第五章 模块
我们知道，一个文件里代码越来越长的时候，就会越来越不容易维护。
为了编写可维护的代码，我们把很多函数分组，分别放到不同的文件里，这样，每个文件包含的代码就相对较少，很多编程语言都采用这种组织代码的方式。在 Python 中，一个 .py 文件就称之为一个模块（Module）。
🎉 使用模块有什么好处？
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（1）最大的好处是大大提高了代码的可维护性。
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（2）其次，编写代码不必从零开始。当一个模块编写完毕，就可以被其他地方引用。我们在编写程序的时候，也经常引用其他模块，包括 Python 内置的模块和来自第三方的模块。
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（3）使用模块还可以避免函数名和变量名冲突。相同名字的函数和变量完全可以分别存在不同的模块中，
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（4）因此，我们自己在编写模块时，不必考虑名字会与其他模块冲突。但是也要注意，尽量不要与内置函数名字冲突。点这里查看Python的所有内置函数。
你也许还想到，如果不同的人编写的模块名相同怎么办？为了避免模块名冲突，Python 又引入了按目录来组织模块的方法，称为包（Package）。
举个例子，一个abc.py的文件就是一个名字叫abc的模块，一个xyz.py的文件就是一个名字叫xyz的模块。
现在，假设我们的abc和xyz这两个模块名字与其他模块冲突了，于是我们可以通过包来组织模块，避免冲突。方法是选择一个顶层包名，比如mycompany，按照如下目录存放：
mycompany
├─ __init__.py
├─ abc.py
└─ xyz.py引入了包以后，只要顶层的包名不与别人冲突，那所有模块都不会与别人冲突。现在，abc.py模块的名字就变成了mycompany.abc，类似的，xyz.py的模块名变成了mycompany.xyz。
请注意，每一个包目录下面都会有一个__init__.py的文件，这个文件是必须存在的，否则，Python 就把这个目录当成普通目录，而不是一个包。__init__.py可以是空文件，也可以有 Python 代码，因为__init__.py本身就是一个模块，而它的模块名就是mycompany。
类似的，可以有多级目录，组成多级层次的包结构。比如如下的目录结构：
mycompany
├─ web
│ ├─ __init__.py
│ ├─ utils.py
│ └─ www.py
├─ __init__.py
├─ abc.py
└─ utils.py文件www.py的模块名就是mycompany.web.www，两个文件utils.py的模块名分别是mycompany.utils和mycompany.web.utils。
!> 自己创建模块时要注意命名，不能和 Python 自带的模块名称冲突。例如，系统自带了 sys 模块，自己的模块就不可命名为 sys.py，否则将无法导入系统自带的 sys 模块。
总结：
模块是一组 Python 代码的集合，可以使用其他模块，也可以被其他模块使用。
创建自己的模块时，要注意：
- 模块名要遵循 Python 变量命名规范，不要使用中文、特殊字符；
- 模块名不要和系统模块名冲突，最好先查看系统是否已存在该模块，检查方法是在 Python 交互环境执行
import abc，若成功则说明系统存在此模块。
5.1 使用模块
Python 本身就内置了很多非常有用的模块，只要安装完毕，这些模块就可以立刻使用。
我们以内建的sys模块为例，编写一个hello的模块：
#!/usr/bin/env python3
# -*- coding: utf-8 -*-
' a test module '
__author__ = 'WuGenQiang'
import sys
def test():
args = sys.argv
if len(args)==1:
print('Hello, world!')
elif len(args)==2:
print('Hello, %s!' % args[1])
else:
print('Too many arguments!')
if __name__=='__main__':
test()第 1 行和第 2 行是标准注释，第 1 行注释可以让这个hello.py文件直接在 Unix/Linux/Mac 上运行，第 2 行注释表示 .py 文件本身使用标准 UTF-8 编码；
第 4 行是一个字符串，表示模块的文档注释，任何模块代码的第一个字符串都被视为模块的文档注释；
第 6 行使用__author__变量把作者写进去，这样当你公开源代码后别人就可以瞻仰你的大名；
以上就是 Python 模块的标准文件模板，当然也可以全部删掉不写，但是，按标准办事肯定没错。
后面开始就是真正的代码部分。
你可能注意到了，使用sys模块的第一步，就是导入该模块：
import sys导入sys模块后，我们就有了变量sys指向该模块，利用sys这个变量，就可以访问sys模块的所有功能。
sys模块有一个argv变量，用 list 存储了命令行的所有参数。argv至少有一个元素，因为第一个参数永远是该 .py 文件的名称，例如：
运行python3 hello.py获得的sys.argv就是['hello.py']；
运行python3 hello.py WuGenQiang获得的sys.argv就是['hello.py', 'WuGenQiang']。
最后，注意到这两行代码：
if __name__=='__main__':
test()当我们在命令行运行hello模块文件时，Python 解释器把一个特殊变量__name__置为__main__，而如果在其他地方导入该hello模块时，if判断将失败，因此，这种if测试可以让一个模块通过命令行运行时执行一些额外的代码，最常见的就是运行测试。
我们可以用命令行运行hello.py看看效果：
$ python3 hello.py
Hello, world!
