【转】python模块导入细节

【转】python模块导入细节

python模块导入细节

官方手册：https://docs.python.org/3/tutorial/modules.html

可执行文件和模块

python源代码文件按照功能可以分为两种类型：

1. 用于执行的可执行程序文件
   
2. 不用与执行，仅用于被其它python源码文件导入的模块文件

例如文件a.py和b.py在同一目录下，它们的内容分别是：

# b.py
x="var x in module b"
y=5

# a.py：
import b
import sys
print(b.x)
print(b.y)

a.py导入其它文件(b.py)后，就可以使用b.py文件中的属性(如变量、函数等)。这里，a.py就是可执行文件，b.py就是模块文件，但模块名为b，而非b.py。

python提供了一些标准库，是预定义好的模块文件，例如上面的sys模块。

在此有几个注意点，在后面会详细解释：

1. 模块b的文件名为b.py，但import导入的时候，使用的名称为b，而非b.py
   
2. a.py和b.py是在同一个目录下的，如果不在同目录下能否导入？
   
3. 在a.py中访问b.py模块中的属性时，使用的是b.x、b.y
   
4. 上面都是直接以模块名导入的，python还支持更复杂的包导入方式，例如导入abc/b.py时，使用import abc.b。下一篇文章会详细解释包的导入方式

python模块搜索路径

在a.py中导入模块b的时候，python会做一系列的模块文件路径搜索操作：b.py在哪里？只有找到它才能读取、运行(装载)该模块。

在任何一个python程序启动时，都会将模块的搜索路径收集到sys模块的path属性中(sys.path)。当python需要搜索模块文件在何处时，首先搜索内置模块，如果不是内置模块，则搜索sys.path中的路径列表，搜索时会从该属性列出的路径中按照从前向后的顺序进行搜索，并且只要找到就立即停止搜索该模块文件(也就是说不会后搜索的同名模块覆盖先搜索的同名模块)。

例如，在a.py文件中输出一下这个属性的内容：

# a.py：
import sys
print(sys.path)

结果：

['G:\pycode', 'C:\Program Files (x86)\Python36-32\python36.zip', 'C:\Program Files (x86)\Python36-32\DLLs', 'C:\Program Files (x86)\Python36-32\lib', 'C:\Program Files (x86)\Python36-32', 'C:\Users\malong\AppData\Roaming\Python\Python36\site-packages', 'C:\Program Files (x86)\Python36-32\lib\site-packages']

python模块的搜索路径包括几个方面，按照如下顺序搜索：

• 程序文件(a.py)所在目录，即G:\pycode
  
• 环境变量PYTHONPATH所设置的路径(如果定义了该环境变量，则从左向右的顺序搜索)
  
• 标准库路径
  
• .pth文件中定义的路径

需要注意，上面sys.path的结果中，除了.zip是一个文件外，其它的搜索路径全都是目录，也就是从这些目录中搜索模块X的文件X.py是否存在。

程序所在目录

这个目录是最先搜索的，且是python自动搜索的，无需对此进行任何设置。从交互式python程序终输出sys.path的结果：

>>> sys.path
['', 'C:\WINDOWS\system32', 'C:\Program Files (x86)\Python36-32\Lib\idlelib', 'C:\Program Files (x86)\Python36-32\python36.zip', 'C:\Program Files (x86)\Python36-32\DLLs', 'C:\Program Files (x86)\Python36-32\lib', 'C:\Program Files (x86)\Python36-32', 'C:\Users\malong\AppData\Roaming\Python\Python36\site-packages', 'C:\Program Files (x86)\Python36-32\lib\site-packages']

其中第一个''表示的就是程序所在目录。

注意程序所在目录和当前目录是不同的。例如，在/tmp/目录下执行/pycode中的a.py文件

cd /tmp
python /pycode/a.py

其中/tmp为当前目录，而/pycode是程序文件a.py所在的目录。如果a.py中导入b.py，那么将首先搜索/pycode，而不是/tmp。

环境变量PYTHONPATH

这个变量中可以自定义一系列的模块搜索路径列表，这样可以跨目录搜索(另一种方式是设置.pth文件)。但默认情况下这个环境变量是未设置的。

在windows下，设置PYTHONPATH环境变量的方式：命令行中输入：SystemPropertiesAdvanced-->环境变量-->系统环境变量新建

如果是多个路径，则使用英文格式的分号分隔。以下是临时设置当前命令行窗口的PYTHONPATH：

set PYTHONPATH='D:pypath; d:pypath1'

