Python回顾与整理10：模块

0.说明

模块是用来组织Python代码方法的方法，而包则是用来组织模块的，充分利用好包和模块将有利于开发出结构清晰的大型程序。

1.什么是模块

所谓模块，其实就是一个包含了特定功能代码的.py文件，在这个.py文件中，主要有如下的代码类型：

包含数据成员和方法的类

一组相关但彼此独立的操作函数

全局变量

使用import语句就可以导入一个模块中的相关属性。

2.模块和文件

模块是按照逻辑上来组织Python代码的方法，而体现在物理层面上，它就是一个文件，因此，一个文件被看作是一个独立模块，一个模块也可以被看作是一个文件。模块的文件名就是模块的名字加上扩展名.py。

与其他可以导入类的语言不同，在Python中导入的是模块或模块属性。

（1）模块名称空间

名称空间是Python非常重要的一个概念，所谓名称空间，其实指的是一个名称到对象的关系映射集合。可以因为每个模块都定义了它自己的唯一的名称空间，所以不同模块间不会出现名称交叉现象，通过句点属性的访问方式，即使两个模块里有相同名称的变量，由于模块名称的不同，也不会发生名称冲突。

（2）搜索路径和路径搜索
模块的导入（使用import语句）需要一个叫做“路径搜索”的过程，即在文件系统“预定义区域”中查找要导入的模块文件，而这些预定义区域其实是Python搜索路径的集合，这里需要注意下面两个概念：

路径搜索：指查找某个文件的操作，是动词

搜索路径：需要查找的一组目录，是名词

如果模块名称不在搜索路径中，就会触发ImportError异常：

>>> import mymodules
Traceback (most recent call last):
File "<stdin>", line 1, in <module>
ImportError: No module named mymodules

而默认搜索路径是在编译或安装时指定的，可以在两个地方修改：

设置环境变量PYTHONPATH

在sys.path中添加搜索路径

启动Python解释器后，搜索路径会被保存在sys模块的sys.path变量中：

>>> import sys
>>> sys.path
['', '/usr/local/lib/python2.7/dist-packages/pip-8.0.2-py2.7.egg', '/usr/local/lib/python2.7/dist-packages/setuptools-3.3-py2.7.egg', '/usr/lib/python2.7', '/usr/lib/python2.7/plat-x86_64-linux-gnu', '/usr/lib/python2.7/lib-tk', '/usr/lib/python2.7/lib-old', '/usr/lib/python2.7/lib-dynload', '/usr/local/lib/python2.7/dist-packages', '/usr/lib/python2.7/dist-packages', '/usr/lib/python2.7/dist-packages/PILcompat', '/usr/lib/python2.7/dist-packages/gtk-2.0', '/usr/lib/python2.7/dist-packages/ubuntu-sso-client']

返回的是一个列表，第一个元素表示的是当前目录。可以通过向这个列表添加元素（使用append或insert）来增加搜索路径：

>>> import my
Traceback (most recent call last):
File "<stdin>", line 1, in <module>
ImportError: No module named my
>>> sys.path.append('/home/xpleaf/test')
>>> import my

如果有多个相同的模块名称，Python解释器会使用沿着搜索路径顺序找到的第一个模块。

另外使用sys.modules可以找到当前导入了哪些模块和它们来自什么地方，如下：

>>> sys.modules
{'copy_reg': <module 'copy_reg' from '/usr/lib/python2.7/copy_reg.pyc'>, 'sre_compile': <module 'sre_compile' from '/usr/lib/python2.7/sre_compile.pyc'>,...}

可以看到，与sys.path不同，sys.modules返回的是一个字典，其中key为模块的名称，键值为模块的路径。

3.名称空间

名称空间是名称（标识符）到对象的映射，向名称空间添加名称的操作过程涉及绑定标识符到指定对象的操作，同时会给该对象的引用计数加1。主要有以下几种名称空间：

内建名称空间：由__builtins__模块中的名字构成，Python解释器启动时自动加载

全局名称空间：加载完内建名称空间后加载

局部名称空间：执行一个函数时会产生该名称空间，函数执行结束后就会释放

其中，关于__builtins__模块和__builtin__模块的区别，可以查看这篇博文：《Python中__builtin__和__builtins__的深入探讨》

（1）名称空间与变量作用域比较
名称空间是纯粹意义上的名字和对象的映射关系，而作用域指出了从用户代码的哪些物理位置可以访问到这些名字。其关系如下：




显然就很清晰了。

（2）名称查找、确定作用域、覆盖
访问一个属性时，解释器必须要在三个名称空间中的一个找到它，首先是局部名称空间，如果没有找到，则查找全局名称空间，如果还是查找失败，就查找内建名称空间，最后还是失败了，就会引发NameError异常。
显然上面的名称查找过程充分地体现了作用域覆盖的特性。

