函式庫和擴充功能的常見問題
**************************


常見函式問題
============


如何找到可以用来做 XXX 的模块或应用？
-------------------------------------

在 代码库参考 中查找是否有适合的标准库模块。（如果你已经了解标准库的内
容，可以跳过这一步）

对于第三方软件包，请搜索 Python Package Index 或是 Google 等其他搜索引
擎。用“Python”加上一两个你需要的关键字通常会找到有用的东西。


哪裡可以找到math.py (socket.py, regex.py, 等...) 原始檔案
---------------------------------------------------------

如果找不到模块的源文件，可能它是一个内建的模块，或是使用 C，C++ 或其他
编译型语言实现的动态加载模块。这种情况下可能是没有源码文件的，类似
"mathmodule.c" 这样的文件会存放在 C 代码目录中（但不在 Python 目录中）
。

有(至少)三種Python 模組：

1. 在Python 的模組被寫成(.py)

2. 使用 C 编写的动态加载模块（.dll，.pyd，.so，.sl 等）；

3. 使用 C 编写并链接到解释器的模块，要获取此列表，输入：

      import sys
      print(sys.builtin_module_names)


我如何使Python script 執行在Unix ?
----------------------------------

你需要作兩件事:腳本程式必須可以被執行而且第一行必須"#!"開頭後面接上
Python直譯器的路徑

第一点可以用执行 "chmod +x scriptfile" 或是 "chmod 755 scriptfile" 做
到。

第二点有很多种做法，最直接的方式是：

   #!/usr/local/bin/python

在文件第一行，使用你所在平台上的 Python 解释器的路径。

如果你希望脚本不依赖 Python 解释器的具体路径，你也可以使用 **env** 程
序。假设你的 Python 解释器所在目录已经添加到了 "PATH" 环境变量中，几乎
所有的类 Unix 系统都支持下面的写法：

   #!/usr/bin/env python

*不要* 在 CGI 脚本中这样做。CGI 脚本的 "PATH" 环境变量通常会非常精简，
所以你必须使用解释器的完整绝对路径。

有时候，用户的环境变量如果太长，可能会导致 **/usr/bin/env** 执行失败；
又或者甚至根本就不存在 env 程序。在这种情况下，你可以尝试使用下面的
hack 方法（来自 Alex Rezinsky）：

   #! /bin/sh
   """:"
   exec python $0 ${1+"$@"}
   """

这样做有一个小小的缺点，它会定义脚本的 __doc__ 字符串。不过可以这样修
复：

   __doc__ = """...Whatever..."""


Python 中有 curses/termcap 包吗？
---------------------------------

对于类 Unix 系统：标准 Python 源码发行版会在 Modules 子目录中附带
curses 模块，但默认并不会编译。（注意：在 Windows 平台下不可用 ——
Windows 中没有 curses 模块。）

"curses" 模块支持基本的 curses 特性，同时也支持 ncurses 和 SYSV curses
中的很多额外功能，比如颜色、不同的字符集支持、填充和鼠标支持。这意味着
这个模块不兼容只有 BSD curses 模块的操作系统，但是目前仍在维护的系统应
该都不会存在这种情况。


Python 中存在类似 C 的 onexit() 函数的东西吗？
----------------------------------------------

"atexit" 模块提供了一个与 C 的 "onexit()" 函数类似的注册函数。


为什么我的信号处理函数不能工作？
--------------------------------

最常见的问题是信号处理函数没有正确定义参数列表。它会被这样调用：

   handler(signum, frame)

因此它应当声明为带有两个形参:

   def handler(signum, frame):
       ...


一般性的工作
============


我如何測試Python程式
--------------------

Python 带有两个测试框架。"doctest" 模块从模块的 docstring 中寻找示例并
执行，对比输出是否与 docstring 中给出的是否一致。

"unittest" 模块是一个模仿 Java 和 Smalltalk 测试框架的更棒的测试框架。

为了使测试更容易，你应该在程序中使用良好的模块化设计。程序中的绝大多数
功能都应该用函数或类方法封装 —— 有时这样做会有额外惊喜，程序会运行得更
快（因为局部变量比全局变量访问要快）。除此之外，程序应该避免依赖可变的
局部变量，这会使得测试困难许多。

程序的“全局主逻辑”应该尽量简单：

   if __name__ == "__main__":
       main_logic()