在unix下，设置PYTHONPATH环境变量的方式，使用冒号分隔多个路径：

PYTHONPATH=/tmp/pypath1:/tmp/pypath2

如果要永久生效，则写入配置文件中：

echo 'export PYTHONPATH=/tmp/pypath1:/tmp/pypath2' >/etc/profile.d/pypth.sh
chmod +x /etc/profile.d/pypth.sh
source /etc/profile.d/pypth.sh

标准库路径

在Linux下，标准库的路径一般是在/usr/lib/pythonXXX/下(XXX表示python版本号)，此目录下有些分了子目录。

例如：

['', '/usr/lib/python35.zip', '/usr/lib/python3.5', '/usr/lib/python3.5/plat-x86_64-linux-gnu', '/usr/lib/python3.5/lib-dynload', '/usr/local/lib/python3.5/dist-packages', '/usr/lib/python3/dist-packages']

其中/usr/lib/python3.5和其内的几个子目录都是标准库的搜索路径。

注意其中/usr/lib/python35.zip，它是ZIP文件组件，当定义此文件为搜索路径时，将自动解压缩该文件，并从此文件中搜索模块。

Windows下根据python安装位置的不同，标准库的路径不同。如果以默认路径方式安装的python，则标准库路径为C:\Program Files (x86)\Python36-32及其分类的子目录。

.pth文件自定义路径

可以将自定义的搜索路径放进一个.pth文件中，每行一个搜索路径。然后将.pth文件放在python安装目录或某个标准库路径内的sitepackages目录下即可。

这是一种替换PYTHONPATH的友好方式，因为不同操作系统设置环境变量的方式不一样，而以文件的方式记录是所有操作系统都通用的。

例如，windows下，在python安装目录C:\Program Files (x86)\Python36-32下新增一个mypath.pth文件，内容如下：

d:pypath1
d:pypath2

再去输出sys.path，将可以看到这两个路径已经放进了搜索列表中。

修改搜索路径

除了上面环境变量和.pth文件，还可以直接修改sys.path或者site.getsitepackages()的结果。

例如，在import导入sys模块之后，可以修改sys.path，向这个列表中添加其它搜索路径，这样之后导入其它模块的时候，也会搜索该路径。

例如：

import sys
sys.path.append('d:\pypath3')
print(sys.path)

sys.path的最后一项将是新添加的路径。

导入模块的细节

导入模块时的过程

python的import是在程序运行期间执行的，并非像其它很多语言一样是在编译期间执行。也就是说，import可以出现在任何地方，只有执行到这个import行时，才会执行导入操作。且在import某个模块之前，无法访问这个模块的属性。

python在import导入模块时，首先搜索模块的路径，然后编译并执行这个模块文件。虽然概括起来只有两个过程，但实际上很复杂。

前文已经解释了import的模块搜索过程，所以这里大概介绍import的其它细节。

以前面的a.py中导入模块文件b.py为例：

import b

import导入模块时，搜索到模块文件b.py后：

1.首先在内存中为每个待导入的模块构建module类的实例：模块对象。这个模块对象目前是空对象，这个对象的名称为全局变量b。

注意细节：module类的对象，变量b。

输出下它们就知道：

print(b)
print(type(b))

输出结果：

<module 'b' from 'g:\pycode\b.py'>
<class 'module'>

因为b是全局变量，所以当前程序文件a.py中不能重新对全局变量b进行赋值，这会使导入的模块b被丢弃。例如，下面是错误的：

import b
b=3
print(b.x)   # 已经没有模块b了

另外，因为import导入时是将模块对象赋值给模块变量，所以模块变量名不能是python中的一些关键字，比如if、for等，这时会报错。虽然模块文件名可以为list、keys等这样的内置函数名，但这会导致这些内置函数不可用，因为根据变量查找的作用域规则，首先查找全局变量，再查找内置作用域。也就是说，模块文件的文件名不能是这些关键字、也不应该是这些内置函数名。