（3）无限制的名称空间

可函数中，可以通过func.attribute给函数添加属性属性，从而创建了另外一个名称空间，而在面向对象编程中，也可以通过类似的方式给一个实例，一个实例就是一个名称空间：

>>> foo = test()
>>> foo.name = 'xpleaf'
>>> foo.loving = 'cl'
>>>
>>> foo.name
'xpleaf'
>>> foo.loving
'cl'
>>> foo.__dict__
{'name': 'xpleaf', 'loving': 'cl'}

4.导入模块

（1）import语句
使用import语句可以导入模块，建议以这样的顺序导入模块：

Python标准库模块

Python第三方模块

应用程序自定义模块

解释器执行import语句时，如果在搜索路径中找到该模块，就会进行加载，该过程遵循下面的原则：

如果在一个模块的顶层导入，它的作用域是全局的

如果在函数中导入一个模块，它的作用域是局部的

如果模块是被第一次导入，它将加载并执行

对于最后一点，可以验证如下：

>>> import test
Hello
>>> import test

test模块中只有一个print语句，可以看到后面再次导入时并不执行该print语句。

（2）from-import语句

可以使用from-import语句导入指定的模块属性，即把指定名称导入到当前作用域（全局名称空间或局部名称空间，取决于导入的位置）中，语法如下：

from module import name1[, name2[, ...nameN]]

当然，可以多行导入：

from flask import render_template, redirect, flash, \
url_for, request, current_app, jsonify

也可以使用from-import-as：

from datetime import datetime as showtime

5.导入模块的特性

当模块被导入时，会有如下的特性：

载入时执行模块

加载模块会导致这个模块被“执行”，也就是被导入模块的顶层代码将直接被执行，这通常包括全局变量以及类和函数的声明，如果有检查__name__的操作，那么它也会被执行。

当然，应该把尽可能多的代码封装到函数，只把函数和模块定义放入模块的顶层是良好的模块编程习惯。

导入（import）和加载（load）

一个模块只被加载（执行）一次，无论它被导入多少次。前面已经有相应的例子。

导入到当前名称空间

即把模块的名称空间导入到当前作用域（全局名称空间或局部名称空间，取决于导入的位置），这样的话，如果当前作用域拥有相同名称的变量，就会被覆盖。
关于__future__

可以通过下面的导入语句使用Python的一些新特性：

from __future__ import new_feature

警告框架

需要使用到时再查看相关文档。

从ZIP文件中导入模块

“新的”导入钩子

6.模块内建函数

如下：
__import__()

import语句实际上是调用了该函数，语法如下：

__import__(name, globals={}, locals={}, fromlist=[], level=-1)

即可以这样来导入sys模块：

sys = __import__('sys')

globals()和locals()

使用globals()和locals()可以分别输出包含全局名称空间和局部名称空间的一个字典，只是在全局名称空间下，globals()和locals()的输出是相等的，因为这时的局部名称空间就是全局名称空间。

一个技巧是，可以通过这两个函数来调用全局或局部变量，在这开发中可能会用到，如下：

>>> def sayHi(name):
...     print 'Hello, ', name
...
>>> globals()['sayHi']
<function sayHi at 0x7f56dc7bf140>
>>> globals()['sayHi']('xpleaf')
Hello,  xpleaf

reload()

使用reload()可以重新加载一个已经导入的模块，对于前面只有print语句的test模块，测试如下：

>>> import test
Hello
>>> import test
>>> reload(test)
Hello
<module 'test' from 'test.pyc'>

不过使用reload()时需要遵循下面的原则：

模块必须是全部导入，而不能是使用from-import

reload()的参数是模块名字本身，而不是其字符串，即是reload(test)而不是reload('test')

7.包

包是一个有层次的文件目录结构，它定义了一个由模块和子包组成的Python应用程序执行环境。

（1）目录结构
有如下的包及其结构：




在包外运行Python交互器，则下面的导入方式都是可以的：

import Phone.Mobile.Analog
Phone.Mobile.Analog.dial()

from Phone import Mobile
Mobile.Analog.dial('3245648')

from Phone.Mobile import Analog
Analog.dial()

from Phone.Mobile.Analog import dial
dial('3245648')

只是上面的导入方式其实都是绝对导入。

（2）__init__.py
只要是包，都必须包含__init__.py文件，否则只是一个普通的目录结构，而不是包，关于__init__.py，有如下特性：

导入一个包，实际上是导入这个包的__init__.py文件（模块）

对于上面的包结构，如果Phone/__init__.py的内容如下：

packageName = 'Phone'
print 'Package <Phone>'

