paquete pueden importar módulos individuales del mismo, por ejemplo:

import sound.effects.echo

Esto carga el submódulo sound.effects.echo. Debe hacerse referencia al mismo con el nombre completo.

sound.effects.echo.echofilter(input, output, delay=0.7, atten=4)

Otra alternativa para importar el submódulo es:

from sound.effects import echo

Esto también carga el submódulo echo, y lo deja disponible sin su prefijo de paquete, por lo que puede usarse así:

echo.echofilter(input, output, delay=0.7, atten=4)

Otra variación más es importar la función o variable deseadas directamente:

from sound.effects.echo import echofilter

De nuevo, esto carga el submódulo echo, pero deja directamente disponible a la función echofilter():

echofilter(input, output, delay=0.7, atten=4)

Note que al usar from package import item, el ítem puede ser tanto un submódulo (o subpaquete) del paquete, o algún otro nombre definido en el paquete, como una función, clase, o variable. La declaración import primero verifica si el ítem está definido en el paquete; si no, asume que es un módulo y trata de cargarlo. Si no lo puede encontrar, se genera una excepción ImportError.

Por otro lado, cuando se usa la sintaxis como import item.subitem.subsubitem, cada ítem excepto el último debe ser un paquete; el mismo puede ser un módulo o un paquete pero no puede ser una clase, función o variable definida en el ítem previo.

6.4.1. Importando * desde un paquete

Ahora, ¿qué sucede cuando el usuario escribe from sound.effects import *? Idealmente, uno esperaría que esto de alguna manera vaya al sistema de archivos, encuentre cuales submódulos están presentes en el paquete, y los importe a todos. Esto puede tardar mucho y el importar sub-módulos puede tener efectos secundarios no deseados que sólo deberían ocurrir cuando se importe explícitamente el sub-módulo.

La única solución es que el autor del paquete provea un índice explícito del paquete. La declaración import usa la siguiente convención: si el código del __init__.py de un paquete define una lista llamada __all__, se toma como la lista de los nombres de módulos que deberían ser importados cuando se hace from package import *. Es tarea del autor del paquete mantener actualizada esta lista cuando se libera una nueva versión del paquete. Los autores de paquetes podrían decidir no soportarlo, si no ven un uso para importar * en sus paquetes. Por ejemplo, el archivo sound/effects/__init__.py podría contener el siguiente código:

__all__ = ["echo", "surround", "reverse"]

Esto significaría que from sound.effects import * importaría esos tres submódulos del paquete sound.

Si no se define __all__, la declaración from sound.effects import * no importa todos los submódulos del paquete sound.effects al espacio de nombres actual; sólo se asegura que se haya importado el paquete sound.effects (posiblemente ejecutando algún código de inicialización que haya en __init__.py) y luego importa aquellos nombres que estén definidos en el paquete. Esto incluye cualquier nombre definido (y submódulos explícitamente cargados) por __init__.py. También incluye cualquier submódulo del paquete que pudiera haber sido explícitamente cargado por declaraciones import previas. Considere este código:

import sound.effects.echo
import sound.effects.surround
from sound.effects import *

En este ejemplo, los módulos echo y surround se importan en el espacio de nombre actual porque están definidos en el paquete sound.effects cuando se ejecuta la declaración from...import. (Esto también funciona cuando se define __all__).

A pesar de que ciertos módulos están diseñados para exportar solo nombres que siguen ciertos patrones cuando uses import *, también se considera una mala práctica en código de producción.

Recuerda, ¡no hay nada malo al usar from package import specific_submodule! De hecho, esta es la notación recomendada a menos que el módulo que importamos necesite usar submódulos con el mismo nombre desde un paquete diferente.

6.4.2. Referencias internas en paquetes

Cuando se estructuran los paquetes en sub-paquetes (como en el ejemplo sound), puedes usar import absolutos para referirte a submódulos de paquetes hermanos. Por ejemplo, si el módulo sound.filters.vocoder necesita usar el módulo echo en el paquete sound.effects, puede hacer from sound.effects import echo.

También puedes escribir import relativos con la forma from module import name. Estos imports usan puntos adelante para indicar los paquetes actuales o paquetes padres involucrados en el import relativo. En el ejemplo surround, podrías hacer:

from . import echo
from .. import formats
from ..filters import equalizer

Note que los imports relativos se basan en el nombre del módulo actual. Ya que el nombre del módulo principal es siempre "__main__", los módulos pensados para usarse como módulo principal de una aplicación Python siempre deberían usar import absolutos.

6.4.3. Paquetes en múltiples directorios

Los paquetes soportan un atributo especial más, __path__. Este se inicializa a una lista que contiene el nombre del directorio donde está el archivo __init__.py del paquete, antes de que el código en ese archivo se ejecute. Esta variable puede modificarse, afectando búsquedas futuras de módulos y subpaquetes contenidos en el paquete.

Aunque esta característica no se necesita frecuentemente, puede usarse para extender el conjunto de módulos que se encuentran en el paquete.

Notas al pie

1

De hecho, las definiciones de funciones también son «declaraciones» que se «ejecutan»; la ejecución de una definición de función a nivel de módulo, ingresa el nombre de la función en el espacio de nombres global del módulo.