6. 模块
*******

如果你从Python解释器退出并再次进入，之前的定义（函数和变量）都会丢失。
因此，如果你想编写一个稍长些的程序，最好使用文本编辑器为解释器准备输入
并将该文件作为输入运行。这被称作编写 *脚本* 。随着程序变得越来越长，你
或许会想把它拆分成几个文件，以方便维护。你亦或想在不同的程序中使用一个
便捷的函数， 而不必把这个函数复制到每一个程序中去。

为支持这些，Python有一种方法可以把定义放在一个文件里，并在脚本或解释器
的交互式实例中使用它们。这样的文件被称作 *模块* ；模块中的定义可以 *导
入* 到其它模块或者 *主* 模块（你在顶级和计算器模式下执行的脚本中可以访
问的变量集合）。

模块是一个包含Python定义和语句的文件。文件名就是模块名后跟文件后缀
".py" 。在一个模块内部，模块名（作为一个字符串）可以通过全局变量
"__name__" 的值获得。例如，使用你最喜爱的文本编辑器在当前目录下创建一
个名为 "fibo.py" 的文件， 文件中含有以下内容:

   # 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

现在进入Python解释器，并用以下命令导入该模块:

   >>> import fibo

在当前的符号表中，这并不会直接进入到定义在 "fibo" 函数内的名称；它只是
进入到模块名 "fibo" 中。你可以用模块名访问这些函数:

   >>> 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'

如果你想经常使用某个函数，你可以把它赋值给一个局部变量:

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


6.1. 有关模块的更多信息
=======================

模块可以包含可执行的语句以及函数定义。这些语句用于初始化模块。它们仅在
模块 *第一次* 在 import 语句中被导入时才执行。 [1] (当文件被当作脚本运
行时，它们也会执行。)

每个模块都有它自己的私有符号表，该表用作模块中定义的所有函数的全局符号
表。因此，模块的作者可以在模块内使用全局变量，而不必担心与用户的全局变
量发生意外冲突。另一方面，如果你知道自己在做什么，则可以用跟访问模块内
的函数的同样标记方法，去访问一个模块的全局变量，"modname.itemname"。

模块可以导入其它模块。习惯上但不要求把所有 "import" 语句放在模块（或脚
本）的开头。被导入的模块名存放在调入模块的全局符号表中。

"import" 语句有一个变体，它可以把名字从一个被调模块内直接导入到现模块
的符号表里。例如:

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

这并不会把被调模块名引入到局部变量表里（因此在这个例子里，"fibo" 是未
被定义的）。

还有一个变体甚至可以导入模块内定义的所有名称:

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

这会调入所有非以下划线（"_"）开头的名称。 在多数情况下，Python程序员都
不会使用这个功能，因为它在解释器中引入了一组未知的名称，而它们很可能会
覆盖一些你已经定义过的东西。

注意通常情况下从一个模块或者包内调入 "*" 的做法是不太被接受的， 因为这
通常会导致代码的可读性很差。不过，在交互式编译器中为了节省打字可以这么
用。

如果模块名称之后带有 "as"，则跟在 "as" 之后的名称将直接绑定到所导入的
模块。

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

这会和 "import fibo" 方式一样有效地调入模块， 唯一的区别是它以 "fib"
的名称存在的。

这种方式也可以在用到 "from" 的时候使用，并会有类似的效果:

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

注解:

  出于效率的考虑，每个模块在每个解释器会话中只被导入一次。因此，如果你
  更改了你的模块，则必须重新启动解释器， 或者，如果它只是一个要交互式
  地测试的模块，请使用 "importlib.reload()"，例如 "import importlib;
  importlib.reload(modulename)"。


6.1.1. 以脚本的方式执行模块
---------------------------

当你用下面方式运行一个Python模块:

   python fibo.py <arguments>

模块里的代码会被执行，就好像你导入了模块一样，但是 "__name__" 被赋值为
""__main__""。 这意味着通过在你的模块末尾添加这些代码:

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

你既可以把这个文件当作脚本又可当作一个可调入的模块来使用， 因为那段解
析命令行的代码只有在当模块是以“main”文件的方式执行的时候才会运行:

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

如果模块是被导入的，那些代码是不运行的:

   >>> import fibo
   >>>

这经常用于为模块提供一个方便的用户接口，或用于测试（以脚本的方式运行模
块从而执行一些测试套件）。


6.1.2. 模块搜索路径
-------------------

当一个名为 "spam" 的模块被导入的时候，解释器首先寻找具有该名称的内置模
块。如果没有找到，然后解释器从 "sys.path" 变量给出的目录列表里寻找名为
"spam.py" 的文件。"sys.path" 初始有这些目录地址:

* 包含输入脚本的目录（或者未指定文件时的当前目录）。

* "PYTHONPATH" （一个包含目录名称的列表，它和shell变量 "PATH" 有一样的
  语法）。

* 取决于安装的默认设置

注解:

  在支持符号链接的文件系统上，包含输入脚本的目录是在追加符号链接后才计
  算出来的。换句话说，包含符号链接的目录并 **没有** 被添加到模块的搜索
  路径上。

在初始化后，Python程序可以更改 "sys.path"。包含正在运行脚本的文件目录
被放在搜索路径的开头处， 在标准库路径之前。这意味着将加载此目录里的脚
本，而不是标准库中的同名模块。 除非有意更换，否则这是错误。更多信息请
参阅 标准模块。


6.1.3. “编译过的”Python文件
---------------------------

为了加速模块载入，Python在 "__pycache__" 目录里缓存了每个模块的编译后
版本，名称为 "module.*version*.pyc" ，其中名称中的版本字段对编译文件的
格式进行编码； 它一般使用Python版本号。例如，在CPython版本3.3中，
spam.py的编译版本将被缓存为 "__pycache__/spam.cpython-33.pyc"。此命名
约定允许来自不同发行版和不同版本的Python的已编译模块共存。

Python根据编译版本检查源的修改日期，以查看它是否已过期并需要重新编译。
这是一个完全自动化的过程。此外，编译的模块与平台无关，因此可以在具有不
同体系结构的系统之间共享相同的库。

Python在两种情况下不会检查缓存。首先，对于从命令行直接载入的模块，它从
来都是重新编译并且不存储编译结果；其次，如果没有源模块，它不会检查缓存
。为了支持无源文件（仅编译）发行版本， 编译模块必须是在源目录下，并且
绝对不能有源模块。

给专业人士的一些小建议:

* 你可以在Python命令中使用 "-O" 或者 "-OO" 开关， 以减小编译后模块的大
  小。 "-O" 开关去除断言语句，"-OO" 开关同时去除断言语句和 __doc__ 字
  符串。由于有些程序可能依赖于这些，你应当只在清楚自己在做什么时才使用
  这个选项。“优化过的”模块有一个 "opt-" 标签并且通常小些。将来的发行版
  本或许会更改优化的效果。

* 一个从 ".pyc" 文件读出的程序并不会比它从 ".py" 读出时运行的更快，
  ".pyc" 文件唯一快的地方在于载入速度。

* "compileall" 模块可以为一个目录下的所有模块创建.pyc文件。

* 关于这个过程，**PEP 3147** 中有更多细节，包括一个决策流程图。


6.2. 标准模块
=============

Python附带了一个标准模块库，在单独的文档Python库参考（以下称为“库参考”
）中进行了描述。一些模块内置于解释器中；它们提供对不属于语言核心但仍然
内置的操作的访问，以提高效率或提供对系统调用等操作系统原语的访问。这些
模块的集合是一个配置选项，它也取决于底层平台。例如，"winreg" 模块只在
Windows操作系统上提供。一个特别值得注意的模块 "sys"，它被内嵌到每一个
Python解释器中。变量 "sys.ps1" 和 "sys.ps2" 定义用作主要和辅助提示的字
符串:

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

这两个变量只有在编译器是交互模式下才被定义。

"sys.path" 变量是一个字符串列表，用于确定解释器的模块搜索路径。该变量
被初始化为从环境变量 "PYTHONPATH" 获取的默认路径，或者如果
"PYTHONPATH" 未设置，则从内置默认路径初始化。你可以使用标准列表操作对
其进行修改:

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


6.3. "dir()" 函数
=================

内置函数 "dir()" 用于查找模块定义的名称。 它返回一个排序过的字符串列表
:

   >>> 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']

如果没有参数，"dir()" 会列出你当前定义的名称:

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

注意：它列出所有类型的名称：变量，模块，函数，等等。

"dir()" 不会列出内置函数和变量的名称。如果你想要这些，它们的定义是在标
准模块 "builtins" 中:

   >>> 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. 包
=======

包是一种通过用“带点号的模块名”来构造 Python 模块命名空间的方法。 例如
，模块名 "A.B" 表示 "A" 包中名为 "B" 的子模块。正如模块的使用使得不同
模块的作者不必担心彼此的全局变量名称一样，使用加点的模块名可以使得
NumPy 或 Pillow 等多模块软件包的作者不必担心彼此的模块名称一样。

假设你想为声音文件和声音数据的统一处理，设计一个模块集合（一个“包”）。
由于存在很多不同的声音文件格式（通常由它们的扩展名来识别，例如：".wav"
， ".aiff"， ".au"），因此为了不同文件格式间的转换，你可能需要创建和维
护一个不断增长的模块集合。 你可能还想对声音数据还做很多不同的处理（例
如，混声，添加回声，使用均衡器功能，创造人工立体声效果）， 因此为了实
现这些处理，你将另外写一个无穷尽的模块流。这是你的包的可能结构（以分层
文件系统的形式表示）：

   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
                 ...