  File "g:/pycode/new.py", line 11
    import if
            ^
SyntaxError: invalid syntax

2.构造空模块实例后，将编译、执行模块文件b.py，并按照一定的规则将一些结果放进这个模块对象中。

注意细节，编译、执行b.py、将结果保存到模块对象中。

模块第一次被导入的时候，会进行编译，并生成.pyc字节码文件，然后python执行这个pyc文件。当模块被再次导入时，如果检查到pyc文件的存在，且和源代码文件的上一次修改时间戳mtime完全对应(也就是说，编译后源代码没有进行过修改)，则直接装载这个pyc文件并执行，不会再进行额外的编译过程。当然，如果修改过源代码，将会重新编译得到新的pyc文件。

注意，并非所有的py文件都会生成编译得到的pyc文件，对于那些只执行一次的程序文件，会将内存中的编译结果在执行完成后直接丢弃(多数时候如此，但仍有例外，比如使用compileall模块可以强制编译成pyc文件)，但模块会将内存中的编译结果持久化到pyc文件中。另外，运行字节码pyc文件并不会比直接运行py文件更快，执行它也一样是一行行地解释、执行，唯一快的地方在于导入装载的时候无需重新编译而已。

执行模块文件(已完成编译)的时候，按照一般的执行流程执行：一行一行地、以代码块为单元执行。一般地，模块文件中只用来声明变量、函数等属性，以便提供给导入它的模块使用，而不应该有其他任何操作性的行为，比如print()操作不应该出现在模块文件中，但这并非强制。

总之，执行完模块文件后，这个模块文件将有一个自己的全局名称空间，在此模块文件中定义的变量、函数等属性，都会记录在此名称空间中。

最后，模块的这些属性都会保存到模块对象中。由于这个模块对象赋值给了模块变量b，所以通过变量b可以访问到这个对象中的属性(比如变量、函数等)，也就是模块文件内定义的全局属性。

只导入一次

假设a.py中导入了模块b和模块sys，在b.py中也导入了模块sys，但python默认对某个模块只会导入一次，如果a.py中先导入sys，再导入b，那么导入b并执行b.py的时候，会发现sys已经导入了，不会再去导入sys。

实际上，python执行程序的时候，会将所有已经导入的模块放进sys.module属性中，这是一个dict，可以通过下面的方式查看已导入的模块名：

>>> import sys
>>> list(sys.module.keys())

如果某个程序文件中多次使用import(或from)导入同一个模块，虽然不会报错，但实际上还是直接使用内存中已装载好的模块对象。

例如，b.py中x=3，导入它之后修改该值，然后再次导入，发现b.x并不会发生改变：

import b
print(b.x)   # 3

b.x=33
print(b.x)  # 33

import b 
print(b.x)  # 33

但是python提供了reload进行多次重复导入的方法，见后文。

使用别名

import导入时，可以使用as关键字指定一个别名作为模块对象的变量，例如：

import b as bb
bb.x=3
print(bb.x)

这时候模块对象将赋值给变量bb，而不是b，b此时不再是模块对象变量，而仅仅只是模块名。使用别名并不会影响性能，因为它仅仅只是一个赋值过程，只不过是从原来的赋值对象变量b变为变量bb而已。

from导入部分属性

import语句是导入模块中的所有属性，并且访问时需要使用模块变量来引用。例如：

import b
print(b.x)

除了import，还有一个from语句，表示从模块中导入部分指定的属性，且使得可以直接使用这些属性的名称来引用这些属性，而不需要加上模块变量名。例如原来import导入时访问变量x使用b.x，from导入时只需使用x即可。实际上，from导入更应该称为属性的再次赋值(拷贝)。

例如，b.py中定义了变量x、y、z，同时定义了函数f()和g()，在a.py中导入这个模块文件，但只导入x变量和f函数：

# a.py文件内容:
from b import x,f

print(x)
f()

