# 6. 模块

退出 Python 解释器后，再次进入时，之前在 Python 解释器中定义的函数和变量就丢失了。因此，编写较长程序时，建议用文本编辑器代替解释器，执行文件中的输入内容，这就是编写 脚本 。随着程序越来越长，为了方便维护，最好把脚本拆分成多个文件。编写脚本还一个好处，不同程序调用同一个函数时，不用每次把函数复制到各个程序。

为实现这些需求，Python 把各种定义存入一个文件，在脚本或解释器的交互式实例中使用。这个文件就是 模块 ；模块中的定义可以 导入 到其他模块或 主 模块（在顶层和计算器模式下，执行脚本中可访问的变量集）。

模块是包含 Python 定义和语句的文件。其文件名是模块名加后缀名 `.py` 。在模块内部，通过全局变量 `__name__` 可以获取模块名（即字符串）。例如，用文本编辑器在当前目录下创建 `fibo.py` 文件，输入以下内容：

    # 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，用以下命令导入该模块：

    >>> import fibo

这项操作不直接把 `fibo` 函数定义的名称导入到当前符号表，只导入模块名 `fibo` 。要使用模块名访问函数：

    >>> 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'

如果经常使用某个函数，可以把它赋值给局部变量：

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

## 6.1. 模块详解

模块包含可执行语句及函数定义。这些语句用于初始化模块，且仅在 import 语句 第一次 遇到模块名时执行。1 (文件作为脚本运行时，也会执行这些语句。)

模块有自己的私有符号表，用作模块中所有函数的全局符号表。因此，在模块内使用全局变量时，不用担心与用户定义的全局变量发生冲突。另一方面，可以用与访问模块函数一样的标记法，访问模块的全局变量，`modname.itemname`。

可以把其他模块导入模块。按惯例，所有 `import` 语句都放在模块（或脚本）开头，但这不是必须的。导入的模块名存在导入模块的全局符号表里。

`import` 语句有一个变体，可以直接把模块里的名称导入到另一个模块的符号表。例如：

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

这段代码不会把模块名导入到局部符号表里（因此，本例没有定义 `fibo`）。

还有一种变体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

这种方式会导入所有不以下划线（`_`）开头的名称。大多数情况下，不要用这个功能，这种方式向解释器导入了一批未知的名称，可能会覆盖已经定义的名称。

注意，一般情况下，不建议从模块或包内导入 `*`， 因为，这项操作经常让代码变得难以理解。不过，为了在交互式编译器中少打几个字，这么用也没问题。

模块名后使用 `as` 时，直接把 `as` 后的名称与导入模块绑定。

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

与 `import fibo` 一样，这种方式也可以有效地导入模块，唯一的区别是，导入的名称是 `fib`。

`from` 中也可以使用这种方式，效果类似：

    >>> 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

为了保证运行效率，每次解释器会话只导入一次模块。如果更改了模块内容，必须重启解释器；仅交互测试一个模块时，也可以使用 `importlib.reload()`，例如 `import importlib; importlib.reload(modulename)`。

### 6.1.1. 以脚本方式执行模块

可以用以下方式运行 Python 模块：

    python fibo.py <arguments>

这项操作将执行模块里的代码，和导入模块一样，但会把 `__name__` 赋值为 `"__main__"`。 也就是把下列代码添加到模块末尾：

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

既可以把这个文件当脚本使用，也可以用作导入的模块， 因为，解析命令行的代码只有在模块以 “main” 文件执行时才会运行：

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

导入模块时，不运行这些代码：

    >>> import fibo
    >>>

这种操作常用于为模块提供便捷用户接口，或用于测试（把模块当作执行测试套件的脚本运行）。

### 6.1.2. 模块搜索路径

导入 `spam` 模块时，解释器首先查找名为 spam 的内置模块。如果没找到，解释器再从 `sys.path` 变量中的目录列表里查找 `spam.py` 文件。`sys.path` 初始化时包含以下位置：

