10. 標準庫簡要介紹¶
10.1. 作業系統介面¶
os 模組提供了數十個用於與作業系統互動的函式。
>>> import os
>>> os.getcwd() # Return the current working directory
'C:\\Python314'
>>> os.chdir('/server/accesslogs') # Change current working directory
>>> os.system('mkdir today') # Run the command mkdir in the system shell
0
請務必使用 import os 樣式而不是 from os import *。這會防止 os.open() 遮蓋內建的 open() 函式，兩者的操作方式大不相同。
內建的 dir() 和 help() 函式作為互動式輔助工具非常有用，可用於處理像 os 這樣的大型模組。
>>> import os
>>> dir(os)
<returns a list of all module functions>
>>> help(os)
<returns an extensive manual page created from the module's docstrings>
對於日常檔案和目錄管理任務，shutil 模組提供了一個更高級別、更易於使用的介面。
>>> import shutil
>>> shutil.copyfile('data.db', 'archive.db')
'archive.db'
>>> shutil.move('/build/executables', 'installdir')
'installdir'
10.2. 檔案萬用字元¶
glob 模組提供了一個函式，用於透過目錄萬用字元搜尋來生成檔案列表。
>>> import glob
>>> glob.glob('*.py')
['primes.py', 'random.py', 'quote.py']
10.3. 命令列引數¶
常用的實用指令碼通常需要處理命令列引數。這些引數儲存在 sys 模組的 argv 屬性中，作為一個列表。例如，我們來看以下 demo.py 檔案：
# File demo.py
import sys
print(sys.argv)
這是在命令列執行 python demo.py one two three 的輸出：
['demo.py', 'one', 'two', 'three']
argparse 模組提供了一種更復雜的機制來處理命令列引數。以下指令碼提取一個或多個檔名以及一個可選的要顯示的行數：
import argparse
parser = argparse.ArgumentParser(
prog='top',
description='Show top lines from each file')
parser.add_argument('filenames', nargs='+')
parser.add_argument('-l', '--lines', type=int, default=10)
args = parser.parse_args()
print(args)
在命令列使用 python top.py --lines=5 alpha.txt beta.txt 執行時，指令碼會將 args.lines 設定為 5，將 args.filenames 設定為 ['alpha.txt', 'beta.txt']。
10.4. 錯誤輸出重定向和程式終止¶
sys 模組還具有 stdin、stdout 和 stderr 屬性。後者對於發出警告和錯誤訊息非常有用，即使 stdout 已被重定向，也能使其可見。
>>> sys.stderr.write('Warning, log file not found starting a new one\n')
Warning, log file not found starting a new one
終止指令碼最直接的方法是使用 sys.exit()。
10.5. 字串模式匹配¶
re 模組提供了用於高階字串處理的正則表示式工具。對於複雜的匹配和操作，正則表示式提供了簡潔、最佳化的解決方案。
>>> import re
>>> re.findall(r'\bf[a-z]*', 'which foot or hand fell fastest')
['foot', 'fell', 'fastest']
>>> re.sub(r'(\b[a-z]+) \1', r'\1', 'cat in the the hat')
'cat in the hat'
當只需要簡單的功能時，字串方法更受歡迎，因為它們更易於閱讀和除錯。
>>> 'tea for too'.replace('too', 'two')
'tea for two'
10.6. 數學¶
math 模組提供了對底層 C 庫函式的訪問，用於浮點數學運算。
>>> import math
>>> math.cos(math.pi / 4)
0.70710678118654757
>>> math.log(1024, 2)
10.0
random 模組提供了用於進行隨機選擇的工具。
>>> import random
>>> random.choice(['apple', 'pear', 'banana'])
'apple'
>>> random.sample(range(100), 10) # sampling without replacement
[30, 83, 16, 4, 8, 81, 41, 50, 18, 33]
>>> random.random() # random float from the interval [0.0, 1.0)
0.17970987693706186
>>> random.randrange(6) # random integer chosen from range(6)
4
statistics 模組計算數字資料的基本統計屬性（均值、中位數、方差等）。
>>> import statistics
>>> data = [2.75, 1.75, 1.25, 0.25, 0.5, 1.25, 3.5]
>>> statistics.mean(data)
1.6071428571428572
>>> statistics.median(data)
1.25
>>> statistics.variance(data)
1.3720238095238095
SciPy 專案 https://scipy.org 還有許多其他模組用於數值計算。
10.7. 網際網路訪問¶
有許多模組用於訪問網際網路和處理網際網路協議。其中最簡單的兩個是用於從 URL 檢索資料的 urllib.request 和用於傳送郵件的 smtplib。
>>> from urllib.request import urlopen
>>> with urlopen('http://worldtimeapi.org/api/timezone/etc/UTC.txt') as response:
... for line in response:
... line = line.decode() # Convert bytes to a str
... if line.startswith('datetime'):
... print(line.rstrip()) # Remove trailing newline
...
datetime: 2022-01-01T01:36:47.689215+00:00
>>> import smtplib
>>> server = smtplib.SMTP('localhost')
>>> server.sendmail('soothsayer@example.org', 'jcaesar@example.org',
... """To: jcaesar@example.org
... From: soothsayer@example.org
...
