Python编程实战 - 函数与模块化编程 - 导入与使用模块

在实际编程中，我们经常需要将功能拆分成多个文件或引用别人写好的功能模块，以提高代码的复用性与可维护性。这种"功能拆分与复用"的机制，就是 Python 模块化编程 的核心。模块是 Python 程序结构的重要组成部分，通过导入模块，我们可以轻松使用各种功能，而无需重复造轮子。

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一、什么是模块

模块（Module） 是一个包含 Python 定义和语句的文件，文件名以 .py 结尾。简单来说，一个 .py 文件就是一个模块。

比如，我们创建一个名为 mymath.py 的文件，内容如下：

def add(a, b):
    return a + b

def sub(a, b):
    return a - b

这时，我们就定义了一个名为 mymath 的模块，其中包含了两个函数 add() 和 sub()。

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二、导入模块的方式

Python 提供了多种导入模块的方式，根据需求灵活使用。

1. 使用 import 导入整个模块

import mymath

print(mymath.add(3, 5))
print(mymath.sub(10, 4))

这里通过 模块名.函数名 的方式调用函数。 这种方式清晰明了，但每次使用函数时都要加上模块名前缀。

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2. 使用 from...import... 导入部分功能

from mymath import add

print(add(3, 5))

这样我们就可以直接使用 add()，无需加上模块名前缀。 如果需要导入多个函数，可以写成：

from mymath import add, sub

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3. 导入模块中的所有内容

from mymath import *

这样可以直接使用模块中的所有函数和变量，但不推荐这样使用，因为容易与当前命名空间的变量冲突。

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4. 使用别名简化模块名

有时候模块名很长，我们可以使用 as 给模块取别名：

import mymath as m

print(m.add(4, 6))

这在使用第三方库（如 numpy、pandas）时非常常见：

import numpy as np
import pandas as pd

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三、常用的 Python 内置模块

Python 自带了丰富的标准库，我们可以直接导入使用，无需额外安装。

1. math 数学模块

import math

print(math.sqrt(16))   # 开平方
print(math.pi)         # 圆周率

2. random 随机模块

import random

print(random.randint(1, 10))  # 生成 1 到 10 的随机整数
print(random.choice(['apple', 'banana', 'pear']))  # 随机选择一个元素

3. datetime 日期时间模块

import datetime

now = datetime.datetime.now()
print(now)

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四、自定义模块的导入

假设我们有如下文件结构：

project/
│
├── main.py
└── utils.py

utils.py 内容：

def greet(name):
    print(f"Hello, {name}!")

main.py 内容：

import utils

utils.greet("Python")

运行 main.py 时，Python 会自动找到同一目录下的 utils.py 并执行导入。

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五、模块的搜索路径

当你导入一个模块时，Python 会按照以下顺序查找模块：

1. 当前程序所在目录；
2. 系统环境变量 PYTHONPATH 指定的路径；
3. Python 安装路径下的标准库目录。

你可以通过以下代码查看模块的搜索路径：

import sys
print(sys.path)

如果你想临时添加搜索路径：

import sys
sys.path.append("/path/to/my/modules")

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六、导入模块时执行的内容

当你第一次导入模块时，Python 会执行模块文件中的所有顶层代码。 比如：

# mymodule.py
print("模块正在被加载...")
a = 10

当执行：

import mymodule

会输出：

模块正在被加载...

但再次导入同一个模块时，Python 不会重新执行，因为模块会被缓存。

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七、包（Package）的概念

当一个目录下包含一个 __init__.py 文件时，这个目录就成为一个包（Package），可以包含多个模块。

目录结构如下：

mypackage/
│
├── __init__.py
├── math_utils.py
└── string_utils.py

使用时可以这样导入：

from mypackage import math_utils
math_utils.add(3, 5)

或者：

from mypackage.math_utils import add
add(3, 5)

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八、总结

• 模块是 .py 文件，包是包含 __init__.py 的目录；
• import 导入整个模块，from...import... 导入部分内容；
• 模块可复用、可组织代码结构；
• 常用模块有：math、random、datetime、os、sys 等；
• Python 导入模块时，会从当前目录、PYTHONPATH 和系统库路径中查找。

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结语： 模块化编程是 Python 的核心思想之一。它让代码更有组织、更易维护、更易复用。熟练掌握模块与包的使用，是从"会写 Python"到"精通 Python"迈出的关键一步。