python编程：常用模块分类整理

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一、系统与文件操作类

os模块
- 功能：提供与操作系统交互的功能，包括文件和目录操作、路径处理等。
- 应用场景：文件管理、脚本自动化、跨平台开发。
- 使用方法：
  - os.path.join()：连接路径片段。
  - os.listdir()：列出指定目录下的文件和子目录。
  - os.mkdir()：创建新目录。
  - os.remove()：删除文件。
- 程序示例：
  python 复制代码
```
import os

# 获取当前工作目录
current_dir = os.getcwd()
print(current_dir)

# 列出指定目录下的文件和子目录
dir_path = '/path/to/directory'
files_and_dirs = os.listdir(dir_path)
print(files_and_dirs)
```
sys模块
- 功能：与 Python 解释器进行交互，提供对解释器相关参数和功能的访问。
- 应用场景：获取命令行参数、控制解释器行为、动态加载模块。
- 使用方法：
  - sys.argv：获取命令行参数列表。
  - sys.path：获取模块搜索路径。
  - sys.exit()：退出程序。
- 程序示例：
  python 复制代码
```
import sys

# 获取命令行参数
args = sys.argv
print(args)

# 退出程序
sys.exit(0)
```
shutil模块
- 功能：提供高级的文件操作功能，如文件复制、移动、删除等。
- 应用场景：文件管理、备份和恢复、项目部署等。
- 使用方法：
  - 文件复制：shutil.copy(src, dst)将源文件复制到目标位置。
  - 文件移动：shutil.move(src, dst)将文件从源位置移动到目标位置。
  - 递归复制目录：shutil.copytree(src, dst)复制整个目录树。
  - 删除目录：shutil.rmtree(path)删除指定目录及其内容。
- 程序示例：
  python 复制代码
```
import shutil

# 复制文件
shutil.copy('source.txt', 'destination.txt')

# 移动文件
shutil.move('old_location.txt', 'new_location.txt')

# 复制目录树
shutil.copytree('source_directory', 'destination_directory')

# 删除目录
shutil.rmtree('directory_to_delete')
```
pathlib模块
- 功能：以面向对象的方式处理文件系统路径，提供了更直观和简洁的文件操作方法。
- 应用场景：现代 Python 项目中的文件路径处理，提高代码可读性和可维护性。
- 使用方法：
  - 创建路径对象：from pathlib import Path，p = Path('/path/to/file.txt')。
  - 检查路径是否存在：p.exists()。
  - 获取文件名、目录名等：p.name、p.parent。
  - 读写文件：可以结合with语句进行读写操作，如with p.open('r') as f: content = f.read()。
- 程序示例：
  python 复制代码
```
from pathlib import Path

p = Path('/path/to/file.txt')

# 检查路径是否存在
if p.exists():
    print(f"File exists: {p}")

# 获取文件名和目录名
print(f"File name: {p.name}")
print(f"Parent directory: {p.parent}")

# 读取文件内容
with p.open('r') as f:
    content = f.read()
    print(content)
```

二、数学与随机数类

math模块
- 功能：提供数学函数和常量。
- 应用场景：科学计算、图形绘制、数值分析。
- 使用方法：
  - math.sqrt()：计算平方根。
  - math.sin()、math.cos()、math.tan()：三角函数计算。
  - math.pi：圆周率常量。
- 程序示例：
  python 复制代码
```
import math

# 计算平方根
num = 16
square_root = math.sqrt(num)
print(square_root)

# 计算正弦值
angle = math.pi / 6
sine_value = math.sin(angle)
print(sine_value)
```

random模块

功能：生成随机数。
应用场景：模拟、游戏开发、随机测试。
使用方法：
- random.random()：生成 0 到 1 之间的随机浮点数。
- random.randint()：生成指定范围内的随机整数。
- random.choice()：从序列中随机选择一个元素。