- 输入脚本的目录（或未指定文件时的当前目录）。

- `PYTHONPATH` （目录列表，与 shell 变量 `PATH` 的语法一样）。

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

注解

在支持 symlink 的文件系统中，输入脚本目录是在追加 symlink 后计算出来的。换句话说，包含 symlink 的目录并 没有 添加至模块搜索路径。

初始化后，Python 程序可以更改 `sys.path`。运行脚本的目录在标准库路径之前，置于搜索路径的开头。即，加载的是该目录里的脚本，而不是标准库的同名模块。 除非刻意替换，否则会报错。详见 标准模块。

### 6.1.3. “已编译的” Python 文件

为了快速加载模块，Python 把模块的编译版缓存在 `__pycache__` 目录中，文件名为 `module.version.pyc`，version 对编译文件格式进行编码，一般是 Python 的版本号。例如，CPython 的 3.3 发行版中，spam.py 的编译版本缓存为 `__pycache__/spam.cpython-33.pyc`。使用这种命名惯例，可以让不同 Python 发行版及不同版本的已编译模块共存。

Python 对比编译版本与源码的修改日期，查看它是否已过期，是否要重新编译，此过程完全自动化。此外，编译模块与平台无关，因此，可在不同架构系统之间共享相同的支持库。

Python 在两种情况下不检查缓存。其一，从命令行直接载入模块，只重新编译，不存储编译结果；其二，没有源模块，就不会检查缓存。为了支持无源文件（仅编译）发行版本， 编译模块必须在源目录下，并且绝不能有源模块。

给专业人士的一些小建议：

- 在 Python 命令中使用 `-O` 或 `-OO` 开关，可以减小编译模块的大小。`-O` 去除断言语句，`-OO` 去除断言语句和 __doc__ 字符串。有些程序可能依赖于这些内容，因此，没有十足的把握，不要使用这两个选项。“优化过的”模块带有 `opt-` 标签，并且文件通常会一小些。将来的发行版或许会改进优化的效果。

- 从 `.pyc` 文件读取的程序不比从 `.py` 读取的执行速度快，`.pyc` 文件只是加载速度更快。

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

- 本过程的细节及决策流程图，详见 PEP 3147。

## 6.2. 标准模块

Python 附带了标准模块库，详见 Python 标准库参考手册（以下简称为“库参考”）。解释器中内置了一些模块，用于访问不属于语言核心的内置操作，其目的主要是为了提高运行效率，或访问系统调用等操作系统原语。这些模块的集合是依赖于底层平台的配置选项。例如，`winreg` 模块仅供 Windows 使用。特别要注意内嵌到 Python 解释器中的模块 `sys`。变量 `sys.ps1` 和 `sys.ps2` 则用来定义主次提示的字符串：

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

只有解释器用于交互模式时，才定义这两个变量。

变量 `sys.path` 是字符串列表，用于确定解释器的模块搜索路径。该变量以环境变量 `PYTHONPATH` 提取的默认路径进行初始化，如未设置 `PYTHONPATH`，则使用内置的默认路径。可以用标准列表操作修改该变量：

    >>> 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。返回结果是经过排序的字符串列表：

    >>> 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']

没有参数时，`dir()` 列出当前定义的名称：

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

注意，该函数列出所有类型的名称：变量、模块、函数等。

`dir()` 不会列出内置函数和变量的名称。这些内容的定义在标准模块 `builtins` 里：

    >>> 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

包是一种用“点式模块名”构造 Python 模块命名空间的方法。例如，模块名 `A.B` 表示包 `A` 中名为 `B` 的子模块。正如模块可以区分不同模块之间的全局变量名称一样，点式模块名可以区分 NumPy 或 Pillow 等不同多模块包之间的模块名称。

假设要为统一处理声音文件与声音数据设计一个模块集（“包”）。声音文件的格式很多（通常以扩展名来识别，例如：`.wav`， `.aiff`， `.au`），因此，为了不同文件格式之间的转换，需要创建和维护一个不断增长的模块集合。为了实现对声音数据的不同处理（例如，混声、添加回声、均衡器功能、创造人工立体声效果），还要编写无穷无尽的模块流。下面这个分级文件树展示了这个包的架构：

    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
                  ...

