Python标准库（Python自带的模块和包）

Visual code AlCv2023-09-24 11:24

一、自带电池

"自带电池"指python语言的标准库，因为它包含了丰富的功能和工具，几乎可以满足大部分的开发需求，就像一个内置电池一样，所以python标准库被称之为"自带电池"。

二、操作系统接口

2.1 OS

python中的os模块提供了丰富的与操作系统交互的函数。开发人员可以通过os模块提供的函数对文件和目录执行系统命令，以及获取系统信息。

**注：**在调用时一定要使用 import os 而不能使用from os import *。这将避免内建的open()函数被os.open()隐式替代。（open和os.open的作用是有很大区别的）

os模块的常用函数和方法有：

  1. os.name：返回当前操作系统的名称，例如posix表示Linux、Unix或Mac OS X，nt表示Windows。

  2. os.getcwd()：返回当前工作目录的路径。

  3. os.chdir(path)：改变当前工作目录到指定的路径。

  4. os.listdir(path)：返回指定路径下的文件和目录列表。

  5. os.mkdir(path)：创建一个新目录。

  6. os.makedirs(path)：递归地创建多个新目录。

  7. os.remove(path)：删除指定的文件。

  8. os.rmdir(path)：删除指定的目录。

  9. os.path.exists(path)：判断指定路径是否存在。

  10. os.path.isfile(path)：判断指定路径是否是一个文件。

  11. os.path.isdir(path)：判断指定路径是否是一个目录。

  12. os.path.join(path1, path2, ...)：将多个路径组合成一个路径。

  13. os.path.basename(path)：返回路径中的文件名部分。

  14. os.path.dirname(path)：返回路径中的目录部分。

  15. os.path.splitext(path)：将路径分割成目录部分和扩展名部分。

示例：

# 使用os模块创建一个新文件夹，并将文件从一个文件夹移动到另一个文件夹
import os

# 创建一个新文件夹
os.mkdir('new_folder')

# 移动文件
src = 'old_folder/file.txt'
dst = 'new_folder/file.txt'
os.rename(src, dst)

2.2 shutil

shutil模块是Python的标准库之一，提供了更高级别的文件操作功能。它是os模块的补充，提供了一些更方便的函数来复制、移动、删除文件以及文件夹。

一些常用的shutil模块函数包括：

  1. shutil.copy(src, dst)：将文件从src复制到dst。

  2. shutil.move(src, dst)：将文件或文件夹从src移动到dst。

  3. shutil.rmtree(path)：递归地删除指定路径下的所有文件和文件夹。

  4. shutil.make_archive(base_name, format, root_dir)：创建一个压缩文件。

  5. shutil.unpack_archive(filename, extract_dir)：解压缩文件。

    使用shutil模块复制一个文件，并删除一个文件夹

    import shutil

    复制文件

    src = 'old_folder/file.txt'
    dst = 'new_folder/file.txt'
    shutil.copy(src, dst)

    删除文件夹

    shutil.rmtree('old_folder')

三、文件通配符

Python的glob模块提供了一种方便的方法来查找符合特定模式的文件路径。使用glob模块可以使用通配符匹配文件名，例如查找所有以.txt结尾的文件或者所有以特定前缀开头的文件。

使用glob模块可以实现以下功能：

  1. 查找符合特定规则的文件名：可以使用通配符（如*、?）来匹配文件名，以便查找符合特定模式的文件。例如，可以使用*.txt来查找当前目录下所有的txt文件。

  2. 遍历文件夹：可以使用通配符模式来遍历文件夹中的文件和子文件夹。可以使用*来配任意字符，使用**`来匹配任意路径。

下面是一些常用的glob模块函数和用法：

  1. glob.glob(path)：返回一个包含符合指定规则的文件路径名的列表。path参数是一个字符串，可以包含通配符模式。例如，glob.glob('*.txt')将返回当前目录下所有的txt文件路径名的列表。

  2. glob.iglob(path)：返回一个生成器，用于遍历符合指定规则的文件路径名。与glob.glob()不同的是，glob.iglob()是惰性生成器，逐个返回匹配的文件路径名，而不是一次性返回所有匹配的文件路径名。

  3. glob.escape(path)：返回一个转义后的字符串，用于将特殊字符转义为普通字符。这在使用通配符模式时特别有用，可以确保特殊字符被视为普通字符而不是通配符。

