Python 学习 第九篇：模块

模块是把程序代码和数据封装的Python文件，也就是说，每一个以扩展名py结尾的Python源代码文件都是一个模块。每一个模块文件就是一个独立的命名空间，用于封装顶层变量名；在一个模块文件的顶层定义的所有的变量名（函数名也是一个变量名），称作模块的属性。导入模块给予了对模块的全局作用域中的变量名的读取权，也就是说，在模块导入时，模块文件的全局作用域变成了模块内对象的命名空间。

导入一个模块之后，可以使用模块中定义的属性，例如，在模块moduleA中导入一个模块moduleB，那么moduleB就变成了命名空间，在moduleA中可以使用moduleB中的全局变量，引用的格式是：moduleB.attribution_name。

概括来说，Python中的模块拥有三个大的作用：

• 代码重用：模块用于保存代码，按照需要导入或重新导入模块，以使用模块中的代码。
• 变量封装：模块把变量名封装起来，模块变成了一个独立的命名空间，模块封装的变量名变成了属性，这就避免了变量名的冲突。
• 代码共享：把通用的代码组织成模块，分享给他人。

一，Python程序的结构

一般来说，一个Python程序结构是由一个主文件（又称为顶层文件、脚本）和多个模块构成的，其中主文件包含了程序的控制流程，也就是启动之后能够运行整个程序的文件，而模块文件是用于提供工具的库。

在Python中，一个文件导入了一个模块来获得该模块内定义的工具的访问权，因此，通用的Python程序的结构就是：在顶层文件中导入模块，并引用模块中的工具。

例如，在脚本文件main.py中导入functools模块中的reduce()函数，使用该工具函数实现列表元素的加和：

from functools import reduce
a=reduce((lambda x,y:x+y),range(0,5))
print(a) 

二，模块的创建

定义模块，只需要使用文本编辑器，把一些Python代码输入到文本文件中，然后以".py"为扩展名名进行保存，任何此类文件都会被自动认为是Python模块。在模块顶层指定的变量名是模块的属性。注意：模块的文件名必须以扩展名 .py 结尾。

例如，创建一个strtools模块，文件名必须是strtools.py，文件的内容是Python代码，其中append_suffix是模块的属性名，引用该属性的格式是:strtools.append_suffix(arg)：

def append_suffix(str):
    return str+'- py'

三，导入模块

导入从本质上来讲，就是为了载入另一个文件，并能够读取该文件的内容。模块的导入是由两个语句来处理：

• import语句：以一个整体导入一个模块；
• from语句：从一个模块文件中导入特定的变量名；

import语句和from语句都会加载模块，加载的过程包括搜索、编译和执行模块文件。两者的差别在于：import语句 会读取整个模块，所以必须进行定义后才能读取它的属性；form语句直接获取模块中特定的变量名。

在一个导入语句中的模块名起到两个作用：识别加载的外部文件；把模块名作为命名空间，用于封装模块内的顶层变量名。在导入模块时，模块定义的对象也会在import语句执行时创建，通过module_name.attribution_name来引用模块内定义的变量名。

例如，在主文件中导入strtools模块，并使用append_suffix()函数：

import strtools
mystr=strtools.append_suffix('It is a cat')
print(mystr)

1，import语句

import语句使用一个变量名来引用整个模块对象，因此，必须通过模块名称来获得模块的属性：

import strtools
strool.append_suffix('xx')

2，from语句

from语句把变量名复制到另一个作用域，因此，可以直接在脚本中使用变量名，而不需要通过模块：

from strtools import append_suffix

append_suffix('xx')

由于模块中的变量名可能由很多，可以使用*，取得模块顶层的所有变量名，把模块顶层的变量名都复制到当前的作用域内：

from strtools import *

从技术上来说，import和from * 语句都会使用相同的导入操作，from *  形式只是多加了步骤，把模块中所有的属性名复制到了导入的作用域之内。

3，导入只发生依次

模块会在第一次import或from时载入并执行，并且只在第一次如此。默认情况下，Python只对每个文件做一次导入操作，之后的导入操作操作都只是取出已加载的模块对象。