$ python hello.py WuGenQiang
Hello, WuGenQiang!如果启动 Python 交互环境，再导入hello模块：
$ python3
Python 3.4.3 (v3.4.3:9b73f1c3e601, Feb 23 2015, 02:52:03)
[GCC 4.2.1 (Apple Inc. build 5666) (dot 3)] on darwin
Type "help", "copyright", "credits" or "license" for more information.
>>> import hello
>>>导入时，没有打印Hello, word!，因为没有执行test()函数。
调用hello.test()时，才能打印出Hello, word!：
>>> hello.test()
Hello, world!5.1.1 作用域
在一个模块中，我们可能会定义很多函数和变量，但有的函数和变量我们希望给别人使用，有的函数和变量我们希望仅仅在模块内部使用。在 Python 中，是通过_前缀来实现的。
正常的函数和变量名是公开的（public），可以被直接引用，比如：abc，x123，PI等；
类似__xxx__这样的变量是特殊变量，可以被直接引用，但是有特殊用途，比如上面的__author__，__name__就是特殊变量，hello模块定义的文档注释也可以用特殊变量__doc__访问，我们自己的变量一般不要用这种变量名；
类似_xxx和__xxx这样的函数或变量就是非公开的（private），不应该被直接引用，比如_abc，__abc等；
之所以我们说，private 函数和变量“不应该”被直接引用，而不是“不能”被直接引用，是因为 Python 并没有一种方法可以完全限制访问 private 函数或变量，但是，从编程习惯上不应该引用 private 函数或变量。
private 函数或变量不应该被别人引用，那它们有什么用呢？请看例子：
def _private_1(name):
return 'Hello, %s' % name
def _private_2(name):
return 'Hi, %s' % name
def greeting(name):
if len(name) > 3:
return _private_1(name)
else:
return _private_2(name)我们在模块里公开greeting()函数，而把内部逻辑用 private 函数隐藏起来了，这样，调用greeting()函数不用关心内部的 private 函数细节，这也是一种非常有用的代码封装和抽象的方法，即：
外部不需要引用的函数全部定义成 private，只有外部需要引用的函数才定义为 public。
5.2 安装第三方模块
在 Python 中，安装第三方模块，是通过包管理工具 pip 完成的。
在命令提示符窗口下尝试运行pip，如果 Windows 提示未找到命令，可以重新运行安装程序添加pip。
注意：Mac 或 Linux上有可能并存 Python 3.x 和 Python 2.x，因此对应的 pip 命令是pip3。
例如，我们要安装一个第三方库——Python Imaging Library，这是 Python 下非常强大的处理图像的工具库。不过，PIL 目前只支持到 Python 2.7，并且有年头没有更新了，因此，基于 PIL 的 Pillow 项目开发非常活跃，并且支持最新的 Python 3。
一般来说，第三方库都会在 Python 官方的pypi.python.org网站注册，要安装一个第三方库，必须先知道该库的名称，可以在官网或者 pypi 上搜索，比如 Pillow 的名称叫Pillow，因此，安装 Pillow 的命令就是：
pip install Pillow耐心等待下载并安装后，就可以使用 Pillow 了。
5.2.1 安装常用模块
在使用 Python 时，我们经常需要用到很多第三方库，例如，上面提到的 Pillow，以及 MySQL 驱动程序，Web 框架 Flask，科学计算 Numpy 等。用 pip 一个一个安装费时费力，还需要考虑兼容性。我们推荐直接使用Anaconda，这是一个基于 Python 的数据处理和科学计算平台，它已经内置了许多非常有用的第三方库，我们装上 Anaconda，就相当于把数十个第三方模块自动安装好了，非常简单易用。
可以从Anaconda官网下载GUI安装包，安装包有 500~600M，所以需要耐心等待下载。下载后直接安装，Anaconda 会把系统 Path 中的 python 指向自己自带的 Python，并且，Anaconda 安装的第三方模块会安装在 Anaconda 自己的路径下，不影响系统已安装的 Python 目录。
安装好 Anaconda 后，重新打开命令行窗口，输入 python，可以看到 Anaconda 的信息：
可以尝试直接import numpy等已安装的第三方模块。
5.2.2 模块搜索路径
当我们试图加载一个模块时，Python 会在指定的路径下搜索对应的 .py 文件，如果找不到，就会报错：
>>> import mymodule
Traceback (most recent call last):
File "<stdin>", line 1, in <module>
ImportError: No module named mymodule默认情况下，Python 解释器会搜索当前目录、所有已安装的内置模块和第三方模块，搜索路径存放在sys模块的path变量中：