在你的程式主模組的底端

一旦你的程序已经组织为一个函数和类行为的有完整集合，你就应该编写测试函
数来检测这些行为。 可以将自动执行一系列测试的测试集关联到每个模块。 这
听起来似乎需要大量的工作，但是由于 Python 是如此简洁灵活因此它会极其容
易。 你可以通过与“生产代码”同步编写测试函数使编程更为愉快和有趣，因为
这将更容易并更早发现代码问题甚至设计缺陷。

程序主模块之外的其他“辅助模块”中可以增加自测试的入口。

   if __name__ == "__main__":
       self_test()

通过使用 Python 实现的“假”接口，即使是需要与复杂的外部接口交互的程序也
可以在外部接口不可用时进行测试。


怎样用 docstring 创建文档？
---------------------------

"pydoc" 模块可以用 Python 源码中的 docstring 创建 HTML 文件。也可以使
用 epydoc 来只通过 docstring 创建 API 文档。Sphinx 也可以引入
docstring 的内容。


怎样一次只获取一个按键？
------------------------

在类 Unix 系统中有多种方案。最直接的方法是使用 curses，但是 curses 模
块太大了，难以学习。


线程相关
========


程序中怎样使用线程？
--------------------

一定要使用 "threading" 模块，不要使用 "_thread" 模块。"threading" 模块
对 "_thread" 模块提供的底层线程原语做了更易用的抽象。


我的线程都没有运行，为什么？
----------------------------

一旦主线程退出，所有的子线程都会被杀掉。你的主线程运行得太快了，子线程
还没来得及工作。

简单的解决方法是在程序中加一个时间足够长的 sleep，让子线程能够完成运行
。

   import threading, time

   def thread_task(name, n):
       for i in range(n):
           print(name, i)

   for i in range(10):
       T = threading.Thread(target=thread_task, args=(str(i), i))
       T.start()

   time.sleep(10)  # <---------------------------!

但目前（在许多平台上）线程不是并行运行的，而是按顺序依次执行！原因是系
统线程调度器在前一个线程阻塞之前不会启动新线程。

简单的解决方法是在运行函数的开始处加一个时间很短的 sleep。

   def thread_task(name, n):
       time.sleep(0.001)  # <--------------------!
       for i in range(n):
           print(name, i)

   for i in range(10):
       T = threading.Thread(target=thread_task, args=(str(i), i))
       T.start()

   time.sleep(10)

比起用 "time.sleep()" 猜一个合适的等待时间，使用信号量机制会更好些。有
一个办法是使用 "queue" 模块创建一个 queue 对象，让每一个线程在运行结束
时 append 一个令牌到 queue 对象中，主线程中从 queue 对象中读取与线程数
量一致的令牌数量即可。


如何将任务分配给多个工作线程？
------------------------------

最简单的方式是使用 "concurrent.futures" 模块，特别是其中的
"ThreadPoolExecutor" 类。

或者，如果你想更好地控制分发算法，你也可以自己写逻辑实现。使用 "queue"
模块来创建任务列表队列。"Queue" 类维护一个了一个存有对象的列表，提供了
".put(obj)" 方法添加元素，并且可以用 ".get()" 方法获取元素。这个类会使
用必要的加锁操作，以此确保每个任务只会执行一次。

这是一个简单的例子：

   import threading, queue, time

   # The worker thread gets jobs off the queue.  When the queue is empty, it
   # assumes there will be no more work and exits.
   # (Realistically workers will run until terminated.)
   def worker():
       print('Running worker')
       time.sleep(0.1)
       while True:
           try:
               arg = q.get(block=False)
           except queue.Empty:
               print('Worker', threading.currentThread(), end=' ')
               print('queue empty')
               break
           else:
               print('Worker', threading.currentThread(), end=' ')
               print('running with argument', arg)
               time.sleep(0.5)

   # Create queue
   q = queue.Queue()

   # Start a pool of 5 workers
   for i in range(5):
       t = threading.Thread(target=worker, name='worker %i' % (i+1))
       t.start()

   # Begin adding work to the queue
   for i in range(50):
       q.put(i)

   # Give threads time to run
   print('Main thread sleeping')
   time.sleep(5)

运行时会产生如下输出：

   Running worker
   Running worker
   Running worker
   Running worker
   Running worker
   Main thread sleeping
   Worker <Thread(worker 1, started 130283832797456)> running with argument 0
   Worker <Thread(worker 2, started 130283824404752)> running with argument 1
   Worker <Thread(worker 3, started 130283816012048)> running with argument 2
   Worker <Thread(worker 4, started 130283807619344)> running with argument 3
   Worker <Thread(worker 5, started 130283799226640)> running with argument 4
   Worker <Thread(worker 1, started 130283832797456)> running with argument 5
   ...