4，import和from是赋值语句

import和from是可执行的语句，而不是声明语句，也就是说，被导入的模块和变量名，直到它们所对应的import或from语句执行后，才可以使用。

import和from是隐式的赋值语句：

• import把整个模块对象赋值给一个变量名，模块文件的名称就是变量名；
• form把一个或多个变量名称赋值给另一个模块中同名的变量名；以from语句复制的变量名会变成对共享对象的引用。

以from语句复制而来的变量名和其来源的文件之间没有联系，为了实际修改另一个文件中的全局变量名，必须使用import语句。

例如，使用from导入变量x，修改变量不会影响模块中x的值，这是因为from语句把模块的对象复制到本地作用域的变量，所以，本地作用域对变量重新赋值，会创建一个新的对象。

from module import x,y

x=1   # change the variable

但是，对可变类型对象的修改，会影响模块的对象的值，这是因为list_names支持原处修改，这跟赋值不同：

from module import list_names

list_names[0]='vic'

5，import和from的对等性

from只是把变量名从一个模块复制到另一个模块，并不会对模块名本身进行赋值。

从概念上来讲，一个像这样的from语句：

from module import name1,name2

与下面这些语句是等效的：

import module
name1=module.name1
name2=module.name2
del module

就像所有的赋值语句，from语句会在导入者中创建新变量，而这些变量初始化时引用了被导入文件中的同名对象。不过，只有同名的变量名（并不是所有的变量名）被赋值出来，而非模块本身，from未指定的变量名都没有复制出来。

三，模块命名空间

从上文可知，模块是变量名的封装。Python会把每一个.py文件看作一个模块，创建模块对象，以包含模块内所复制的所有顶层变量名，这些顶层变量名就是模块对象的属性。

1，模块语句会在首次导入时执行

模块在第一次导入时，Python都会建立空的模块对象，按照文件从头到尾的顺序，逐一执行模块内的语句。

2，顶层的赋值语句会创建为模块属性

在导入时，在模块顶层的赋值语句左侧的变量，成为模块对象的属性，赋值的变量名会存在模块的命名空间内。

3，模块的命名空间能够通过属性__dict__或dir(module)函数获取

在导入时，Python会把建立模块的命名空间的字典，通过模块对象的属性__dict__来读取，也可以通过dir(module)函数来读取。

4，模块是一个独立的作用域

模块内的命名空间是一个独立的作用域，通过点号 （  .  ）来引用属性，引用的格式是：object.attr_name。

四，重载模块

从上文可知，导入只发生一次，要想重载模块，需要 调用 reload()函数。

• 导入（无论是通过import或from语句）只会在模块第一次导入时，加载和执行模块的代码；
• 之后的导入只会使用已加载的模块对象，不会重新执行模块的代码；
• imp.reload()函数在不中止Python程序的情况下，强制Python重新加载和执行模块的代码。

注意，在使用reload()函数重载模块之前，模块一定是已经预先导入了。

一般的用法是：导入一个模块，在文本编辑器中修改其源代码，然后将其重载。

import module
... use module.attributes

... # now, go change the module file

from imp import reload
reload(module)  # get the changes
... use module.attributes

当调用reload()函数时，Python会重新读取模块问价的源代码，重新执行其顶层代码，在适当的地方修改已导入的模块对象，reload()不会删除并重建模块对象。

在调用reload()函数之后，程序中任何引用该模块的对象，自动会受到重载的影响。

1，重载模块会导致模块代码的重新执行

reload()函数会使模块重新执行模块文件的新代码，重新执行模块文件的代码，会覆盖现有的命名空间，但不是把模块对象删除并进行重建。

2，模块文件中顶层的赋值语句会使得变量名重新赋值

在调用reload()函数时，赋值语句会重新执行，进而模块的顶层变量会被重新赋值，这会导致顶层变量引用的对象会重新创建。

例如，模块重载会导致顶层的def语句重新执行，对函数名进行重新赋值，这使得函数对象会被重新创建，函数名引用的对象不是模块之前的版本。

3，重载对import语句的影响

模块重载会影响所有使用import语句读取了模块的脚本，这是因为使用import语句的脚本，需要通过点号运算获取属性，在模块重载后，模块的属性变成了新值。

4，重载对from语句的影响

模块重载只会对以后使用from语句的脚本造成影响，之前使用from语句来读取属性的变量名不会受到重载的影响，其引用的是值依然是重载之前所获取的对象。

这是因为，模块重载会导致模块顶层变量的重新赋值，这使得模块顶层变量引用的对象会重新创建，模块顶层变量引用的是新对象，而在重载之前执行的from语句，变量引用的是旧版本的对象，这个旧版本的对象不会被销毁，但和重载之后的新对象不是同一个对象了。