示例：

使用glob模块来查找当前目录下所有的txt文件

import glob

txt_files = glob.glob('*.txt')
for file_path in txt_files:
    print(file_path)

三、字符串模式匹配

re模块是Python的正则表达式模块，提供了一种强大的方法来进行字符串模式匹配和搜索。通过使用正则表达式，可以查找、替换、分割和提取字符串中的特定模式。

下面是re模块的一些常用函数和方法：

  1. re.match(pattern, string, flags=0): 从字符串的起始位置开始匹配模式，如果匹配成功则返回一个匹配对象，否则返回None。

  2. re.search(pattern, string, flags=0): 在字符串中搜索匹配模式的第一个位置，如果匹配成功则返回一个匹配对象，否则返回None。

  3. re.findall(pattern, string, flags=0): 在字符串中找到匹配模式的所有子串，并以列表的形式返回。

  4. re.finditer(pattern, string, flags=0): 在字符串中找到匹配模式的所有子串，并以迭代器的形式返回。

  5. re.sub(pattern, repl, string, count=0, flags=0): 在字符串中找到匹配模式的子串，并用 repl 替换。如果 count 指定，则最多替换 count 次。

  6. re.split(pattern, string, maxsplit=0, flags=0): 根据模式的匹配项将字符串拆分为列表。

  7. re.compile(pattern, flags=0): 将正则表达式的字符串形式编译为正则表达式对象，可以提高匹配的效率。

  8. 匹配对象的方法：group()返回匹配的字符串，start()返回匹配的起始位置，end()返回匹配的结束位置，span()返回一个元组，包含匹配的起始和结束位置。

四、数据库连接

Python的标准库中提供了多个用于数据库连接和操作的模块，如sqlite3、MySQLdb、psycopg2等。这些模块可以用于连接和操作多种类型的数据库，并执行查询、插入、更新和删除操作。

4.1 sqlite3

是Python标准库中的一个模块，用于操作SQLite数据库。SQLite是一种轻量级的嵌入式数据库，不需要独立的服务器进程，可以直接访问数据库文件。sqlite3模块提供了一系列函数和方法来连接、查询和操作SQLite数据库。

import sqlite3

# 连接到SQLite数据库
conn = sqlite3.connect('example.db')

# 创建一个游标对象
cursor = conn.cursor()

# 创建一个表
cursor.execute('''CREATE TABLE IF NOT EXISTS users
                  (id INT PRIMARY KEY NOT NULL,
                  name TEXT NOT NULL,
                  age INT NOT NULL);''')

# 插入数据
cursor.execute("INSERT INTO users VALUES (1, 'Alice', 25)")
cursor.execute("INSERT INTO users VALUES (2, 'Bob', 30)")

# 查询数据
cursor.execute("SELECT * FROM users")
rows = cursor.fetchall()
for row in rows:
    print(row)

# 提交事务并关闭连接
conn.commit()
conn.close()

4.2 MySQLdb

是一个第三方模块，用于操作MySQL数据库。MySQLdb模块是Python对MySQL数据库的接口，可以通过该模块连接MySQL数据库服务器，并执行SQL语句进行数据的增删改查操作。

import MySQLdb

# 连接到MySQL数据库
conn = MySQLdb.connect(host='localhost',
                       user='root',
                       password='password',
                       db='test')

# 创建一个游标对象
cursor = conn.cursor()

# 创建一个表
cursor.execute('''CREATE TABLE IF NOT EXISTS users
                  (id INT PRIMARY KEY NOT NULL,
                  name VARCHAR(20) NOT NULL,
                  age INT NOT NULL);''')

# 插入数据
cursor.execute("INSERT INTO users VALUES (1, 'Alice', 25)")
cursor.execute("INSERT INTO users VALUES (2, 'Bob', 30)")

# 查询数据
cursor.execute("SELECT * FROM users")
rows = cursor.fetchall()
for row in rows:
    print(row)

# 提交事务并关闭连接
conn.commit()
conn.close()

4.3 psycopg2

是一个第三方模块，用于操作PostgreSQL数据库。PostgreSQL是一种开源的关系型数据库管理系统，而psycopg2模块是Python对PostgreSQL数据库的接口，可以通过该模块连接PostgreSQL数据库服务器，并执行SQL语句进行数据的增删改查操作。

import psycopg2

# 连接到PostgreSQL数据库
conn = psycopg2.connect(host='localhost',
                        user='postgres',
                        password='password',
                        dbname='test')