查看模块的文档以获取更多信息；"Queue" 类提供了多种接口。


怎样修改全局变量是线程安全的？
------------------------------

Python VM 内部会使用 *global interpreter lock* （GIL）来确保同一时间只
有一个线程运行。通常 Python 只会在字节码指令之间切换线程；切换的频率可
以通过设置 "sys.setswitchinterval()" 指定。从 Python 程序的角度来看，
每一条字节码指令以及每一条指令对应的 C 代码实现都是原子的。

理论上说，具体的结果要看具体的 PVM 字节码实现对指令的解释。而实际上，
对内建类型（int，list，dict 等）的共享变量的“类原子”操作都是原子的。

举例来说，下面的操作是原子的（L、L1、L2 是列表，D、D1、D2 是字典，x、y
是对象，i，j 是 int 变量）：

   L.append(x)
   L1.extend(L2)
   x = L[i]
   x = L.pop()
   L1[i:j] = L2
   L.sort()
   x = y
   x.field = y
   D[x] = y
   D1.update(D2)
   D.keys()

这些不是原子的：

   i = i+1
   L.append(L[-1])
   L[i] = L[j]
   D[x] = D[x] + 1

覆盖其他对象的操作会在其他对象的引用计数变成 0 时触发其 "__del__()" 方
法，这可能会产生一些影响。对字典和列表进行大量操作时尤其如此。如果有疑
问的话，使用互斥锁！


不能删除全局解释器锁吗？
------------------------

*global interpreter lock* （GIL）通常被视为 Python 在高端多核服务器上
开发时的阻力，因为（几乎）所有 Python 代码只有在获取到 GIL 时才能运行
，所以多线程的 Python 程序只能有效地使用一个 CPU。

在 Python 1.5 时代，Greg Stein 开发了一个完整的补丁包（“free
threadings” 补丁），移除了 GIL，并用粒度更合适的锁来代替。Adam Olsen
最近也在他的 python-safethread 项目里做了类似的实验。不幸的是，由于为
了移除 GIL 而使用了大量细粒度的锁，这两个实验在单线程测试中的性能都有
明显的下降（至少慢 30%）。

但这并意味着你不能在多核机器上很好地使用 Python！你只需将任务划分为多*
进程*，而不是多*线程*。新的 "concurrent.futures" 模块中的
"ProcessPoolExecutor" 类提供了一个简单的方法；如果你想对任务分发做更多
控制，可以使用 "multiprocessing" 模块提供的底层 API。

恰当地使用 C 拓展也很有用；使用 C 拓展处理耗时较久的任务时，拓展可以在
线程执行 C 代码时释放 GIL，让其他线程执行。"zlib" 和 "hashlib" 等标准
库模块已经这样做了。

也有建议说 GIL 应该是解释器状态锁，而不是完全的全局锁；解释器不应该共
享对象。不幸的是，这也不可能发生。由于目前许多对象的实现都有全局的状态
，因此这是一个艰巨的工作。举例来说，小整型数和短字符串会缓存起来，这些
缓存将不得不移动到解释器状态中。其他对象类型都有自己的自由变量列表，这
些自由变量列表也必须移动到解释器状态中。等等。

我甚至怀疑这些工作是否可能在有限的时间内完成，因为同样的问题在第三方拓
展中也会存在。第三方拓展编写的速度可比你将它们转换为把全局状态存入解释
器状态中的速度快得多。

最后，假设多个解释器不共享任何状态，那么这样做比每个进程一个解释器好在
哪里呢？


输入输出
========


怎样删除文件？（以及其他文件相关的问题……）
------------------------------------------

使用 "os.remove(filename)" 或 "os.unlink(filename)"。查看 "os" 模块以
获取更多文档。这两个函数是一样的，"unlink()" 是这个函数在 Unix 系统调
用中的名字。

如果要删除目录，应该使用 "os.rmdir()"；使用 "os.mkdir()" 创建目录。
"os.makedirs(path)" 会创建 "path" 中任何不存在的目录。
"os.removedirs(path)" 则会删除其中的目录，只要它们都是空的；如果你想删
除整个目录以及其中的内容，可以使用 "shutil.rmtree()"。

重命名文件可以使用 "os.rename(old_path, new_path)"。

如果需要截断文件，使用 "f = open(filename, "rb+")" 打开文件，然后使用
"f.truncate(offset)"；offset 默认是当前的搜索位置。也可以对使用
"os.open()" 打开的文件使用 "os.ftruncate(fd, offset)"，其中 *fd* 是文
件描述符（一个小的整型数）。

