6. Módulos

Ao sair e entrar de novo no interpretador Python, as definições anteriores (funções e variáveis) são perdidas. Portanto, se quiser escrever um programa maior, será mais eficiente usar um editor de texto para preparar as entradas para o interpretador, e executá-lo usando o arquivo como entrada. Isso é conhecido como criar um script. Se o programa se torna ainda maior, é uma boa prática dividi-lo em arquivos menores, para facilitar a manutenção. Também é preferível usar um arquivo separado para uma função que você escreveria em vários programas diferentes, para não copiar a definição de função em cada um deles.

Para permitir isso, Python tem uma maneira de colocar as definições em um arquivo e então usá-las em um script ou em uma execução interativa do interpretador. Tal arquivo é chamado de módulo; definições de um módulo podem ser importadas para outros módulos, ou para o módulo principal (a coleção de variáveis a que você tem acesso num script executado como um programa e no modo calculadora).

Um módulo é um arquivo contendo definições e instruções Python. O nome do arquivo é o nome do módulo acrescido do sufixo .py. Dentro de um módulo, o nome do módulo (como uma string) está disponível como o valor da variável global __name__. Por exemplo, use seu editor de texto favorito para criar um arquivo chamado fibo.py no diretório atual com o seguinte conteúdo:

# 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

Agora, entre no interpretador Python e importe esse módulo com o seguinte comando:

>>> import fibo

Isso não adiciona os nomes das funções definidas em fibo diretamente ao espaço de nomes atual (veja Escopos e espaços de nomes do Python para mais detalhes); isso adiciona somente o nome do módulo fibo. Usando o nome do módulo você pode acessar as funções:

>>> 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'

Se você pretende usar uma função muitas vezes, você pode atribui-lá a um nome local:

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

6.1. Mais sobre módulos

Um módulo pode conter tanto instruções executáveis quanto definições de funções e classes. Essas instruções servem para inicializar o módulo. Eles são executados somente na primeira vez que o módulo é encontrado em uma instrução de importação. [1] (Também rodam se o arquivo é executado como um script.)

Cada módulo tem seu próprio espaço de nomes privado, que é usado como espaço de nomes global para todas as funções definidas no módulo. Assim, o autor de um módulo pode usar variáveis globais no seu módulo sem se preocupar com conflitos acidentais com as variáveis globais do usuário. Por outro lado, se você precisar usar uma variável global de um módulo, poderá fazê-lo com a mesma notação usada para se referir às suas funções, nomemodulo.nomeitem.

Módulos podem importar outros módulos. É costume, porém não obrigatório, colocar todas as instruções import no início do módulo (ou script , se preferir). As definições do módulo importado, se colocados no nível de um módulo (fora de quaisquer funções ou classes), elas são adicionadas a espaço de nomes global da módulo.

Existe uma variante da instrução import que importa definições de um módulo diretamente para o espaço de nomes do módulo importador. Por exemplo:

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

Isso não coloca o nome do módulo de onde foram feitas as importações no espaço de nomes local (assim, no exemplo, fibo não está definido).

Existe ainda uma variante que importa todos os nomes definidos em um módulo:

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

Isso importa todos as declarações de nomes, exceto aqueles que iniciam com um sublinhado (_). Na maioria dos casos, programadores Python não usam esta facilidade porque ela introduz um conjunto desconhecido de nomes no ambiente, podendo esconder outros nomes previamente definidos.

Note que, em geral, a prática do import * de um módulo ou pacote é desaprovada, uma vez que muitas vezes dificulta a leitura do código. Contudo, é aceitável para diminuir a digitação em sessões interativas.

Se o nome do módulo é seguido pela palavra-chave as, o nome a seguir é vinculado diretamente ao módulo importado.

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

Isto efetivamente importa o módulo, da mesma maneira que import fibo fará, com a única diferença de estar disponível com o nome fib.

Também pode ser utilizado com a palavra-chave from, com efeitos 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

For efficiency reasons, each module is only imported once per interpreter session. Therefore, if you change your modules, you must restart the interpreter – or, if it’s just one module you want to test interactively, use importlib.reload(), e.g. import importlib; importlib.reload(modulename).