导入包时，Python 搜索 `sys.path` 里的目录，查找包的子目录。

Python 只把含 `__init__.py` 文件的目录当成包。这样可以防止以 `string` 等通用名称命名的目录，无意中屏蔽出现在后方模块搜索路径中的有效模块。 最简情况下，`__init__.py` 只是一个空文件，但该文件也可以执行包的初始化代码，或设置 `__all__` 变量，详见下文。

还可以从包中导入单个模块，例如：

    import sound.effects.echo

这段代码加载子模块 `sound.effects.echo` ，但引用时必须使用子模块的全名：

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

另一种导入子模块的方法是 ：

    from sound.effects import echo

这段代码还可以加载子模块 `echo` ，不加包前缀也可以使用。因此，可以按如下方式使用：

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

Import 语句的另一种变体是直接导入所需的函数或变量：

    from sound.effects.echo import echofilter

同样，这样也会加载子模块 `echo`，但可以直接使用函数 `echofilter()`：

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

注意，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函数、类或变量等其他名称。`import` 语句首先测试包中是否定义了 item；如果未在包中定义，则假定 item 是模块，并尝试加载。如果找不到 item，则触发 `ImportError` 异常。

相反，使用 `import item.subitem.subsubitem` 句法时，除最后一项外，每个 item 都必须是包；最后一项可以是模块或包，但不能是上一项中定义的类、函数或变量。

### 6.4.1. 从包中导入 *

使用 `from sound.effects import *` 时会发生什么？理想情况下，该语句在文件系统查找并导入包的所有子模块。这项操作花费的时间较长，并且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。

唯一的解决方案是提供包的显式索引。`import` 语句使用如下惯例：如果包的 `__init__.py` 代码定义了列表 `__all__`，运行 `from package import *` 时，它就是用于导入的模块名列表。发布包的新版本时，包的作者应更新此列表。如果包的作者认为没有必要在包中执行导入 * 操作，也可以不提供此列表。例如，`sound/effects/__init__.py` 文件包含以下代码：

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

即，`from sound.effects import *` 将导入 `sound` 包中的这三个命名子模块。

如果没有定义 `__all__`，`from sound.effects import *` 语句 不会 把包 `sound.effects` 中所有子模块都导入到当前命名空间；该语句只确保导入包 `sound.effects` （可能还会运行 `__init__.py` 中的初始化代码），然后，再导入包中定义的名称。这些名称包括 `__init__.py` 中定义的任何名称（以及显式加载的子模块），还包括之前 `import` 语句显式加载的包里的子模块。请看以下代码：

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

本例中，执行 `from...import` 语句时，将把 `echo` 和 `surround` 模块导入至当前命名空间，因为，它们是在 `sound.effects` 包里定义的。（该导入操作在定义了 `__all__` 时也有效。）

虽然，可以把模块设计为用 `import *` 时只导出遵循指定模式的名称，但仍不提倡在生产代码中使用这种做法。

记住，使用 `from package import specific_submodule` 没有任何问题！ 实际上，除了导入模块使用不同包的同名子模块之外，这种方式是推荐用法。

### 6.4.2. 子包参考

包中含有多个子包时（与示例中的 `sound` 包一样），可以使用绝对导入引用兄弟包中的子模块。例如，要在模块 `sound.filters.vocoder` 中使用 `sound.effects` 包的 `echo` 模块时，可以用 `from sound.effects import echo` 导入。

还可以用 import 语句的 `from module import name` 形式执行相对导入。这些导入语句使用前导句点表示相对导入中的当前包和父包。例如，相对于 `surround` 模块，可以使用：

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

注意，相对导入基于当前模块名。因为主模块名是 `"__main__"` ，所以 Python 程序的主模块必须始终使用绝对导入。

### 6.4.3. 多目录中的包

包还支持特殊属性 `__path__`。该属性初始化为在包的 `__init__.py` 文件中的代码执行前所在的目录名列表。这个变量可以修改，但这样做会影响将来搜索包中模块和子包的操作。

这个功能虽然不常用，但可用于扩展包中的模块集。

脚注

1

  实际上，函数定义也是“可执行”的“语句”；执行模块级函数定义时，函数名将被导入到模块的全局符号表。