当导入这个包时，Python搜索 "sys.path" 里的目录，查找包的子目录。

必须要有 "__init__.py" 文件才能让 Python 将包含该文件的目录当作包。 这
样可以防止具有通常名称例如 "string" 的目录在无意中隐藏稍后在模块搜索路
径上出现的有效模块。 在最简单的情况下，"__init__.py" 可以只是一个空文
件，但它也可以执行包的初始化代码或设置 "__all__" 变量，具体将在后文介
绍。

包的用户可以从包中导入单个模块，例如:

   import sound.effects.echo

这会加载子模块 "sound.effects.echo" 。但引用它时必须使用它的全名。

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

导入子模块的另一种方法是

   from sound.effects import echo

这也会加载子模块 "echo" ，并使其在没有包前缀的情况下可用，因此可以按如
下方式使用:

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

另一种形式是直接导入所需的函数或变量:

   from sound.effects.echo import echofilter

同样，这也会加载子模块 "echo"，但这会使其函数 "echofilter()" 直接可用:

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

请注意，当使用 "from package import item" 时，item可以是包的子模块（或
子包），也可以是包中定义的其他名称，如函数，类或变量。 "import" 语句首
先测试是否在包中定义了item；如果没有，它假定它是一个模块并尝试加载它。
如果找不到它，则引发 "ImportError" 异常。

相反，当使用 "import item.subitem.subsubitem" 这样的语法时，除了最后一
项之外的每一项都必须是一个包；最后一项可以是模块或包，但不能是前一项中
定义的类或函数或变量。


6.4.1. 从包中导入 *
-------------------

当用户写 "from sound.effects import *" 会发生什么？理想情况下，人们希
望这会以某种方式传递给文件系统，找到包中存在哪些子模块，并将它们全部导
入。这可能需要很长时间，导入子模块可能会产生不必要的副作用，这种副作用
只有在显式导入子模块时才会发生。

唯一的解决方案是让包作者提供一个包的显式索引。"import" 语句使用下面的
规范：如果一个包的 "__init__.py" 代码定义了一个名为 "__all__" 的列表，
它会被视为在遇到 "from package import *" 时应该导入的模块名列表。在发
布该包的新版本时，包作者可以决定是否让此列表保持更新。包作者如果认为从
他们的包中导入 * 的操作没有必要被使用，也可以决定不支持此列表。例如，
文件 "sound/effects/__init__.py" 可以包含以下代码:

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

这意味着 "from sound.effects import *" 将导入 "sound" 包的三个命名子模
块。

如果没有定义 "__all__"，"from sound.effects import *" 语句 *不* 会从包
"sound.effects" 中导入所有子模块到当前命名空间；它只确保导入了包
"sound.effects" （可能运行任何在 "__init__.py" 中的初始化代码），然后
导入包中定义的任何名称。这包括 "__init__.py`" 定义的任何名称（以及显式
加载的子模块）。它还包括由之前的 "import" 语句显式加载的包的任何子模块
。思考下面的代码:

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

在这个例子中， "echo" 和 "surround" 模块是在执行 "from...import" 语句
时导入到当前命名空间中的，因为它们定义在 "sound.effects" 包中。（这在
定义了 "__all__" 时也有效。）

虽然某些模块被设计为在使用 "import *" 时只导出遵循某些模式的名称，但在
生产代码中它仍然被认为是不好的做法。

请记住，使用 "from package import specific_submodule" 没有任何问题！
实际上，除非导入的模块需要使用来自不同包的同名子模块，否则这是推荐的表
示法。


6.4.2. 子包参考
---------------

当包被构造成子包时（与示例中的 "sound" 包一样），你可以使用绝对导入来
引用兄弟包的子模块。例如，如果模块 "sound.filters.vocoder" 需要在
"sound.effects" 包中使用 "echo" 模块，它可以使用 "from sound.effects
import echo" 。

你还可以使用import语句的 "from module import name" 形式编写相对导入。
这些导入使用前导点来指示相对导入中涉及的当前包和父包。例如，从
"surround" 模块，你可以使用:

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

请注意，相对导入是基于当前模块的名称进行导入的。由于主模块的名称总是
""__main__"" ，因此用作Python应用程序主模块的模块必须始终使用绝对导入
。


6.4.3. 多个目录中的包
---------------------

包支持另一个特殊属性， "__path__" 。它被初始化为一个列表，其中包含在执
行该文件中的代码之前保存包的文件 "__init__.py" 的目录的名称。这个变量
可以修改；这样做会影响将来对包中包含的模块和子包的搜索。

虽然通常不需要此功能，但它可用于扩展程序包中的模块集。

-[ 脚注 ]-

[1] 实际上，函数定义也是“被执行”的“语句”；模块级函数定义的执行在模块的
    全局符号表中输入该函数名。