# 创建一个游标对象
cursor = conn.cursor()

# 创建一个表
cursor.execute('''CREATE TABLE IF NOT EXISTS users
                  (id INT PRIMARY KEY NOT NULL,
                  name VARCHAR(20) NOT NULL,
                  age INT NOT NULL);''')

# 插入数据
cursor.execute("INSERT INTO users VALUES (1, 'Alice', 25)")
cursor.execute("INSERT INTO users VALUES (2, 'Bob', 30)")

# 查询数据
cursor.execute("SELECT * FROM users")
rows = cursor.fetchall()
for row in rows:
    print(row)

# 提交事务并关闭连接
conn.commit()
conn.close()

五、网络通讯

5.1 urllib.request

urllib.request模块是Python标准库中用于进行HTTP请求的模块。它提供了一种更简单和高级的方式来发送HTTP请求，处理响应以及处理URL。

urllib.request模块中的主要函数和类包括：

  1. urlopen(url, data=None, timeout=socket._GLOBAL_DEFAULT_TIMEOUT, *, cafile=None, capath=None, cadefault=False, context=None): 打开一个URL并返回一个类似文件的对象。可以使用该对象来读取URL的内容。

  2. Request(url, data=None, headers={}, origin_req_host=None, unverifiable=False, method=None): 创建一个HTTP请求对象。可以设置请求的URL、数据、头部信息等。

  3. urlretrieve(url, filename=None, reporthook=None, data=None): 下载一个URL的内容，并将其保存到本地文件中。

  4. build_opener(*handlers): 创建一个自定义的URL打开器，可以用于处理特定的URL请求。

  5. ProxyHandler(proxies=None): 创建一个处理代理服务器的处理器。

使用urllib.request模块进行HTTP请求的基本步骤如下：

  1. 导入urllib.request模块。
  2. 使用urlopen()函数打开一个URL，或者创建一个Request对象。
  3. 可以通过读取返回的类文件对象来获取URL的内容。
  4. 可以使用urlretrieve()函数将URL的内容保存到本地文件中。

以下是一个简单的示例代码，演示如何使用

import urllib.request

# 打开一个URL并读取内容
response = urllib.request.urlopen('http://www.example.com')
html = response.read()
print(html)

# 下载一个URL的内容并保存到本地文件
urllib.request.urlretrieve('http://www.example.com', 'example.html')

5.2 socket模块

Python的socket模块提供了一种在网络上进行通信的方式。使用socket模块，可以创建网络套接字并通过网络发送和接收数据。此外，Python的标准库还提供了其他一些模块，如http.client、urllib等，用于处理HTTP请求和访问Web资源。

以下是socket模块的一些常用函数和方法：

  1. socket()：创建一个socket对象，用于进行网络通信。可以指定协议类型、套接字类型等参数。

  2. bind()：绑定一个地址（主机名和端口号）到socket对象上。

  3. listen()：开始监听连接请求，使socket对象成为一个服务器端套接字。

  4. accept()：接受一个客户端连接请求，并返回一个新的socket对象，用于与客户端进行通信。

  5. connect()：与服务器端建立连接，使socket对象成为一个客户端套接字。

  6. send()：发送数据到连接的另一端。

  7. recv()：接收连接的另一端发送的数据。

  8. close()：关闭socket连接。

  9. setsockopt()：设置socket的选项。

示例：

使用socket模块请求web资源：

import socket

def request_web_resource(host, port, path):
    # 创建一个TCP套接字
    client_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
    
    # 建立与服务器的连接
    client_socket.connect((host, port))
    
    # 构造HTTP请求
    request = f"GET {path} HTTP/1.1\r\nHost: {host}\r\n\r\n"
    
    # 发送HTTP请求
    client_socket.sendall(request.encode())
    
    # 接收服务器的响应
    response = b""
    while True:
        data = client_socket.recv(4096)
        if not data:
            break
        response += data
    
    # 关闭连接
    client_socket.close()
    
    # 打印服务器的响应
    print(response.decode())

# 调用函数请求web资源
request_web_resource("www.example.com", 80, "/index.html")

六、数学运算

Python的标准库中提供了一些用于数学运算的模块，如math、random等。math模块提供了一些常用的数学函数，如三角函数、指数函数、对数函数等。random模块可以生成随机数，进行随机选择和洗牌操作。

