[Python教學] 中級：模組與套件

Python 模組和套件系統讓我們的程式可以變得更高效且具備更多功能。本篇文章將深入介紹 Python 的模組，包括模組的匯入與使用、Python 的內建模組，以及如何透過 pip 安裝第三方套件，讓您的開發流程更加便利。

1. 模組的匯入與使用

Python 的模組是一組封裝好的程式碼，可以匯入到其他 Python 檔案中使用，避免重複撰寫相同的程式碼並提高程式的組織性。Python 本身內建了許多模組，此外，我們也可以建立自訂模組或安裝第三方套件來擴展功能。

匯入模組的語法

Python 提供幾種不同的匯入方式，視情況選擇適合的方式：

import 模組名稱

這種語法將整個模組匯入，可以使用 模組名稱.功能 的格式來調用模組中的功能。

範例：匯入 math 模組

import math
result = math.sqrt(16)  # 使用 math 模組的 sqrt 函數
print("16 的平方根是：", result)

使用 from 關鍵字匯入特定功能

如果只想匯入模組中的部分功能，可以使用 from 模組 import 功能 的語法。

from math import sqrt, pi
print("16 的平方根是：", sqrt(16))
print("圓周率 pi 的值是：", pi)

使用 as 關鍵字設定別名

當模組名稱太長或容易和變數名混淆時，我們可以為模組設定一個別名。

import math as m
print("16 的平方根是：", m.sqrt(16))

2. Python 內建模組

Python 提供了大量的內建模組，讓開發者可以直接使用，無需安裝。以下是幾個常用的內建模組介紹：

2.1 math 模組

math 模組包含了許多數學運算函數，例如平方根、三角函數、對數運算等。

import math
print("16 的平方根是：", math.sqrt(16))
print("圓周率 pi 的值是：", math.pi)

2.2 random 模組

random 模組提供生成隨機數的功能，適合用於隨機抽樣、模擬、遊戲開發等應用。

常用功能

• 生成隨機整數：random.randint(a, b)
• 從序列中隨機選擇：random.choice(sequence)
• 生成 0 到 1 的隨機浮點數：random.random()

範例

import random

print("隨機整數：", random.randint(1, 10))
print("隨機選擇一個元素：", random.choice(['apple', 'banana', 'cherry']))

2.3 os 模組

os 模組提供了操作系統層面的功能，比如文件和目錄管理。這個模組讓我們能夠輕鬆地與作業系統互動。

常用功能

• 獲取當前工作目錄：os.getcwd()
• 變更目錄：os.chdir(path)
• 列出目錄內容：os.listdir(path)
• 檢查路徑是否存在：os.path.exists(path)

範例

import os

current_dir = os.getcwd()
print("目前目錄：", current_dir)

os.makedirs("test_directory", exist_ok=True)
print("目錄內容：", os.listdir(current_dir))

2.4 sys 模組

sys 模組用於與 Python 解釋器互動，主要提供系統級別的參數和函數，比如獲取命令行參數、控制解釋器的執行等。

常用功能

• 命令行參數：sys.argv（第一個參數為程式名稱，之後為命令行參數）
• 退出程序：sys.exit()
• 獲取 Python 版本：sys.version

範例

import sys

print("Python 版本：", sys.version)
print("命令行參數：", sys.argv)

2.5 time 模組

time 模組提供了時間相關的操作，如取得當前時間、計算執行時間等。

常用功能

• 獲取當前時間（秒）：time.time()
• 延遲執行：time.sleep(seconds)
• 格式化時間：time.strftime(format, time.localtime())

範例

import time

print("當前時間（秒）：", time.time())
time.sleep(1)
print("一秒後執行")
print("格式化時間：", time.strftime("%Y-%m-%d %H:%M:%S", time.localtime()))