5，重载不会传递到导入的模块

重载不会影响模块已经导入的模块，例如，如果要重载模块A，并且模块A导入模块B和C，那么重载只适用于A，而不适用于B和C。在重载模块A时，模块B和C由于已经加载了，模块A只会获取已经载入的模块B和C对象。

如果要重载已经导入的模块，那么必须显式重载这些模块：

from imp import reload
# firstly reload imported modules
reload(C)
reload(B)
# then reload the outer module
reload(A)

五，模块的其他主题

在这一节中，我们探索模块的使用标志，模块内变量的前向引用，和点号运算符的特性等。

1，使用模式的标志

每个模块都有个名为__name__的内置属性，Python会自动设置该属性：

• 如果文件是以主程序文件执行的额，在启动时，__name__就会设置为字符串"__main__"
• 如果文件被导入，__name__就会设置模块名

模块可以检测自己的__name__属性，以确定自己是在执行（run）还是导入（import）。

2，命令行参数

在Python中，sys.argv列表包含了命令行参数，它是反映在命令行上录入的单词的一个字符串列表，其中，第一项总是将要运行的脚本的名称。

import sys

3，import语句和from语句的as扩展

import语句使用as扩展，可以为模块设置别名：

from module import attr_long_name as short_name

from语句把从模块导入的变量名，复制给脚本中的不同的变量名，当模块中的变量名和当前作用域的变量名重名时，使用as扩展，可以避免变量名冲突：

import module_long_name as short_name

4，前向引用

当模块收入导入（或重载）时，Python会从头到尾执行语句，也就是说，语句只会引用前面已经定义的变量，这就是变量的前向引用，因此，模块顶层代码的语句顺序是非常重要的。

• 在导入时，模块文件顶层的代码（不在函数内），在Python运行到时，就会被立即执行，这意味着，语句无法引用文件后面定义的变量名。
• 位于函数主体内的代码直到函数被调用时才会执行，因为函数内的变量名在函数实际执行前都不会解析，通常可以引用模块文件内任意地方的变量。

一般来说，前向引用只对立即执行的模块顶层代码有影响，函数可以引用任意一个模块顶层的变量名。

5，from是变量名的赋值，而import是引用对象

其实，from语句是一个普通的赋值运算，把模块内的变量名赋值给导入者的作用域内的变量名，实际上就是把变量名赋值给变量名，两个不同作用域内的变量共享对象的引用，也就是说，一个对象的引用位于不同的文件中。

例如，有模块mod_1，有两个属性，变量x和函数printer：

x=1
def printer():print(x)

在文件mod_2中，使用from导入模块mod_1，对变量x进行赋值，会导致变量x引用新的对象，而不是修改mod_1.py中的变量x的值：

from mod_1 import x, printer

x=2
printer()  # print 1

在文件mod_3中，使用import导入整个模块，当使用点号运算符修改模块内的属性时，就会修改mod_1.py中的变量的值，点号运算符把Python定向到了模块内的变量名，对变量进行修改，而不是赋值：

import mod_1 as m

m.x=2
printer()  # print 2

注意：点号运算符是引用变量，并修改变量的值。

6，reload()函数不会影响from导入

因为from语句在执行时会赋值变量名，所以，不会链接到变量名所在的模块。通过from语句导入的变量名就简单地变成了对象的引用。

当重载模块时，模块会重新创建对象，变量名引用新建的对象，然而位于重载之前的from引用的原始对象并不会改变，重载会影响后面的from语句。

from module import x
...

from imp import reload()
reload(module)       #changes module in-place
x                    #still references old object

reload()函数会影响import语句，这是因为，重载不会删除和新建模块对象，也就是说，import语句引用的模块对象不变，但是，模块对象中的属性会被删除重建。当通过点号来引用模块的对象时，object.attr 会引用模块的最新创建的变量。

import module
...

from imp import reload()
reload(module)       #changes module in-place
module.x             #get current x: reflects module reloads

参考文档：