6.1 math

math库提供了丰富的数学运算函数，例如常见的对数、三角函数等。（详情点击连接可看）

示例：

import math

math.cos(math.pi / 4)# 输出：0.70710678118654757
math.log(1024,2)# 输出：10

6.2 Random

Random库提供了生成随机数的函数。（函数很多，详见请点击链接）

通常使用的函数包含以下几种：

  1. random.random(): 返回一个0到1之间的随机浮点数。

  2. random.randint(a, b): 返回一个在指定范围内的随机整数，包括a和b。

  3. random.choice(seq): 从给定的序列中随机选择一个元素。

  4. random.shuffle(seq): 将给定序列中的元素随机排序。

  5. random.sample(population, k): 从给定的总体中随机选择k个不重复的元素。

  6. random.uniform(a, b): 返回一个在指定范围内的随机浮点数，包括a和b。

  7. random.seed(a=None): 初始化随机数生成器的种子。

展示了如何使用random模块的一些常用函数：

import random

# 生成一个0到1之间的随机浮点数
print(random.random())

# 生成一个在指定范围内的随机整数
print(random.randint(1, 10))

# 从给定的序列中随机选择一个元素
colors = ['red', 'blue', 'green']
print(random.choice(colors))

# 将给定序列中的元素随机排序
numbers = [1, 2, 3, 4, 5]
random.shuffle(numbers)
print(numbers)

# 从给定的总体中随机选择k个不重复的元素
population = ['apple', 'banana', 'orange', 'grape', 'watermelon']
sample = random.sample(population, 3)
print(sample)

# 生成一个在指定范围内的随机浮点数
print(random.uniform(0.5, 1.5))

# 初始化随机数生成器的种子
random.seed(123)
print(random.random())

6.3 statistics

statistics库常用于数理统计，可以计算数据的基本属性（基本统计属性（均值，中位数，方差等）。

以下是一些常用的statistics模块函数：

  1. mean(data): 计算数据的算术平均值。

  2. median(data): 计算数据的中位数。

  3. mode(data): 计算数据的众数。

  4. stdev(data): 计算数据的标准差。

  5. variance(data): 计算数据的方差。

  6. harmonic_mean(data): 计算数据的调和平均值。

  7. median_low(data): 计算数据的低中位数。

  8. median_high(data): 计算数据的高中位数。

  9. median_grouped(data, interval=1): 计算数据的分组中位数。

示例：

import statistics

data = [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10]

# 计算数据的算术平均值
print(statistics.mean(data))

# 计算数据的中位数
print(statistics.median(data))

# 计算数据的众数
print(statistics.mode(data))

# 计算数据的标准差
print(statistics.stdev(data))

# 计算数据的方差
print(statistics.variance(data))

# 计算数据的调和平均值
print(statistics.harmonic_mean(data))

# 计算数据的低中位数
print(statistics.median_low(data))

# 计算数据的高中位数
print(statistics.median_high(data))

# 计算数据的分组中位数
print(statistics.median_grouped(data, interval=2))

七、日期和时间

Python的datetime模块提供了处理日期和时间的功能。可以使用datetime模块来创建日期和时间对象，并进行日期和时间的计算、格式化和解析。

以下是一些常用的datetime模块的类和函数：

  1. datetime.datetime: 表示一个具体的日期和时间，包括年、月、日、时、分、秒和微秒。

  2. datetime.date: 表示一个具体的日期，包括年、月、日。

  3. datetime.time: 表示一个具体的时间，包括时、分、秒和微秒。

  4. datetime.timedelta: 表示两个日期或时间之间的差值，可以用于日期和时间的加减运算。

  5. datetime.now(): 返回当前的日期和时间。

  6. datetime.today(): 返回当前的日期。

  7. datetime.strptime(date_string, format): 将一个字符串解析为日期或时间对象，需要指定解析格式。

  8. datetime.strftime(format): 将一个日期或时间对象格式化为字符串，需要指定格式化格式。

示例：

import datetime

# 获取当前的日期和时间
now = datetime.datetime.now()
print(now)

# 获取当前的日期
today = datetime.datetime.today().date()
print(today)

# 创建一个指定日期和时间的datetime对象
dt = datetime.datetime(2023, 9, 19, 14, 30, 0)
print(dt)

# 计算两个日期之间的差值
delta = datetime.timedelta(days=7)
new_date = today + delta
print(new_date)

# 将字符串解析为日期对象
date_string = "2023-09-19"
date = datetime.datetime.strptime(date_string, "%Y-%m-%d")
print(date)

# 将日期对象格式化为字符串
formatted_date = date.strftime("%Y-%m-%d")
print(formatted_date)

八、数据压缩

Python的标准库中提供了一些用于数据压缩和解压缩的模块，如gzip、zipfile等。这些模块可以用于创建和解压缩压缩文件，如gzip压缩文件、ZIP压缩文件等。