6.1.1. Executando módulos como scripts

Quando você rodar um módulo Python com

python fibo.py <arguments>

o código no módulo será executado, da mesma forma que quando é importado, mas com a variável __name__ com valor "__main__". Isto significa que adicionando este código ao final do seu módulo:

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

você pode tornar o arquivo utilizável tanto como script quanto como um módulo importável, porque o código que analisa a linha de comando só roda se o módulo é executado como arquivo “principal”:

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

Se o módulo é importado, o código não é executado:

>>> import fibo
>>>

Isso é frequentemente usado para fornecer uma interface de usuário conveniente para um módulo, ou para realizar testes (rodando o módulo como um script executa um conjunto de testes).

6.1.2. O caminho de busca dos módulos

Quando um módulo chamado spam é importado, o interpretador procura um módulo embutido com este nome. Estes nomes de módulo são listados em sys.builtin_module_names. Se não encontra, procura um arquivo chamado spam.py em uma lista de diretórios incluídos na variável sys.path. A sys.path é inicializada com estes locais:

• O diretório que contém o script importador (ou o diretório atual quando nenhum arquivo é especificado).

• A variável de ambiente PYTHONPATH (uma lista de nomes de diretórios, com a mesma sintaxe da variável de ambiente PATH).

• O padrão dependente da instalação (por convenção, incluindo um diretório site-packages, tratado pelo módulo site).

Mais detalhes em A inicialização do caminho de pesquisa de módulos sys.path.

Nota

Nos sistemas de arquivos que suportam links simbólicos, o diretório contendo o script de entrada é resultante do diretório apontado pelo link simbólico. Em outras palavras o diretório que contém o link simbólico não é adicionado ao caminho de busca de módulos.

Após a inicialização, programas Python podem modificar sys.path. O diretório que contém o script sendo executado é colocado no início da lista de caminhos, à frente do caminho da biblioteca padrão. Isto significa que módulos nesse diretório serão carregados, no lugar de módulos com o mesmo nome na biblioteca padrão. Isso costuma ser um erro, a menos que seja intencional. Veja a seção Módulos padrões para mais informações.

6.1.3. Arquivos Python “compilados”

Para acelerar o carregamento de módulos, o Python guarda versões compiladas de cada módulo no diretório __pycache__ com o nome modulo.versão.pyc, onde a versão corresponde ao formato do arquivo compilado; geralmente contêm o número da versão Python utilizada. Por exemplo, no CPython release 3.3 a versão compilada de spam.py será guardada como __pycache__/spam.cpython-33.pyc. Esta convenção de nomes permite a coexistência de módulos compilados de diferentes releases e versões de Python.

O Python verifica a data de modificação do arquivo fonte mediante a versão compilada, para ver se está desatualizada e precisa ser recompilada. É um processo completamente automático. Além disso, os módulos compilados são independentes de plataforma, portanto a mesma biblioteca pode ser compartilhada entre sistemas de arquiteturas diferentes.

O Python não verifica as versões compiladas em duas circunstâncias. Primeiro, sempre recompila e não armazena o resultado para módulos carregados diretamente da linha de comando. Segundo, não verifica se não houver um módulo fonte. Para suportar uma distribuição sem fontes (somente as versões compiladas), o módulo compilado deve estar no diretório de fontes, e não deve haver um módulo fonte.

Algumas dicas para especialistas:

• Você pode usar as opções -O ou -OO no comando Python para reduzir o tamanho de um módulo compilado. A opção -O remove as instruções assert, e a opção -OO remove, além das instruções assert, as strings de documentações. Como alguns programas podem contar com essa disponibilidade, só use essa opção se souber o que está fazendo. Módulos “otimizados” tem uma marcação opt- e são geralmente de menor tamanho. Futuros releases podem mudar os efeitos da otimização.

• Um programa não roda mais rápido quando é lido de um arquivo .pyc do que quando lido de um arquivo .py; a única coisa que é mais rápida com arquivos .pyc é sua velocidade de carregamento.

• O módulo compileall pode criar arquivos .pyc para todos os módulos de um diretório.

• Há mais detalhes desse processo, incluindo um fluxograma de decisões, no PEP 3147.