则导入Phone包时输出如下：

>>> import Phone
Package <Phone>

此时只是把Phone加入到当前名称空间中：

>>> dir()
['Phone', '__builtins__', '__doc__', '__name__', '__package__']

因为导入一个包实际上是导入这个包的__init__.py模块，所以，只要不在这个模块中的名称空间，都无法通过Phone来访问，即使已经导入了Phone：

>>> Phone.Mobile
Traceback (most recent call last):
File "<stdin>", line 1, in <module>
AttributeError: 'module' object has no attribute 'Mobile'
>>> Phone.Pager
Traceback (most recent call last):
File "<stdin>", line 1, in <module>
AttributeError: 'module' object has no attribute 'Pager'

因为上面的__init__.py模块中并没有Mobile和Pager这两个变量，即这两个变量不在其名称空间中，因为__init__.py中定义了一个packageName变量，所以可以通过Phone来访问：

>>> Phone.packageName
'Phone'

在__init__.py中可以先导入一些模块或子包，使得可以通过上层包访问子包

上面的例子中，显然不能通过Phone来访问它的子包Mobile，现在可以在Phone/__init__.py中来先导入Phone的几个子包：

import Mobile
import Pager

就可以通过Phone来访问了：

>>> import Phone
>>> Phone.Mobile
<module 'Phone.Mobile' from 'Phone/Mobile/__init__.pyc'>
>>> Phone.Pager
<module 'Phone.Pager' from 'Phone/Pager/__init__.pyc'>

当然，如果想要访问子包下的模块，也是不行的，原因是一样的：

>>> Phone.Mobile.Digital
Traceback (most recent call last):
File "<stdin>", line 1, in <module>
AttributeError: 'module' object has no attribute 'Digital'

使用__all__变量来导入所有子包

如果需要使用from Package import *的方式来导入包下的所有模块，则需要定义__all__变量，实际上，该语句中的*表示的即是__all__列表中所包含的包名（或模块名）。

Phone/__init__.py内容如下：

import Mobile

__all__ = ['Fax', 'Pager', 'Voicedta']

使用from Package import *语句导入：

>>> from Phone import *
>>> dir()
['Fax', 'Pager', 'Voicedta', '__builtins__', '__doc__', '__name__', '__package__']

可以发现只有Fax，Pager，Voicedta这三个子包被导入了，但是Mobile这个子包并没有被导入，那是因为它不在__all__变量所定义的列表中。

（3）绝对导入与相对导入
使用下面的方式，都为绝对导入：

from Package import Module
import Package

这时候，解释器会从sys.path定义的路径中去搜索需要导入的包或模块。当然，使用相对于当前路径的导入式的话有时候可以加快导入速度，相对导入可以使用下面的方式：

from .[Package/Module] import Modulce/Variable

不过需要遵循下面的原则：

必须是使用from import语句

from 关键字后面一定有句点标识.

只适用在包中

这三个原则都非常重要，尤其是最后一个，如果不清楚该原则的话，会导致错误使用相对导入从而带来不必要的各种纠结。
关于这一点，可以参考《Python cookbook》的相关内容：《10.3 使用相对路径名导入包中子模块》

8.模块的其他特性

（1）自动载入的模块

主要是__builtin__模块，它会正常地被载入，这和__builtins__模块相同。

（2）阻止属性导入
如果不想让某个模块属性被"from module import *"导入，那么可以给不想导入的属性名称加上一个下划线(_)。不过如果导入了整个模块，这个隐藏数据的方法就不适用了。

manage模块内容：

name = 'xpleaf'
_loving = 'cl'

举例如下：

>>> from manage import *
>>> name
'xpleaf'
>>> _loving
Traceback (most recent call last):
File "<stdin>", line 1, in <module>
NameError: name '_loving' is not defined
>>>
>>> import manage
>>> manage._loving
'cl'

（3）不区分大小的导入
主要取决于操作系统的文件系统是否区分大小写。

（4）源代码编码
在Python模块文件中，默认是使用ASCII编码，如果需要使用其他编码方法，比如Unicode编码，则可以在一个Python模块文件的开头这样写：

#!/usr/bin/env python
# -*- coding: UTF-8 -*-

或者：

# coding: utf-8

（5）导入循环
允许正确的导入循环，如果出现不能解决的导入循环问题，可以尝试在出现导入循环的两个模块中的一个模块中的import语句移到最后，或根据实际情况来进行解决。

（6）模块执行
可以执行一个Python模块，参考后面的内容。

9.相关模块

需要使用时参考相关文档即可。