# b.py文件内容：
x=3
y=4
z=5
def f():
    print("function f in b.py")

def g():
    print("function g in b.py")

注意上面a.py中引用模块b中属性的方式没有加上b.X，而是直接使用x和f()来引用。这和import是不一样的。至于from和import导入时的变量名称细节，在下面的内容中会详细解释。

虽然from语句只导入模块的部分属性，但实际上仍然会完整地执行整个模块文件。

同样的，from语句也可以指定导入属性的变量别名，例如，将b.py中的属性x赋值给xx，将y赋值给yy：

from b import x as xx,y as yy
print(xx)
print(yy)

from语句还有一个特殊导入统配符号*，它表示导入模块中的所有属性。

# a.py文件：
from b import *
print(x,y,z)
f()
g()

多数时候，不应该使用from *的方式，因为我们可能会忘记某个模块中有哪些属性拷贝到了当前文件，特别是多个from *时可能会出现属性覆盖的问题。

重载模块：imp.reload()

无论时import还是from，都只导入一次模块，但使用reload()可以强制重新装载模块。

reload()是imp模块中的一个函数，所以要使用imp.reload()之前，必须先导入imp。

from imp import reload
reload(b)

reload()是一个函数，它的参数是一个已经成功被导入过的模块变量(如果使用了别名，则应该使用别名作为reload的参数)，也就是说该模块必须在内存中已经有自己的模块对象。

reload()会重新执行模块文件，并将执行得到的属性完全覆盖到原有的模块对象中。也就是说，reload()会重新执行模块文件，但不会在内存中建立新的模块对象，所以原有模块对象中的属性可能会被修改。

例如，模块文件b.py中x=3，导入b模块，修改其值为33，然后reload这个模块，会发现值重新变回了3。

import b
print(b.x)  # 3

b.x=33
print(b.x)  # 33

from imp import reload
reload(b)

print(b.x)  # 3

有时候reload()很有用，可以让程序无需重启就执行新的代码。例如，在python的交互式模式下导入模块b，然后修改python源码，再reload导入：

>>> import b
>>> b.x
3

# 不要关掉交互式解释器，直接修改源代码中的b=3333

>>> from imp import reload
>>> reload(b)
<module 'b' from 'G:\pycode\b.py'>
>>> b.x
3333

但正因为reload()重载模块会改变原始的值，这可能是很危险的行为，一定要清楚地知道它是在干什么。

导入模块时的变量名称细节

import导入的变量

import导入时，模块对象中的属性有自己的名称空间，然后将整个模块对象赋值给模块变量。

例如，在a.py中导入b：

import b
print(b.x)

这个过程唯一和当前文件a.py作用域有关的就是模块对象变量b，b.py中声明的属性和当前文件无任何关系。无论是访问还是修改，都是直接修改这个模块对象自身作用域中的值。所以，只要模块变量b不出现冲突问题，可以放心地修改模块b中的属性。

另一方面，因为每个进程都有自己的内存空间，所以在a.py、c.py中都导入b时，a.py中修改b的属性值不会影响c.py中导入的属性，a.py和c.py中模块对象所保存的属性都是执行b.py后得到的，它们相互独立。

from导入的变量

from导入模块时，会先执行完模块文件，然后将指定的部分属性重新赋值给当前程序文件的同名全局变量。

例如，在模块文件b.py中定义了x、y、z变量和f()、g()函数：

# b.py：
x=3
y=4
b=5
def f():
    print("function f in b.py")

def g():
    print("function g in b.py")

当在a.py中导入b模块时，如果只导入x、y和f()：

# a.py：
from b import x, y, f

实际上的行为是构造模块对象后，将这个模块对象对应的名称空间中的属性x、y和f重新赋值给a.py中的变量x、y和f，然后丢弃整个模块对象以及整个名称空间。换句话说，b不再是一个有效的模块变量(所以和import不一样)，来自b的x,y,z,f和g也都被丢弃。

这里有几个细节，需要详细解释清楚，只有理解了才能搞清楚它们是怎么生效的。

假设现在模块文件b.py的内容为，并且a.py中导入x,y,f属性：

# b.py：
x=3
y=[1,2]
z=5
def f():
    print("function f in b.py")

def g():
    print("function g in b.py")