6.2. Módulos padrões

O Python traz uma biblioteca padrão de módulos, descrita em um documento em separado, a Referência da Biblioteca Python (doravante “Referência da Biblioteca”). Alguns módulos estão embutidos no interpretador; estes possibilitam acesso a operações que não são parte do núcleo da linguagem, mas estão no interpretador seja por eficiência ou para permitir o acesso a chamadas do sistema operacional. O conjunto destes módulos é uma opção de configuração que depende também da plataforma utilizada. Por exemplo, o módulo winreg só está disponível em sistemas Windows. Existe um módulo que requer especial atenção: sys, que é embutido em qualquer interpretador Python. As variáveis sys.ps1 e sys.ps2 definem as strings utilizadas como prompt primário e secundário:

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

Essas variáveis só estão definidas se o interpretador está em modo interativo.

A variável sys.path contém uma lista de strings que determina os caminhos de busca de módulos conhecidos pelo interpretador. Ela é inicializada para um caminho padrão, determinado pela variável de ambiente PYTHONPATH, ou por um valor padrão embutido, se PYTHONPATH não estiver definida. Você pode modificá-la com as operações típicas de lista, por exemplo:

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

6.3. A função dir()

A função embutida dir() é usada para descobrir quais nomes são definidos por um módulo. Ela devolve uma lista ordenada de strings:

>>> 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']

Sem argumentos, dir() lista os nomes atualmente definidos:

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

Observe que ela lista todo tipo de nomes: variáveis, módulos, funções, etc.

dir() não lista os nomes de variáveis e funções embutidas. Esta lista está disponível no módulo padrão 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. Pacotes

Os pacotes são uma maneira de estruturar o “espaço de nomes” dos módulos Python, usando “nomes de módulo com pontos”. Por exemplo, o nome do módulo A.B designa um submódulo chamado B, em um pacote chamado A. Assim como o uso de módulos evita que os autores de módulos diferentes tenham que se preocupar com nomes de variáveis globais, o uso de nomes de módulos com pontos evita que os autores de pacotes com muitos módulos, como NumPy ou Pillow, tenham que se preocupar com os nomes dos módulos uns dos outros.

Suponha que você queira projetar uma coleção de módulos (um “pacote”) para o gerenciamento uniforme de arquivos de som. Existem muitos formatos diferentes (normalmente identificados pela extensão do nome de arquivo, por exemplo .wav, .aiff, .au), de forma que você pode precisar criar e manter uma crescente coleção de módulos de conversão entre formatos. Ainda podem existir muitas operações diferentes, passíveis de aplicação sobre os arquivos de som (mixagem, eco, equalização, efeito stereo artificial). Logo, possivelmente você também estará escrevendo uma coleção sempre crescente de módulos para aplicar estas operações. Eis uma possível estrutura para o seu pacote (expressa em termos de um sistema de arquivos hierárquico):

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
              ...

Ao importar esse pacote, Python busca pelo subdiretório com mesmo nome, nos diretórios listados em sys.path.

Os arquivos __init__.py são necessários para que o Python trate diretórios contendo o arquivo como pacotes (a menos que se esteja usando um pacote de espaço de nomes, um recurso relativamente avançado). Isso impede que diretórios com um nome comum, como string, ocultem, involuntariamente, módulos válidos que ocorrem posteriormente no caminho de busca do módulo. No caso mais simples, __init__.py pode ser apenas um arquivo vazio, mas pode também executar código de inicialização do pacote, ou configurar a variável __all__, descrita mais adiante.

Usuários do pacote podem importar módulos individuais, por exemplo:

import sound.effects.echo

Isso carrega o submódulo sound.effects.echo. Ele deve ser referenciado com seu nome completo, como em:

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

Uma maneira alternativa para a importação desse módulo é:

from sound.effects import echo

Isso carrega o submódulo echo sem necessidade de mencionar o prefixo do pacote no momento da utilização, assim:

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

Também é possível importar diretamente uma única variável ou função:

from sound.effects.echo import echofilter

Novamente, isso carrega o submódulo echo, mas a função echofilter() está acessível diretamente sem prefixo:

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

Observe que ao utilizar from pacote import item, o item pode ser um subpacote, submódulo, classe, função ou variável. A instrução import primeiro testa se o item está definido no pacote, senão presume que é um módulo e tenta carregá-lo. Se falhar em encontrar o módulo, uma exceção ImportError é levantada.

Em oposição, em uma construção como import item.subitem.subsubitem, cada item, com exceção do último, deve ser um pacote. O último pode ser também um pacote ou módulo, mas nunca uma classe, função ou variável contida em um módulo.

