Python 语言被广泛用于各行各业，很大程度上利益于它的模块化系统。在 Python 标准安装时包含了一组自带模块，这些模块称为“标准库”。Python3 标准库参考 https://docs.python.org/3/library/index.html
实际开工中可以根据需要为 Python 增加扩展库。Python 在各行各业有丰富的扩展库，这些扩展库组成了“生态圈”。
一、 模块化编程
一个完整的 Python 程序通常需要借助第三方类库，并且源代码也不可能放在一个源文件中。这些需要以模块方式来组织项目的源代码。
1、 导入模块的语法
使用 import 语句导入模块，主要有两种用法：
（1）、import 模块名1[as 别名1], 模块名2[as 别名2], ...；导入整个模块
（2）、from 模块名 import 成员名1[as 别名1], 成员名2[as 别名2], ...；导入模块中指定成员。
两种导入模块的语法区别有三点：
（1）、第一种语法导入整个模块内的所有成员（包括变量、函数、类等）；
（2）、第二种语法只导入模块内的指定成员（除非使用 from 模块名 import *，不建议用这种语法）。
（3）、用第一种语法导入模块时，在后面的代码中要使用该模块的成员时，必须在成员名前添加模块名或模块别名前缀；使用第二种语法导入模块中的成员时，不使用任何前缀，直接使用成员名或成员别名即可。
下面语法使用简单语法导入指定的整个模块，不使用别名：
import sys # 导入整个 sys 模块
# 要使用 sys 模块名作为前缀来访问模块中的成员
print(sys.argv[0]) # 输出是源程序的文件名
sys 模块下的 argv 变量用于获取运行 Python 程序的命令行参数，其中 argv[0] 获取的是该 Python 程序的文件名。
在导入整个模块时也可以为模块指定别名，此时可通过别名访问模块的成员：
import sys as s # 导入整个 sys 模块，并指定别名为 s
# 使用 s 别名作为前缀访问模块中的成员
print(s.argv[0])
导入整个模块的语法可以一次导入多个模块，多个模块间用逗号隔开，示例如下：
import sys, os # 同时导入 sys、os 两个模块
# 使用模块名作为前缀访问模块中对应的成员
print(sys.argv[0])
print(os.sep)
os 模块的 sep 变量代表系统平台上的路径分隔符。当然，在导入多个模块时也可为模块指定别名，示例如下：
import sys as s, os as o # 为 sys 指定别名 s，为 os 指定别名 o
# 使用模块别名作为前缀访问模块中的成员
print(s.argv[0])
print(o.sep)
使用 from ... import 导入模块的指定成员简单语法是：
from sys import argv # 导入 sys 模块内的 argv 成员
print(argv[0]) # 导入成员后，直接使用成员名调用
当然，使用 from...import 语法导入成员时，也可为成员指定别名访问，无需使用前缀，示例如下：
from sys import argv as v # 为导入的成员使用别名
print(v[0]) # 直接使用成员的别名访问即可
使用 from ... import 导入模块时可以导入同一个模块的多个成员，并且还可为多个成员指定别名，示例如下：
from sys import argv as v, winver as wv # 使用 as 关键字，为不同的成员指定别名
print(v[0])
print(wv) # 记录 Python 的版本号
其中 sys 模块内的 winver 成员记录的是 Python 的版本号。
使用 from ... import 语法还可一次导入指定模块内的所有成员，示例如下：
from sys import * # 导入 sys 模块内的所有成
# 导入所有成员后，直接使用成员名即可访问成员
print(argv[0])
print(winver)
不推荐使用 “from 模块 import *” 的语法导入模块内的所有成员，是因为这样做存在潜在的风险。假设导入的两个模块都有相同的成员 foo() 函数时，那么在后面调用 foo() 函数时，就不知道是在调用哪个模块的 foo() 函数，所以这种导入模块的方法有风险。可以将导入模块的方式改为下面形式：
import module1
import module2 as m2
# 访问模块成员时，加上模块名或别名为前缀，可以很清楚的知道在调用哪个成员
module1.foo()
m2.foo()
# 也可使用 from ... import 语法导入，并指定别名的方式也是可行的
from module2 import foo as foo1
from module2 import foo as foo2
# 直接通过别名访问成员，也可进行更好的区分
foo1()
foo2()
2、 定义模块