# a.py：
from b import x,y,f

首先在执行模块文件b.py时，会构造好自己的模块对象，并且模块对象有自己的名称空间(作用域)，模块对象构造完成后，它的名称空间大致如下：

然后python会在a.py的全局作用域内创建和导入属性同名的全局变量x，y和f，并且通过赋值的方式将模块的属性赋值给这些全局变量，也就是：

x = b.x
y = b.y
f = b.f

上面的b只是用来演示，实际上变量b是不存在的。

赋值完成后，我们和构造的整个模块对象就失去联系了，因为没有变量b去引用这个对象。但需要注意，这个对象并没有被删除，仅仅只是我们无法通过b去找到它。

所以，现在的示意图如下：

因为是赋值的方式传值的，所以在a.py中修改这几个变量的值时，是直接在模块对象作用域内修改的：对于不可变对象，将在此作用域内创建新对象，对于可变对象，将直接修改原始对象的值。

另一方面，由于模块对象一直保留在内存中，下次继续导入时，将直接使用该模块对象。对于import和from，是直接使用该已存在的模块对象，对于reload，是覆盖此模块对象。

例如，在a.py中修改不可变对象x和可变对象y，之后import或from时，可变对象的值都会随之改变，因为它们使用的都是原来的模块对象：

from b import x,y

x=33
y[0]=333

from b import x,y
print((x,y))        # 输出(3, [333, 2])

import b
print((b.x,b.y))    # 输出(3, [333, 2])

from导入时，由于b不再是模块变量，所以无法再使用reload(b)去重载对象。如果想要重载，只能先import，再reload：

from b import x,y
...CODE...

# 想要重载b
import b
from imp import reload
reload(b)

查看模块中的属性

内置函数dir可用于列出某模块中定义了哪些属性。

import b
dir(b)

输出结果：

['__builtins__', '__cached__', '__doc__', '__file__', '__loader__', '__name__', '__package__', '__spec__', 'f', 'g', 'x', 'y', 'z']

可见，模块的属性中除了自己定义的属性外，还有一些内置的属性，比如上面以__开头和结尾的属性。

如果dir()不给任何参数，则输出当前环境下定义的名称属性：

>>> import b
>>> x=3
>>> aaa=333
>>> dir()
['__annotations__', '__builtins__', '__doc__', '__loader__', '__name__', '__package__', '__spec__', 'aaa', 'b', 'x']

每个属性都对应一个对象，例如x对应的是int对象，b对应的是module对象：

>>> type(x)
<class 'int'>
>>> type(b)
<class 'module'>

既然是对象，那么它们都会有自己的属性。例如:

>>> dir(x)
['__abs__', '__add__', '__and__', '__bool__', '__ceil__', '__class__', '__delattr__', '__dir__', '__divmod__', '__doc__', '__eq__', '__float__', '__floor__', '__floordiv__', '__format__', '__ge__', '__getattribute__', '__getnewargs__', '__gt__', '__hash__', '__index__', '__init__', '__init_subclass__', '__int__', '__invert__', '__le__', '__lshift__', '__lt__', '__mod__', '__mul__', '__ne__', '__neg__', '__new__', '__or__', '__pos__', '__pow__', '__radd__', '__rand__', '__rdivmod__', '__reduce__', '__reduce_ex__', '__repr__', '__rfloordiv__', '__rlshift__', '__rmod__', '__rmul__', '__ror__', '__round__', '__rpow__', '__rrshift__', '__rshift__', '__rsub__', '__rtruediv__', '__rxor__', '__setattr__', '__sizeof__', '__str__', '__sub__', '__subclasshook__', '__truediv__', '__trunc__', '__xor__', 'bit_length', 'conjugate', 'denominator', 'from_bytes', 'imag', 'numerator', 'real', 'to_bytes']

所以，也可以直接dir某个模块内的属性：

import b
dir(b.x)
dir(b.__name__)

dir()不会列出内置的函数和变量，如果想要输出内置的函数和变量，可以去标准模块builtins中查看，因为它们定义在此模块中：

import builtins
dir(buildins)