"shutil" 模块也包含了一些处理文件的函数，包括 "copyfile()"，
"copytree()" 和 "rmtree()"。


怎样复制文件？
--------------

"shutil" 模块有一个 "copyfile()" 函数。注意在 MacOS 9  中不会复制
resource fork 和 Finder info。


怎样读取（或写入）二进制数据？
------------------------------

要读写复杂的二进制数据格式，最好使用 "struct" 模块。该模块可以读取包含
二进制数据（通常是数字）的字符串并转换为 Python 对象，反之亦然。

举例来说，下面的代码会从文件中以大端序格式读取一个 2 字节的整型和一个
4 字节的整型：

   import struct

   with open(filename, "rb") as f:
       s = f.read(8)
       x, y, z = struct.unpack(">hhl", s)

格式字符串中的 ‘>’ 强制以大端序读取数据；字母 ‘h’ 从字符串中读取一个“
短整型”（2 字节），字母 ‘l’ 读取一个“长整型”（4 字节）。

对于更常规的数据（例如整型或浮点类型的列表），你也可以使用 "array" 模
块。

備註:

  要读写二进制数据的话，需要强制以二进制模式打开文件（这里为 "open()"
  函数传入 ""rb""）。如果（默认）传入 ""r"" 的话，文件会以文本模式打开
  ，"f.read()" 会返回 "str" 对象，而不是 "bytes" 对象。


似乎 os.popen() 创建的管道不能使用 os.read()，这是为什么？
----------------------------------------------------------

"os.read()" 是一个底层函数，它接收的是文件描述符 —— 用小整型数表示的打
开的文件。"os.popen()" 创建的是一个高级文件对象，和内建的 "open()" 方
法返回的类型一样。因此，如果要从 "os.popen()" 创建的管道 *p* 中读取
*n* 个字节的话，你应该使用 "p.read(n)"。


怎样访问（RS232）串口？
-----------------------

对于 Win32, OSX, Linux, BSD, Jython, IronPython:

   https://pypi.org/project/pyserial/

对于 Unix，查看 Mitch Chapman 发布的帖子：

   https://groups.google.com/groups?selm=34A04430.CF9@ohioee.com


为什么关闭 sys.stdout（stdin，stderr）并不会真正关掉它？
--------------------------------------------------------

Python *文件对象* 是一个对底层 C 文件描述符的高层抽象。

对于在 Python 中通过内建的 "open()" 函数创建的多数文件对象来说，
"f.close()" 从 Python 的角度将其标记为已关闭，并且会关闭底层的 C 文件
描述符。在 "f" 被垃圾回收的时候，析构函数中也会自动处理。

但由于 stdin，stdout 和 stderr 在 C 中的特殊地位，在 Python 中也会对它
们做特殊处理。运行 "sys.stdout.close()" 会将 Python 的文件对象标记为已
关闭，但是*不会*关闭与之关联的文件描述符。

要关闭这三者的 C 文件描述符的话，首先你应该确认确实需要关闭它（比如，
这可能会影响到处理 I/O 的拓展）。如果确实需要这么做的话，使用
"os.close()"：

   os.close(stdin.fileno())
   os.close(stdout.fileno())
   os.close(stderr.fileno())

或者也可以使用常量 0，1，2 代替。


网络 / Internet 编程
====================


Python 中的 WWW 工具是什么？
----------------------------

参阅代码库参考手册中 互联网协议和支持 和 互联网数据处理 这两章的内容。
Python 有大量模块来帮助你构建服务端和客户端 web 系统。

Paul Boddie 维护了一份可用框架的概览，见
https://wiki.python.org/moin/WebProgramming 。

Cameron Laird 维护了一份关于 Python web 技术的实用网页的集合，见
http://phaseit.net/claird/comp.lang.python/web_python 。


怎样模拟发送 CGI 表单（METHOD=POST）？
--------------------------------------

我需要通过 POST 表单获取网页，有什么代码能简单做到吗？

是的。 这里是一个使用 "urllib.request" 的简单例子:

   #!/usr/local/bin/python

   import urllib.request

   # build the query string
   qs = "First=Josephine&MI=Q&Last=Public"

   # connect and send the server a path
   req = urllib.request.urlopen('http://www.some-server.out-there'
                                '/cgi-bin/some-cgi-script', data=qs)
   with req:
       msg, hdrs = req.read(), req.info()

注意，通常在百分号编码的 POST 操作中，查询字符串必须使用
"urllib.parse.urlencode()" 处理一下。举个例子，如果要发送 "name=Guy
Steele, Jr." 的话：

   >>> import urllib.parse
   >>> urllib.parse.urlencode({'name': 'Guy Steele, Jr.'})
   'name=Guy+Steele%2C+Jr.'

