第41集：模块导入与使用

学习目标

• 理解模块的概念和作用
• 掌握模块导入的多种方式
• 学会使用import语句
• 掌握from...import语句
• 理解模块的搜索路径

一、什么是模块？

模块是一个包含Python代码的文件，以.py为扩展名。

模块的作用

生活类比

• 模块就像"工具箱"
• 每个工具箱里有不同的工具（函数、类、变量）
• 需要什么工具就从工具箱里拿出来用

示例：模块的基本结构

# mymodule.py
"""这是一个示例模块"""

# 变量
PI = 3.14159
name = "我的模块"

# 函数
def greet(name):
    """问候函数"""
    return f"你好，{name}！"

def add(a, b):
    """加法函数"""
    return a + b

# 类
class Calculator:
    """计算器类"""
    def __init__(self):
        self.value = 0
    
    def add(self, num):
        self.value += num
        return self.value

二、导入模块的方式

方式1：导入整个模块

import math

# 使用模块中的功能
print(math.pi)           # 输出：3.141592653589793
print(math.sqrt(16))     # 输出：4.0
print(math.pow(2, 3))    # 输出：8.0

方式2：导入模块并起别名

import math as m

# 使用别名访问
print(m.pi)              # 输出：3.141592653589793
print(m.sqrt(16))        # 输出：4.0
print(m.pow(2, 3))       # 输出：8.0

方式3：导入模块中的特定内容

from math import pi, sqrt, pow

# 直接使用，不需要模块名前缀
print(pi)                # 输出：3.141592653589793
print(sqrt(16))          # 输出：4.0
print(pow(2, 3))         # 输出：8.0

方式4：导入模块中所有内容

from math import *

# 直接使用所有功能
print(pi)
print(sqrt(16))
print(sin(0))

方式5：导入并重命名

from math import sqrt as square_root

# 使用新的名称
print(square_root(16))    # 输出：4.0

三、标准库模块示例

示例1：math模块（数学函数）

import math

# 数学常量
print(f"π = {math.pi}")
print(f"e = {math.e}")

# 数学函数
print(f"abs(-5) = {math.fabs(-5)}")      # 绝对值
print(f"ceil(3.2) = {math.ceil(3.2)}")  # 向上取整
print(f"floor(3.8) = {math.floor(3.8)}")  # 向下取整
print(f"sqrt(16) = {math.sqrt(16)}")     # 平方根
print(f"pow(2, 3) = {math.pow(2, 3)}")   # 幂运算

# 三角函数
print(f"sin(π/2) = {math.sin(math.pi/2)}")
print(f"cos(π) = {math.cos(math.pi)}")
print(f"tan(π/4) = {math.tan(math.pi/4)}")

示例2：random模块（随机数）

import random

# 随机浮点数
print(f"random() = {random.random()}")           # 0.0到1.0
print(f"uniform(1, 10) = {random.uniform(1, 10)}")  # 1.0到10.0

# 随机整数
print(f"randint(1, 10) = {random.randint(1, 10)}")    # 1到10
print(f"randrange(0, 10, 2) = {random.randrange(0, 10, 2)}")  # 0到10，步长2

# 随机选择
colors = ["红", "绿", "蓝", "黄"]
print(f"choice = {random.choice(colors)}")
print(f"choices = {random.choices(colors, k=2)}")
print(f"sample = {random.sample(colors, 2)}")

# 洗牌
cards = ["A", "2", "3", "4", "5"]
random.shuffle(cards)
print(f"shuffle = {cards}")

示例3：datetime模块（日期时间）

import datetime

# 获取当前时间
now = datetime.datetime.now()
print(f"当前时间：{now}")
print(f"年：{now.year}")
print(f"月：{now.month}")
print(f"日：{now.day}")

# 创建日期
birthday = datetime.date(2000, 1, 1)
print(f"生日：{birthday}")

# 时间差
delta = datetime.timedelta(days=7)
future = now + delta
print(f"一周后：{future}")

示例4：string模块（字符串操作）

import string

# 字符串常量
print(f"小写字母：{string.ascii_lowercase}")
print(f"大写字母：{string.ascii_uppercase}")
print(f"所有字母：{string.ascii_letters}")
print(f"数字：{string.digits}")
print(f"标点符号：{string.punctuation}")

# 使用示例
import random
password = ''.join(random.choices(string.ascii_letters + string.digits, k=8))
print(f"随机密码：{password}")