程序示例：

python 复制代码

import random

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

# 生成 1 到 10 之间的随机整数
random_integer = random.randint(1, 10)
print(random_integer)

# 从列表中随机选择一个元素
my_list = [1, 2, 3, 4, 5]
random_element = random.choice(my_list)
print(random_element)

三、日期时间类

datetime模块
- 功能：处理日期和时间。
- 应用场景：日志记录、时间戳处理、日程安排。
- 使用方法：
  - datetime.datetime.now()：获取当前日期和时间。
  - datetime.timedelta()：进行时间间隔的计算。
  - datetime.date()、datetime.time()：分别处理日期和时间部分。
- 程序示例：
  python 复制代码
```
import datetime

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

# 计算一周后的日期
one_week_later = now + datetime.timedelta(days=7)
print(one_week_later)
```

四、文本处理类

re模块（正则表达式）
- 功能：进行文本模式匹配和搜索替换等操作。
- 应用场景：文本处理、数据验证、日志分析。
- 使用方法：
  - re.compile()：编译正则表达式模式。
  - re.search()：在字符串中搜索匹配的模式。
  - re.findall()：查找所有匹配的子串。
  - re.sub()：替换匹配的子串。
- 程序示例：
  python 复制代码
```
import re

text = "Hello, world! This is a test."
pattern = r"world"
match = re.search(pattern, text)
if match:
    print(match.group())

all_matches = re.findall(pattern, text)
print(all_matches)

new_text = re.sub(pattern, "Python", text)
print(new_text)
```
json模块
- 功能：处理 JSON 数据格式的编码和解码。
- 应用场景：数据交换、与 Web 服务交互、配置文件读取。
- 使用方法：
  - json.dumps()：将 Python 对象转换为 JSON 字符串。
  - json.loads()：将 JSON 字符串转换为 Python 对象。
  - json.dump()：将 Python 对象写入 JSON 文件。
  - json.load()：从 JSON 文件读取并转换为 Python 对象。
- 程序示例：
  python 复制代码
```
import json

data = {
    "name": "John",
    "age": 30,
    "city": "New York"
}
json_str = json.dumps(data)
print(json_str)

parsed_data = json.loads(json_str)
print(parsed_data)

with open('data.json', 'w') as f:
    json.dump(data, f)

with open('data.json', 'r') as f:
    loaded_data = json.load(f)
    print(loaded_data)
```
configparser模块
- 功能：读取和写入 INI 格式的配置文件，可视为一种特定的文本处理。
- 应用场景：存储程序的配置信息、参数设置。
- 使用方法：
  - 读取配置文件：
    - 创建ConfigParser对象：config = configparser.ConfigParser()。
    - 读取文件：config.read('config.ini')。
    - 获取特定节的配置项：value = config.get('section_name', 'option_name')。
  - 写入配置文件：
    - 添加节：config.add_section('new_section')。
    - 设置配置项：config.set('new_section', 'option', 'value')。
    - 写入文件：with open('config.ini', 'w') as configfile: config.write(configfile)。
- 程序示例：
  python 复制代码
```
import configparser

# 读取配置文件
config = configparser.ConfigParser()
config.read('config.ini')
print(config.get('section1', 'option1'))

# 写入配置文件
config.add_section('section2')
config.set('section2', 'option2', 'new_value')
with open('config.ini', 'w') as configfile:
    config.write(configfile)
```

五、数据处理与分析类

pandas模块
- 功能：强大的数据处理和分析库。
- 应用场景：数据清洗、数据分析、数据可视化。
- 使用方法：
  - pandas.DataFrame：用于创建和操作二维表格数据。
  - pandas.read_csv()：读取 CSV 文件。
  - DataFrame.head()、DataFrame.tail()：查看数据的前几行或后几行。
  - DataFrame.describe()：获取数据的统计描述。
- 程序示例：
  python 复制代码
```
import pandas as pd

data = {'Name': ['Alice', 'Bob', 'Charlie'],
        'Age': [25, 30, 35],
        'City': ['London', 'Paris', 'New York']}
df = pd.DataFrame(data)
print(df)

csv_data = pd.read_csv('example.csv')
print(csv_data.head())
```
numpy模块
- 功能：用于科学计算，提供高性能的多维数组和矩阵运算。
- 应用场景：数值计算、机器学习、数据科学。
- 使用方法：
  - numpy.array()：创建数组。
  - 各种数学运算如加法、乘法、矩阵运算等。
  - numpy.mean()、numpy.std()等统计函数。
- 程序示例：
  python 复制代码
```
import numpy as np

arr = np.array([1, 2, 3, 4, 5])
print(arr)

arr2 = np.array([[1, 2], [3, 4]])
matrix_product = np.dot(arr2, arr2.T)
print(matrix_product)
```