模块就是 Python 程序，任何 Python 程序都可作为模块导入。使用模块的好处在于：可将某些全局变量、类、函数等成员放在一个单独的文件（或模块）中，后面不管在哪个代码文件中要使用这些成员，只需要在当前的代码文件中导入包含需要的成员的文件即可，这样可以很好的复用。导入模块，使用模块，避免每个代码文件都需要定义这些重复的成员。
模块文件的文件名就是对应的模块名，比如 sys.py 的模块名就是 sys 一样。
3、 为模块编写说明文档
在定义函数、类的时候应该为函数、类写说明文档，同样也应该为模块写说明文档。模块的说明文档应包含该模块的用途，以及包含的功能等。
模块的说明文档定义在模块的开始处，将说明信息包含在一个三引号内。例如下面这样：
"""
这是 michael 编写的第一个模块，包含的内容有：
N：计数器
foo()：一个简单的函数
User：代表用户的类
"""
这样的一段在模块文件开始处的字符串内容就是模块的说明文档，可通过模块的 __doc__ 属性访问说明文档。例如要访问 sys 模块的
说明，可使用 sys.__doc__ 语句即可。
4、 为模块编写测试代码
测试代码用于测试模块中的每一个程序单元是否都能正常运行。由于模块就是一个 Python 文件，所以可以在命令行下像执行脚本文件一样执行 Python 源代码文件，在命令行使用的是 python 命令来解释和执行模块文件，只要模块文件中包含可执行代码。
直接在命令行下执行模块文件对模块进行测试时，对于不是可执行代码的，比如模块中的变量、函数、类这些成员得不到相应的测试，所以还需要为这些成员提供测试程序。在实际开发项目时，对每个函数、类都需要使用更多的测试用例进行测试，以达到各种覆盖效果。
测试代码要达到的效果是：如果直接使用 python 命令运行该模块（相当于测试），程序应该执行该模块的测试函数；如果是在其他代码文件中导入该模块，则不应该执行该模块的测试函数。为达到这个目的，所有模块有内置的 __name__ 变量进行区分，如果直接使用python 命令运行一个模块，则 __name__ 变量的值为 __main__；如果该模块被导入其他文件中，__name__ 变量的值就是模块名。所以希望测试函数在使用 python 命令直接运行时才执行，可在调用测试函数时增加判断：只有当 __name__ 属性值为 __main__ 时才调用测试函数。可在模块中添加下面这种测试代码即可：
if __name__ == '__main__':
main() # 模块的测试代码细节在 main() 函数中
可将本模块的测试代码细节封装在一个函数或类中，在 “if __name__ == '__main__':” 语句后面调用相应的函数或类即可完成模块的测试。此时，在其他源代码文件中导入该模块时，测试代码也不会执行。
二、加载模块
编程就是用合适的语法告诉计算机，让它帮助完成某个工作，因此计算能完成的事情，是程序员预先告诉它的。
直接使用 import 或 from ... import 语法导入模块时，Python 需要知道去哪里找到这个模块。为了让 Python 能找到自定义模块（或第三方模块），可用下面两种方式告诉它：
（1）、使用环境变量。
（2）、将模块放在默认的模块加载路径下。
1、 使用环境变量
Python 根据 PYTHONPATH 环境变量的值来确定到哪里去加载模块。该变量的值是多个路径的集合，会依次搜索 PYTHONPATH 环境变量所指定的多个路径，试图从中找到程序要加载的模块。
（1）、 Windows 平台上设置环境变量
右击 “计算机” 图标选择 “属性” 菜单，系统显示“控制面板所有控制面板项系统” 窗口，单击该窗口左边栏中的 “高级系统设置”，“出现系统属性” 对话框，单击该对话框中的“高级”选项中的“环境变量”按钮，此时可看到 “环境变量” 对话框，通过该对话框可添加或修改环境变量。
在“环境变量”对话框中，上面是 “用户变量” 部分用于设置当前用户的环境变量，下面是“系统变量” 部分用于设置整个系统的环境变量。系统变量对所有用户有效，在搜索路径时，系统变量的路径排在用户变量路径之前。
单击用户变量中的 “新建” 按钮后，在 “变量名” 文本框中输入 PYTHONPATH，“变量值” 文本框中输入 .;d:python_module，点击确定后就创建了一个环境变量名是 PYTHONPATH，路径是 .;d:python_module 的环境变量。变量值中的路径以英文分号为分隔符，第一条路径为一个点（.），表示的是当前路径，即当运行 Python 时，Python 总能从当前路径加载模块；第二条路径是 d:python_module，表示运行 Python 时，可以从 d:python_module 中加载模块。
设置成功后，可将 Python 源代码文件放在与当前运行 Python 程序相同的路径中或放在 d:python_module 路径下，这些源代码文件就能被成功加载。
（2）、 在 Linux 上设置环境变量