2.6 datetime 模組

datetime 模組提供了處理日期和時間的高級功能，適合用於時間戳記、日期計算等應用，比 time 模組更直觀。

常用功能

• 取得當前日期和時間：datetime.datetime.now()
• 取得特定日期時間：datetime.datetime(year, month, day, hour, minute, second)
• 日期運算：加減時間，計算日期之間的差值

範例

from datetime import datetime, timedelta

now = datetime.now()
print("現在時間：", now)

# 加一天
tomorrow = now + timedelta(days=1)
print("明天這時候：", tomorrow)

2.7 re 模組（正則表達式）

re 模組提供了正則表達式操作，用於模式匹配和字符串操作，特別適合進行複雜的字串處理。

常用功能

• 搜尋字串是否符合正則表達式：re.search(pattern, string)
• 替換字串：re.sub(pattern, repl, string)
• 分割字串：re.split(pattern, string)

範例

import re

text = "Hello, my number is 12345"
match = re.search(r"\d+", text)
if match:
    print("找到數字：", match.group())

2.8 collections 模組

collections 模組提供了幾種高效的資料結構，例如 Counter、defaultdict、namedtuple，適合處理複雜的資料需求。

常用功能

• 計算元素頻率：Counter
• 帶有預設值的字典：defaultdict
• 具名元組：namedtuple

範例

from collections import Counter, defaultdict, namedtuple

# Counter
counter = Counter("hello world")
print("字母出現次數：", counter)

# defaultdict
dd = defaultdict(int)
dd['apple'] += 1
print("defaultdict：", dd)

# namedtuple
Point = namedtuple("Point", ["x", "y"])
p = Point(10, 20)
print("Point：", p.x, p.y)

2.9 json 模組

json 模組用於解析和生成 JSON 資料格式，適合處理 API 數據、存取結構化資料。

常用功能

• 將 Python 資料轉換為 JSON：json.dumps(obj)
• 將 JSON 字串解析為 Python 資料：json.loads(json_string)

範例

import json

data = {'name': 'John', 'age': 30, 'city': 'New York'}
json_data = json.dumps(data)
print("轉為 JSON 字串：", json_data)

parsed_data = json.loads(json_data)
print("解析 JSON：", parsed_data)

3. 安裝第三方套件（pip）

Python 的 pip 工具用於管理和安裝第三方套件。第三方套件是一群由社群開發的模組，存放在 Python 的官方套件庫 PyPI 上，能大幅擴展 Python 的功能。

檢查是否安裝了 pip

一般來說，Python 會自帶 pip，但可以透過以下指令確認：

pip --version

若無法找到 pip，可以到 Python 官方網站 下載最新版的 Python，或執行 python -m ensurepip --upgrade 來安裝 pip。

使用 pip 安裝套件

以下是使用 pip 安裝、更新、列出和移除套件的基本指令：

• 安裝套件：pip install 套件名稱
• 更新套件：pip install --upgrade 套件名稱
• 列出已安裝套件：pip list
• 移除套件：pip uninstall 套件名稱

範例：安裝 requests 套件

requests 是一個用於 HTTP 請求的套件，可以幫助我們向網站發送請求並取得網頁內容。

pip install requests

安裝後，可以在 Python 程式中使用 requests 模組來取得網頁數據：

import requests

response = requests.get("https://jsonplaceholder.typicode.com/posts/1")
print(response.json())

使用 requirements.txt 來管理專案依賴

當開發一個需要多個套件的專案時，可以使用 requirements.txt 文件來列出所有依賴套件，並使用以下指令安裝所有列出的套件：

pip install -r requirements.txt

requirements.txt 文件格式非常簡單，每行指定一個套件名稱，後面可以跟套件的版本號：

requests==2.26.0
numpy==1.21.2

總結

本文介紹了 Python 模組的匯入和使用方法、常見的內建模組和其應用範例、以及如何使用 pip 安裝和管理第三方套件。掌握這些模組和套件管理技巧，能有效提升開發效率，幫助您更靈活地應對各種程式需求。希望這篇文章能讓您對 Python 模組和套件系統有更深入的理解！