六、数据可视化类

matplotlib模块
- 功能：绘制数据可视化图表。
- 应用场景：数据分析可视化、报告生成。
- 使用方法：
  - matplotlib.pyplot.plot()：绘制线条图。
  - matplotlib.pyplot.scatter()：绘制散点图。
  - matplotlib.pyplot.bar()：绘制柱状图。
  - 设置标题、标签、坐标轴等。
- 程序示例：
  python 复制代码
```
import matplotlib.pyplot as plt

x = [1, 2, 3, 4, 5]
y = [2, 4, 6, 8, 10]
plt.plot(x, y)
plt.title('Line Plot')
plt.xlabel('X-axis')
plt.ylabel('Y-axis')
plt.show()
```

七、通信类

pyserial模块（操作串口）
- 功能：实现与串口设备的通信。
- 应用场景：与硬件设备如传感器、微控制器等通过串口进行数据交互。
- 使用方法：
  - 创建串口对象：ser = serial.Serial(port='COM1', baudrate=9600, timeout=1)。
  - 读写操作：ser.write(b'Hello')写入数据，data = ser.readline()读取数据。
  - 关闭串口：ser.close()。
- 程序示例：
  python 复制代码
```
import serial

ser = serial.Serial(port='COM1', baudrate=9600, timeout=1)
ser.write(b'Hello Serial!')
data = ser.readline()
print(data.decode())
ser.close()
```
socket模块（操作网口）
- 功能：提供对网络通信的底层接口。
- 应用场景：网络编程、服务器与客户端通信、网络数据传输。
- 使用方法：
  - 服务器端：
    - 创建套接字：server_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)。
    - 绑定地址和端口：server_socket.bind(('127.0.0.1', 8888))。
    - 监听连接：server_socket.listen(5)。
    - 接受连接并通信：client_socket, client_address = server_socket.accept()。
  - 客户端：
    - 创建套接字：client_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)。
    - 连接服务器：client_socket.connect(('127.0.0.1', 8888))。
- 程序示例：
  python 复制代码
```
# 服务器端
import socket

server_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
server_socket.bind(('127.0.0.1', 8888))
server_socket.listen(5)

client_socket, client_address = server_socket.accept()
data = client_socket.recv(1024)
print(data.decode())
client_socket.send(b'Hello from server!')
client_socket.close()
server_socket.close()

# 客户端
import socket

client_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
client_socket.connect(('127.0.0.1', 8888))
client_socket.send(b'Hello from client!')
data = client_socket.recv(1024)
print(data.decode())
client_socket.close()
```

八、数据加密校验类

hashlib模块（MD5 示例）
- 功能：提供多种安全哈希算法，可用于生成数据的哈希值进行校验。
- 应用场景：文件完整性验证、密码存储等。
- 使用方法：
  - 导入模块，选择 MD5 算法创建哈希对象：import hashlib，m = hashlib.md5()。
  - 更新数据：m.update(b'Hello')。
  - 获取哈希值：hash_value = m.hexdigest()。
- 程序示例：
  python 复制代码
```
import hashlib

data = b'This is some data to be hashed.'
m = hashlib.md5()
m.update(data)
hash_result = m.hexdigest()
print(hash_result)
```
zlib模块（CRC32 示例）
- 功能：虽然主要用于数据压缩，但也可以获取 CRC32 校验值。
- 应用场景：数据校验，特别是在需要快速校验但对安全性要求不高的场景。
- 使用方法：
  - 导入模块：import zlib。
  - 计算 CRC32 值：crc_value = zlib.crc32(b'Hello')。
- 程序示例：
  python 复制代码
```
import zlib

data = b'This is some data for CRC32 check.'
crc_value = zlib.crc32(data)
print(hex(crc_value))
```