>>> import sys
>>> sys.path
['', '/Library/Frameworks/Python.framework/Versions/3.6/lib/python36.zip', '/Library/Frameworks/Python.framework/Versions/3.6/lib/python3.6', ..., '/Library/Frameworks/Python.framework/Versions/3.6/lib/python3.6/site-packages']如果我们要添加自己的搜索目录，有两种方法：
一是直接修改sys.path，添加要搜索的目录：
>>> import sys
>>> sys.path.append('/Users/michael/my_py_scripts')这种方法是在运行时修改，运行结束后失效。
第二种方法是设置环境变量PYTHONPATH，该环境变量的内容会被自动添加到模块搜索路径中。设置方式与设置Path 环境变量类似。注意只需要添加你自己的搜索路径，Python 自己本身的搜索路径不受影响。
5.3 标准库的使用
Python 计算生态 = 标准库 + 第三方库
- 标准库：随解释器直接安装到操作系统中的功能模块。
- 第三方库：需要经过安装才能使用的功能模块。
- 库 Library、包 Package、模块 Module，统称模块
5.3.1 turtle 库
① 实例：Python 蟒蛇绘制
用程序绘制一条蟒蛇。
#PythonDraw.py
import turtle
turtle.setup(650,350,200,200)
turtle.penup()
turtle.fd(-250)
turtle.pendown()
turtle.pensize(25)
turtle.pencolor("purple")
turtle.seth(-40)
for i in range(4):
turtle.circle(40,80)
turtle.circle(-40,80)
turtle.circle(40,80/2)
turtle.fd(40)
turtle.circle(16,180)
turtle.fd(40*2/3)
turtle.done()效果：
☎️ 拓展：
import turtle 是程序的关键，import 保留字引入了一个绘图库：turtle（海龟库）
② turtle 库基本介绍
turtle 库是 turtle 绘图体系的 Python 实现。
- turtle 绘图体系：1969 年诞生，主要用于程序设计
- Python 语言的标准库之一
- 入门级的图形绘制函数库
③ turtle 绘图窗体布局
Turtle 的绘图窗体，是 turtle 的一个画布空间，最小单位是像素。
setup()设置窗体的大小及位置。
turtle.setup(width,height,startx,starty)其中，4 个参数中后两个可选。
④ turtle 空间坐标体系
⑤ turtle 角度坐标体系
改变运行角度：
小例子：
⑥ RGB 色彩体系
由三种颜色构成的万物色
- RGB 指
红蓝绿三个通道的颜色组合 - 覆盖视力所能感知的所有颜色
- RGB 每色取值范围 0～255 整数或 0-1 小数
默认采用小数值，可切换为整数值
turtle.colormode(mode)- 1.0：RGB 小数值模式
- 255：RGB 整数值模式
⑦ turtle 程序语法元素分析
（1）库引用和 import
库引用：扩充 Python 程序功能的方式
使用 import 保留字完成，采用 <a>.<b>() 编码风格
使用方法：
import <库名>
<库名>.<函数名>(<函数参数>)其他 import 用法：
使用 from 和 import 保留字共同完成：
from <库名> import <函数名>
from <库名> import *
<函数名>(<函数参数>)🐹 两种方法比较：
所以，推荐使用下面的 import 用法：
使用 import 和 as 保留字共同完成
import <库名> as <库别名>
<库别名>.<函数名>(<函数参数>)好处：
- 给调用的外部库关联一个更短、更适合自己的名字。
（2）画笔控制函数
画笔操作后一直有效，一般成对出现
turtle.penup() 别名 turtle.pu()
抬起画笔，海龟在飞行
turtle.pendown() 别名 turtle.pd()
画笔设置后一直有效，直至下次重新设置
turtle.pensize() 别名 turtle.width(width)
画笔宽度，海龟的腰围。
turtle.pencolor(color) color 为颜色字符串或 r,g,b 值
画笔颜色，海龟在涂装
（3）运动控制函数
控制海龟行进：走直线 & 走曲线
turtle.forward(d) 别名 turtle.fd(d)
向前行进，海龟走直线
d：行进距离，可以为负数
turtle.circle(r,extent=None)
根据半径 r 绘制 extent 角度的弧形
r：默认圆心在海龟左侧 r 距离的位置
extent：绘制角度，默认是 360 度整圆
举例：
（4）方向控制函数
控制海龟面对方向：绝对角度 & 海龟角度
turtle.setheading(angle) 别名 turtle.seth(angle)
改变行进方向，海龟走角度
angle：改变行进方向，海龟走角度