... Beware the Ides of March.
... """)
>>> server.quit()
（請注意，第二個示例需要在 localhost 上執行一個郵件伺服器。）
10.8. 日期和時間¶
datetime 模組提供了用於以簡單和複雜方式操作日期和時間的類。雖然支援日期和時間算術運算，但實現的重點在於高效的成員提取，用於輸出格式化和操作。該模組還支援時區感知物件。
>>> # dates are easily constructed and formatted
>>> from datetime import date
>>> now = date.today()
>>> now
datetime.date(2003, 12, 2)
>>> now.strftime("%m-%d-%y. %d %b %Y is a %A on the %d day of %B.")
'12-02-03. 02 Dec 2003 is a Tuesday on the 02 day of December.'
>>> # dates support calendar arithmetic
>>> birthday = date(1964, 7, 31)
>>> age = now - birthday
>>> age.days
14368
10.9. 資料壓縮¶
模組直接支援常見的資料歸檔和壓縮格式，包括：zlib、gzip、bz2、lzma、zipfile 和 tarfile。
>>> import zlib
>>> s = b'witch which has which witches wrist watch'
>>> len(s)
41
>>> t = zlib.compress(s)
>>> len(t)
37
>>> zlib.decompress(t)
b'witch which has which witches wrist watch'
>>> zlib.crc32(s)
226805979
10.10. 效能測量¶
一些 Python 使用者對了解解決相同問題的不同方法的相對效能非常感興趣。Python 提供了一個測量工具，可以立即回答這些問題。
例如，使用元組打包和解包功能而不是傳統的交換引數方法可能會很誘人。timeit 模組能很快地顯示出適度的效能優勢。
>>> from timeit import Timer
>>> Timer('t=a; a=b; b=t', 'a=1; b=2').timeit()
0.57535828626024577
>>> Timer('a,b = b,a', 'a=1; b=2').timeit()
0.54962537085770791
與 timeit 的精細粒度不同，profile 和 pstats 模組提供了用於識別較大程式碼塊中時間關鍵部分的工具。
10.11. 質量控制¶
開發高質量軟體的一種方法是在每個函式開發時編寫測試，並在開發過程中頻繁執行這些測試。
doctest 模組提供了一個工具，用於掃描模組並驗證嵌入在程式文件字串中的測試。測試構造非常簡單，只需將典型的呼叫及其結果剪下並貼上到文件字串中。這透過向用戶提供示例來改進文件，並允許 doctest 模組確保程式碼與文件保持一致。
def average(values):
"""Computes the arithmetic mean of a list of numbers.
>>> print(average([20, 30, 70]))
40.0
"""
return sum(values) / len(values)
import doctest
doctest.testmod() # automatically validate the embedded tests
unittest 模組不如 doctest 模組輕鬆，但它允許在單獨的檔案中維護一套更全面的測試。
import unittest
class TestStatisticalFunctions(unittest.TestCase):
def test_average(self):
self.assertEqual(average([20, 30, 70]), 40.0)
self.assertEqual(round(average([1, 5, 7]), 1), 4.3)
with self.assertRaises(ZeroDivisionError):
average([])
with self.assertRaises(TypeError):
average(20, 30, 70)
unittest.main() # Calling from the command line invokes all tests
10.12. 自帶電池¶
Python 秉持“自帶電池”的理念。這透過其大型包的複雜而強大的功能得到了最好的體現。例如：
xmlrpc.client和xmlrpc.server模組使得實現遠端過程呼叫幾乎成為一項微不足道的任務。儘管模組名稱如此，但不需要直接瞭解或處理 XML。email包是一個用於管理電子郵件訊息的庫，包括 MIME 和其他基於 RFC 2822 的訊息文件。與實際傳送和接收訊息的smtplib和poplib不同，email 包擁有完整的工具集，用於構建或解碼複雜的訊息結構（包括附件），以及實現網際網路編碼和頭部協議。json包提供了對解析這種流行資料交換格式的強大支援。csv模組支援直接讀取和寫入逗號分隔值格式的檔案，這種格式通常受資料庫和電子表格支援。XML 處理由xml.etree.ElementTree、xml.dom和xml.sax包支援。這些模組和包共同大大簡化了 Python 應用程式與其他工具之間的資料交換。sqlite3模組是 SQLite 資料庫庫的包裝器，提供了一個永續性資料庫，可以使用略微非標準的 SQL 語法進行更新和訪問。