1.gzip模块：gzip模块提供了gzip文件的压缩和解压缩功能。可以使用gzip模块中的GzipFile类来创建gzip文件对象，然后使用write()方法来写入压缩数据，最后使用close()方法关闭文件。

import bz2

# 压缩文件
with open('file.txt', 'rb') as f_in:
    with bz2.open('file.txt.bz2', 'wb') as f_out:
        f_out.write(f_in.read())

# 解压文件
with bz2.open('file.txt.bz2', 'rb') as f_in:
    with open('file.txt', 'wb') as f_out:
        f_out.write(f_in.read())

2.zipfile是Python标准库中用于处理ZIP文件的模块。它提供了一种简单的方式来创建、读取和修改ZIP文件。

import zipfile

# 创建zip文件
with zipfile.ZipFile('example.zip', 'w') as zf:
    zf.write('file1.txt')
    zf.write('file2.txt')

#解压zip文件
with zipfile.ZipFile('example.zip', 'r') as zf:
    zf.extractall('extracted_files')

#读取zip文件
with zipfile.ZipFile('example.zip', 'r') as zf:
    file_list = zf.namelist()
    file_info = zf.getinfo('file1.txt')
    with zf.open('file1.txt') as f:
        content = f.read()

#修改zip文件
with zipfile.ZipFile('example.zip', 'a') as zf:
    zf.write('file3.txt')
    zf.extract('file1.txt', 'extracted_files')
    zf.remove('file2.txt')

九、性能测量

Python的标准库中提供了一些用于性能测量和优化的模块，如timeit、profile等。timeit模块用于测量代码的执行时间，profile模块用于分析代码的性能瓶颈。这些模块可以帮助开发者找到代码中的性能问题，并进行优化。

Python标准库中的性能测试相关模块：

  1. timeit模块：timeit模块提供了一个简单的接口来测量小段代码的执行时间。可以使用它来比较不同实现方式的性能差异。

  2. cProfile模块：cProfile模块提供了一个分析器，用于确定代码中的瓶颈所在。它可以生成一个详细的性能分析报告，帮助开发者找出性能问题所在。

  3. profile模块：profile模块是cProfile模块的一个简化版本，它提供了一个简单的性能分析工具。

  4. hotshot模块：hotshot模块是一个高性能的分析器，可以用于测量代码的执行时间和函数调用次数。

  5. sys模块：sys模块提供了一些与Python解释器和系统相关的功能。其中包括sys.getsizeof()函数，可以用来测量对象的内存使用情况。

十、质量控制

Python标准库中的质量控制模块为"unittest"，它提供了一种用于编写和运行测试的框架。

unittest模块基于xUnit测试框架的设计思想，提供了一组用于编写测试用例和进行断言的类和方法。通过使用unittest模块，开发者可以轻松地进行单元测试和集成测试，以确保代码的质量。

以下是unittest模块的一些关键概念和功能：

  1. 测试用例（Test Case）：单个测试单元，通常是一个函数或方法，用于验证代码的特定行为。

  2. 测试套件（Test Suite）：一组测试用例的集合，可以一次运行多个测试用例。

  3. 断言（Assertion）：用于验证代码输出是否符合预期的语句。unittest模块提供了多种断言方法，如assertEqual()、assertTrue()、assertFalse()等。

  4. 测试运行器（Test Runner）：用于运行测试套件中的测试用例，并生成测试结果报告。unittest模块提供了多种测试运行器，如TextTestRunner、HTMLTestRunner等。

  5. 测试装置（Test Fixture）：用于准备测试环境和清理测试环境的方法。例如，setUp()方法用于在执行每个测试用例之前设置测试环境，tearDown()方法用于在执行每个测试用例之后清理测试环境。

使用unittest模块编写测试用例的一般步骤如下：

  1. 导入unittest模块和要测试的模块。

  2. 创建一个测试类，继承unittest.TestCase。

  3. 在测试类中定义测试方法，方法名以"test_"开头。

  4. 在每个测试方法中，编写测试逻辑，并使用断言方法验证代码输出是否符合预期。

  5. 使用unittest的测试运行器运行测试用例。

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