四、模块的属性

常用模块属性

import math

# 查看模块文档
print(f"文档字符串：{math.__doc__[:50]}...")

# 查看模块文件路径
print(f"文件路径：{math.__file__}")

# 查看模块名称
print(f"模块名称：{math.__name__}")

# 查看模块中的所有名称
print(f"模块内容（前10个）：{dir(math)[:10]}")

查看模块帮助

import math

# 查看模块帮助
# help(math)  # 会显示详细帮助信息

# 查看特定函数的帮助
# help(math.sqrt)

五、导入的注意事项

注意1：避免循环导入

# ❌ 错误：循环导入
# module_a.py
# import module_b

# module_b.py
# import module_a

# ✅ 正确：重构代码，避免循环依赖

注意2：谨慎使用from...import *

# ❌ 不好的做法
from math import *

# 可能覆盖已有变量
print = "Hello"  # 这会覆盖print函数

# ✅ 好的做法：明确导入需要的内容
from math import pi, sqrt

注意3：导入顺序

# ✅ 推荐的导入顺序
# 1. 标准库
import math
import random

# 2. 第三方库
# import numpy

# 3. 本地模块
# import mymodule

注意4：避免重复导入

import math

# 重复导入（Python会自动避免）
import math  # 不会重复加载

# 检查模块是否已导入
import sys
print(f"math是否已加载：{'math' in sys.modules}")

六、实际应用案例

案例1：计算器程序

import math

def calculate(expression):
    """
    计算数学表达式
    
    参数:
        expression: 数学表达式字符串
    
    返回:
        计算结果
    """
    try:
        # 允许使用math模块的函数
        result = eval(expression, {"__builtins__": None}, 
                       {"math": math, "sqrt": math.sqrt, "pow": math.pow})
        return result
    except Exception as e:
        return f"错误：{e}"

# 使用示例
print(calculate("math.sqrt(16)"))      # 输出：4.0
print(calculate("math.pow(2, 3)"))     # 输出：8.0
print(calculate("math.pi * 2"))       # 输出：6.283...

案例2：随机密码生成器

import random
import string

def generate_password(length=12, use_symbols=True):
    """生成随机密码"""
    chars = string.ascii_letters + string.digits
    if use_symbols:
        chars += string.punctuation
    
    return ''.join(random.choices(chars, k=length))

# 使用示例
print(generate_password())                # 生成12位密码
print(generate_password(16, False))         # 生成16位不含符号的密码

案例3：日期时间工具

import datetime

def get_weekday(date_str):
    """获取星期几"""
    date = datetime.datetime.strptime(date_str, "%Y-%m-%d")
    weekdays = ["星期一", "星期二", "星期三", "星期四", 
                "星期五", "星期六", "星期日"]
    return weekdays[date.weekday()]

# 使用示例
print(get_weekday("2024-01-01"))  # 输出：星期一
print(get_weekday("2024-12-25"))  # 输出：星期三

七、最佳实践

实践1：合理使用别名

# ✅ 常用模块的别名
import numpy as np
import pandas as pd
import matplotlib.pyplot as plt
import math as m

实践2：按需导入

# ✅ 只导入需要的内容
from math import sqrt, pi, sin

# 而不是
import math

实践3：组织导入语句

# ✅ 将导入放在文件开头
import math
import random

# 中间可以有注释
# 然后是代码
def my_function():
    pass

实践4：添加文档字符串

"""
模块文档字符串
说明这个模块的用途
"""

# 然后是代码
import math

八、常见错误与调试

错误1：ModuleNotFoundError

# ❌ 错误
# import nonexistent_module

# ✅ 解决：确保模块已安装或路径正确
# pip install package_name

错误2：ImportError

# ❌ 错误：循环导入或依赖问题

# ✅ 解决：检查模块依赖关系

错误3：AttributeError

# ❌ 错误
import math
print(math.nonexistent_function)

# ✅ 解决：使用dir()查看可用功能
import math
print("可用函数：", [name for name in dir(math) if not name.startswith("_")])

调试技巧：打印模块信息

import math

# 查看模块信息
print(f"模块路径：{math.__file__}")
print(f"模块名称：{math.__name__}")
print(f"前10个属性：{dir(math)[:10]}")

九、小结

十、课后练习

练习1

使用math模块计算圆的面积和周长。

练习2

使用random模块生成一个1-100的随机数并猜数字。

练习3

使用datetime模块计算两个日期之间的天数差。

练习4

使用string模块生成一个包含大小写字母和数字的随机字符串。

练习5

创建自己的模块，定义几个函数并在其他程序中使用。