在 Linux 命令行界面下，进入到当前用户的 home 目录下，可执行 ls -a 命令列出当前目录下的所有文件，包括隐藏文件。Linux 平台的环境变量是通过 .bash_profile 文件来设置的，用 vim 打开该文件并添加 PYTHONPATH 环境变量，添加下面一行：
PYTHONPATH=.:/home/michael/python_module
Linux 平台上的路径分隔符是冒号（:），上面这一行设置了两个路径：点（.）是当前路径；另一条是当前用户目录下的 python_module 目录下。设置完 PYTHONPATH 变量值后，还需要在 .bash_profile 文件的最后面添加导出 PYTHONPATH 变量的语句：
保存并退出 .bash_profile 文件，并执行命令：
让 .bash_profile 文件中设置的 PYTHONPATH 变量值生效。设置完环境变量后，只要将自定义的模块（Python 源代码文件）放在 /home/michael/python_module 目录下，该模块就可以被成功加载。
当在代码中重复导入同一个模块时，Python 只会导入一次。因为这些变量、函数、类等程序单元都只需要定义一次即可，不必导入多次。
2、 默认的模块加载路径
在安装第三方模块时，应直接安装在 Python 内部，这样可被所有程序共享，此时需要借助于 Python 默认的模块加载路径。Python 默认的模块加载路径由 sys.path 变量代表，在交互式解释器下执行下面命令可查看 Python 默认的模块加载路径。
import sys, pprint
pprint.pprint(sys.path) # 输出省略
这里使用 pprint 模块下的 pprint() 函数代替普通的 print() 函数，可以对要打印的内容有更友好的显式。通常应将扩展模块添加在 libsite-packages 路径下，它专用于存放 Python 的扩展模块和包。
示例，将下面的代码保存为 print_shape.py 文件，并将该文件放在 libsite-packages 目录下。
1 """
2 一个简单的测试模块，该模块包含以下内容
3 my_list：列表变量
4 print_triangle：打印由星号组成的三角形函数
5 """
6 my_list = ['python', 'java', 'javascript']
7 def print_triangle(n):
8 """打印由星号组成的三角形"""
9 if n <= 0:
10 raise ValueError("n 必须大于 0")
11 for i in range(n):
12 print(" " * (n - i - 1), end=" ")
13 print("*" * (i * 2 + 1), end=" ")
14 print()
15
16 # 下面是测试代码
17 def test_print_triangle():
18 print_triangle(5)
19 print_triangle(3)
20 print_triangle(8)
21
22 if __name__ == '__main__':
23 test_print_triangle()
将上面代码保存为 print.shape.py 文件，并将该文件放在 libsite-packages 目录下后，就相当于为 Python 扩展了一个 print_shape 模块，现在在任何 Python 程序中都可以使用该模块，在 Python 交互式解释器中可以进行测试，示例如下：
import pring_shape as ps
print(ps.__doc__) # 输出模块的描述信息
ps.print_triangle.__doc__ # 查看模块中 print_triangle 函数的描述信息
ps.my_list[2] # 测试模块中 my_list 变量
ps.print_triangle(5) # 测试模块中 print_triangle() 函数，该函数的输出如下：
*
***
*****
*******
*********
通过上面的一些测试表明该模块完全可以正常运行。
2、模块导入的本质
在当前的代码文件中导入某一个模块时（比如前面的 print_shape 模块），执行当前的源代码文件，import 导入的模块文件也会自动执行，当导入的模块中含有可执行代码，此时模块中的可执行代码就获得执行的机会，所以在模块中尽量不写可执行的代码。此外，在当前的执行程序中还包含一个与模块同名的变量，变量的类型是 module（可通过 print(type(print_shape)) 查看）。
因此，当使用 “import print_shape” 导入模块的本质就是：将 print_shape 中的全部代码加载到内存并执行，然后将整个模块内容赋值给与模块同名的变量，该变量的类型是 module ，在模块中定义的所有程序单元都相当于该 module 对象的成员。