6.4.1. Importando * de um pacote

Agora, o que acontece quando um usuário escreve from sound.effects import * ? Idealmente, poderia se esperar que este comando vasculhasse o sistema de arquivos, encontrasse todos os submódulos presentes no pacote, e os importasse. Isso poderia demorar muito e a importação de submódulos pode ocasionar efeitos colaterais, que somente deveriam ocorrer quando o submódulo é explicitamente importado.

A única solução é o autor do pacote fornecer um índice explícito do pacote. A instrução import usa a seguinte convenção: se o arquivo __init__.py do pacote define uma lista chamada __all__, então esta lista indica os nomes dos módulos a serem importados quando a instrução from pacote import * é acionada. Fica a cargo do autor do pacote manter esta lista atualizada, inclusive fica a seu critério excluir inteiramente o suporte a importação direta de todo o pacote através de from pacote import *. Por exemplo, o arquivo sounds/effects/__init__.py poderia conter apenas:

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

Isso significaria que from sound.effects import * importaria os três submódulos nomeados do pacote sound.effects.

Esteja ciente de que os submódulos podem ficar sobrepostos por nomes definidos localmente. Por exemplo, se você adicionou uma função reverse ao arquivo sound/effects/__init__.py, usar from sound.effects import * só importaria os dois submódulos echo e surround, mas não o submódulo reverse, porque ele fica sobreposto pela função reverse definida localmente:

__all__ = [
    "echo",      # refers to the 'echo.py' file
    "surround",  # refers to the 'surround.py' file
    "reverse",   # !!! refers to the 'reverse' function now !!!
]

def reverse(msg: str):  # <-- this name shadows the 'reverse.py' submodule
    return msg[::-1]    #     in the case of a 'from sound.effects import *'

Se __all__ não estiver definido, a instrução from sound.effects import * não importa todos os submódulos do pacote sound.effects no espaço de nomes atual. Há apenas garantia que o pacote sound.effects foi importado (possivelmente executando qualquer código de inicialização em __init__.py) juntamente com os nomes definidos no pacote. Isso inclui todo nome definido em __init__.py bem como em qualquer submódulo importado a partir deste. Também inclui quaisquer submódulos do pacote que tenham sido carregados explicitamente por instruções import anteriores. Considere o código abaixo:

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

Nesse exemplo, os módulos echo e surround são importados no espaço de nomes atual, no momento em que a instrução from...import é executada, pois estão definidos no pacote sound.effects. (Isso também funciona quando __all__ estiver definida.)

Apesar de que certos módulos são projetados para exportar apenas nomes conforme algum critério quando se faz import *, ainda assim essa sintaxe é considerada uma prática ruim em código de produção.

Lembre-se, não há nada errado em usar from pacote import submodulo_especifico! De fato, essa é a notação recomendada, a menos que o módulo importado necessite usar submódulos com o mesmo nome, de diferentes pacotes.

6.4.2. Referências em um mesmo pacote

Quando pacotes são estruturados em subpacotes (como no pacote sound do exemplo), pode-se usar a sintaxe de importações absolutas para se referir aos submódulos de pacotes irmãos (o que na prática é uma forma de fazer um import relativo, a partir da base do pacote). Por exemplo, se o módulo sound.filters.vocoder precisa usar o módulo echo do pacote sound.effects, é preciso importá-lo com from sound.effects import echo.

Também é possível escrever imports relativos, com a forma from module import name. Esses imports usam pontos para indicar o pacote pai e o atual, envolvidos no import relativo. Do módulo surround, por exemplo, pode-se usar:

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

Note que imports relativos são baseados no nome do módulo atual. Uma vez que o nome do módulo principal é sempre "__main__", módulos destinados ao uso como módulo principal de um aplicativo Python devem sempre usar imports absolutos.

6.4.3. Pacotes em múltiplos diretórios

Pacotes possuem mais um atributo especial, __path__. Inicializado como uma lista contendo o nome do diretório onde está o arquivo __init__.py do pacote, antes do código naquele arquivo ser executado. Esta variável pode ser modificada; isso afeta a busca futura de módulos e subpacotes contidos no pacote.

Apesar de não ser muito usado, esse mecanismo permite estender o conjunto de módulos encontrados em um pacote.

Notas de rodapé

[1]

[#] Na verdade, definições de funções também são ‘instruções’ que são ‘executados’; a execução da definição de uma função adiciona o nome da função no espaço de nomes global do módulo.