也參考: 查看 如何使用urllib套件取得網路資源 获取更多示例。


生成 HTML 需要使用什么模块？
----------------------------

你可以在 Web 编程 wiki 页面 找到许多有用的链接。


怎样使用 Python 脚本发送邮件？
------------------------------

使用 "smtplib" 标准库模块。

下面是一个很简单的交互式发送邮件的代码。这个方法适用于任何支持 SMTP 协
议的主机。

   import sys, smtplib

   fromaddr = input("From: ")
   toaddrs  = input("To: ").split(',')
   print("Enter message, end with ^D:")
   msg = ''
   while True:
       line = sys.stdin.readline()
       if not line:
           break
       msg += line

   # The actual mail send
   server = smtplib.SMTP('localhost')
   server.sendmail(fromaddr, toaddrs, msg)
   server.quit()

在 Unix 系统中还可以使用 sendmail。sendmail 程序的位置在不同系统中不一
样，有时是在 "/usr/lib/sendmail"，有时是在 "/usr/sbin/sendmail"。
sendmail 手册页面会对你有所帮助。以下是示例代码：

   import os

   SENDMAIL = "/usr/sbin/sendmail"  # sendmail location
   p = os.popen("%s -t -i" % SENDMAIL, "w")
   p.write("To: receiver@example.com\n")
   p.write("Subject: test\n")
   p.write("\n")  # blank line separating headers from body
   p.write("Some text\n")
   p.write("some more text\n")
   sts = p.close()
   if sts != 0:
       print("Sendmail exit status", sts)


socket 的 connect() 方法怎样避免阻塞？
--------------------------------------

通常会用 "select" 模块处理 socket 异步 I/O。

要防止 TCP 连接发生阻塞，你可以将 socket 设为非阻塞模式。 这样当你执行
"socket.connect()" 时，你将或是立即完成连接（不大可能）或是收到一个包
含 ".errno" 错误码的异常。 "errno.EINPROGRESS" 表示连接正在进行但还没
有完成。 不同的操作系统将返回不同的值，因此你需要确认你的系统会返回什
么值。

你可以使用 "socket.connect_ex()" 方法来避免生成异常。 它将只返回 errno
值。 要进行轮询，你可以稍后再次调用 "socket.connect_ex()" -- "0" 或
"errno.EISCONN" 表示连接已完成 -- 或者你也可以将此 socket 传给
"select.select()" 来检查它是否可写。

備註:

  "asyncio" 模块提供了通用的单线程并发异步库，它可被用来编写非阻塞的网
  络代码。 第三方的 Twisted 库是一个热门且功能丰富的替代选择。


数据库
======


Python 中有数据库包的接口吗？
-----------------------------

有的

标准 Python 还包含了基于磁盘的哈希接口例如 "DBM" 和 "GDBM" 。除此之外
还有 "sqlite3" 模块，该模块提供了一个轻量级的基于磁盘的关系型数据库。

大多数关系型数据库都已经支持。查看 数据库编程 wiki 页面 获取更多信息。


在 Python 中如何实现持久化对象？
--------------------------------

"pickle" 库模块以一种非常通用的方式解决了这个问题（虽然你依然不能用它
保存打开的文件、套接字或窗口之类的东西），此外 "shelve" 库模块可使用
pickle 和 (g)dbm 来创建包含任意 Python 对象的持久化映射。


数学和数字
==========


Python 中怎样生成随机数？
-------------------------

"random" 标准库模块实现了随机数生成器，使用起来非常简单：

   import random
   random.random()

这个函数会返回 [0, 1) 之间的随机浮点数。

该模块中还有许多其他的专门的生成器，例如：

* "randrange(a, b)" 返回 [a, b) 区间内的一个整型数。

* "uniform(a, b)" 返回 [a, b) 区间之间的浮点数。

* "normalvariate(mean, sdev)" 使用正态（高斯）分布采样。

还有一些高级函数直接对序列进行操作，例如：

* "choice(S)" 从给定的序列中随机选择一个元素。

* "shuffle(L)" 会对列表执行原地重排，即将其随机地打乱。

还有 "Random" 类，你可以将其实例化，用来创建多个独立的随机数生成器。