当使用 from ... import 语句只导入模块中部分成员（比如 from print_shape import my_list），该模块中的可执行代码也会在 import 时自动执行，这说明了 Python 依然会加载并执行模块中的代码。所以，使用 from ... import 导入模块中的成员的本质是：将模块中的全部代码加载到内存并执行，然后只导入指定变量、函数等成员单元，并不会将整个模块导入，此时在使用 print(type(print.shape)) 语句时，会得到错误提示 NameError: name 'print_shape' is not defined。
在导入模块后，可在模块文件所在目录下看到一个名为 “__pycache__” 的文件夹，在该文件夹下可看到 Python 为每个模块都生成一个 *.cpython-36.pyc 文件，比如 Python 为 print_shape 模块生成一个 print_shape.cpython-36.pyc 文件，该文件是Python 为模块编译生成的字节码，用于提升该模块的运行效率。其中的 36 表示 Python 的版本号。
4、 模块的 __all__ 变量
在使用 “from 模块名 import *” 语句导入模块时，会在当前程序中导入该模块中所有不以下划线开头的程序单元。除此之外，还可以在模块中定义 __all__ 变量，该变量的值是一个列表，只有在该列表中的程序单元才会被暴露出来（允许被导入）。示例如下，在 print_shape 模块中定义 __all__ 变量，代码如下：
1 _name = 'michael' # 测试以下划线开头的变量能否被导入
2 my_list = ['python', 'java', 'javascript']
3 print('hello world')
4 def print_triangle(n):
5 """打印由星号组成的三角形"""
6 if n <= 0:
7 raise ValueError("n 必须大于 0")
8 for i in range(n):
9 print(" " * (n - i - 1), end=" ")
10 print("*" * (i * 2 + 1), end=" ")
11 print()
12
13 # 下面是测试代码
14 def test_print_triangle():
15 print_triangle(5)
16 print_triangle(3)
17 print_triangle(8)
18
19 # 定义 __all__ 变量，默认只导入 my_list 和 print_triangle 两个成员，注意列表的元素是字符串形式
20 __all__ = ['my_list', 'print_triangle']
21
22 if __name__ == '__main__':
23 test_print_triangle()
在这个 print_shape.py 模块中，定义了一个以下划线开头的变量_name、一条可执行语句 print、一个列表变量 my_list和两个函数，现在在当前模块所在的目录下的另一个源代码文件中导入这个模块，代码如下所示：
from print_shape import *
# 把 print_shape.py 模块中的 __all__ 变量这一行注释掉后可测试下面这行代码
# print(_name) # 提示：NameError: name '_name' is not defined
print(my_list)
print_triangle(3)
test_print_triangle() # 提示函数未定义
运行代码，输出结果如下所示：
hello world
['python', 'java', 'javascript']
*
***
*****
Traceback (most recent call last):
File "cp9_exercise.py", line 15, in <module>
test_print_triangle()
NameError: name 'test_print_triangle' is not defined
从输出结果可知，使用 “from print_shape import * ” 导入了 print_shape 模块下的程序单元，但由于该模块有 __all__ 变量，因此该语句只导入 __all__ 变量所列出的程序单元。另外，模块中以下划线开头的成员同样可以放在 __all__ 变量中，该下划线开头的成员同样可以被导入。要注意的是，__all__ 变量列表的元素只能是字符串，模块中的成员只能以字符串的形式出现在 __all__ 变量的列表中。
__all__ 变量为模块定义了一个开放的公共接口。在大型模块中可能有大量不需要使用的变量、函数和类等，可通过设置 __all__ 变量来把它们过滤掉。如果仍然希望使用模块内 __all__ 列表之外的程序单元，有两种方法可用：
（1）、第一种是使用 “import 模块名” 导入模块。用过种方式导入模块，总可以使用模块名前缀来调用模块内的成员。
（2）、第二种是使用 “from 模块名 import 程序单元” 来导入指定程序单元，即使要导入的程序单元没有在 __all__ 列表中，也可以导入。