使用 Python 创建和导出 Jupyter Notebook：从零到一的完整教程

在数据科学和机器学习的工作中，Jupyter Notebook 已成为不可或缺的工具。它提供了一个交互式的环境，允许我们在文档中同时编写代码、展示图表以及添加文本说明。不过，许多时候我们希望自动化生成 Notebook 文件，并将其导出为 HTML 或其他格式，这篇文章将带你通过 Python 来实现这一目标。效果如下图所示

1. 背景

有时候，我们可能需要根据特定的需求自动生成包含代码单元格、Markdown 单元格和输出的 Jupyter Notebook 文件，并将其导出为 .html 或 .ipynb 格式。为了完成这一任务，我们将使用 nbformat 和 nbconvert 这两个 Python 库。

本文将为大家展示如何使用这两个库实现以下功能：

创建新的 Jupyter Notebook。
添加代码和 Markdown 单元格。
为代码单元格添加执行计数。
将 Notebook 导出为 HTML 文件。
保存为 .ipynb 文件。

2. 安装必要的依赖

在开始之前，你需要安装以下两个库：nbformat 和 nbconvert。你可以使用 pip 命令进行安装：

bash 复制代码

pip install nbformat nbconvert

3. 创建并修改 Notebook

接下来，我们将编写 Python 代码来生成一个 Jupyter Notebook，并为其添加代码单元格、Markdown 单元格以及带有执行结果的代码单元格。

python 复制代码

import nbformat
from nbconvert import HTMLExporter

# 创建一个新的Jupyter Notebook
notebook = nbformat.v4.new_notebook()

# 添加代码单元格
code1 = "result1 = 2 + 2"
notebook.cells.append(nbformat.v4.new_code_cell(code1))

code2 = "result2 = 'Hello, Jupyter!'"
notebook.cells.append(nbformat.v4.new_code_cell(code2))

# 添加Markdown单元格
markdown_text = "This is a markdown cell."
notebook.cells.append(nbformat.v4.new_markdown_cell(markdown_text))

# 添加带有输出的代码单元格
code3 = "result3 = result1 * 2\nresult3"
notebook.cells.append(nbformat.v4.new_code_cell(code3))
notebook.cells[-1].outputs.append(nbformat.v4.new_output(
    output_type='execute_result',
    data={'text/plain': '4'},
))

# 为每个代码单元格添加执行计数
for i, cell in enumerate(notebook.cells):
    if cell.cell_type == 'code':
        cell['execution_count'] = i + 1

代码解释：

创建一个新的 Notebook ：使用 nbformat.v4.new_notebook() 创建一个空的 Notebook 对象。
添加代码单元格 ：我们通过 nbformat.v4.new_code_cell() 向 Notebook 中添加代码单元格。例如，第一个代码单元格执行了简单的加法运算 result1 = 2 + 2。
添加 Markdown 单元格 ：使用 nbformat.v4.new_markdown_cell() 向 Notebook 中添加 Markdown 单元格。Markdown 允许你在文档中插入文本、图片、数学公式等。
添加带有输出的代码单元格 ：最后，我们添加一个带有输出的代码单元格，这个单元格计算 result1 * 2，并返回结果 4。

4. 导出为 HTML 文件

接下来，我们将使用 HTMLExporter 将 Notebook 转换为 HTML 格式，并确保插入类似 In [1]: 的执行计数。

python 复制代码

# 将Notebook导出为HTML
html_exporter = HTMLExporter()
(body, _) = html_exporter.from_notebook_node(notebook)

# 插入带有执行计数的In [1]:等
lines = []
for line in body.split('\n'):
    if line.startswith('In '):
        lines.append(f'In [{line[4:]}')
    else:
        lines.append(line)

# 将HTML输出保存为文件
output_file_path_html = "output_notebook.html"
with open(output_file_path_html, "w", encoding="utf-8") as f:
    f.write('\n'.join(lines))

print(f"Jupyter Notebook HTML saved to {output_file_path_html}")

代码解释：

HTMLExporter ：我们通过 HTMLExporter 将 Notebook 对象转换为 HTML 格式。from_notebook_node() 方法会返回 HTML 内容。
插入执行计数 ：接着，我们遍历生成的 HTML 内容，将每个包含 In 的行转化为 In [1]: 这样的格式，以保证代码单元格的执行计数能够正确显示。
保存为 HTML 文件 ：最后，我们将处理过的 HTML 内容保存到 output_notebook.html 文件中。

5. 将 Notebook 保存为 `.ipynb` 文件

除了导出为 HTML 格式，我们还需要将 Notebook 保存为 .ipynb 格式，这样可以方便地在 Jupyter Notebook 中打开。

python 复制代码

# 将Notebook保存为.ipynb文件
output_file_path_ipynb = "output_notebook.ipynb"
nbformat.write(notebook, output_file_path_ipynb)

print(f"Jupyter Notebook .ipynb saved to {output_file_path_ipynb}")

代码解释：

nbformat.write() ：这行代码将 Notebook 对象保存为 .ipynb 格式的文件。

6. 完整代码

将上述所有代码整合在一起，形成完整的 Python 脚本：

python 复制代码

import nbformat
from nbconvert import HTMLExporter

# 创建一个新的Jupyter Notebook
notebook = nbformat.v4.new_notebook()

# 添加代码单元格
code1 = "result1 = 2 + 2"
notebook.cells.append(nbformat.v4.new_code_cell(code1))

code2 = "result2 = 'Hello, Jupyter!'"
notebook.cells.append(nbformat.v4.new_code_cell(code2))

# 添加Markdown单元格
markdown_text = "This is a markdown cell."
notebook.cells.append(nbformat.v4.new_markdown_cell(markdown_text))

# 添加带有输出的代码单元格
code3 = "result3 = result1 * 2\nresult3"
notebook.cells.append(nbformat.v4.new_code_cell(code3))
notebook.cells[-1].outputs.append(nbformat.v4.new_output(
    output_type='execute_result',
    data={'text/plain': '4'},
))

# 为每个代码单元格添加执行计数
for i, cell in enumerate(notebook.cells):
    if cell.cell_type == 'code':
        cell['execution_count'] = i + 1

# 将Notebook导出为HTML
html_exporter = HTMLExporter()
(body, _) = html_exporter.from_notebook_node(notebook)

# 插入带有执行计数的In [1]:等
lines = []
for line in body.split('\n'):
    if line.startswith('In '):
        lines.append(f'In [{line[4:]}')
    else:
        lines.append(line)

# 将HTML输出保存为文件
output_file_path_html = "output_notebook.html"
with open(output_file_path_html, "w", encoding="utf-8") as f:
    f.write('\n'.join(lines))

print(f"Jupyter Notebook HTML saved to {output_file_path_html}")

# 将Notebook保存为.ipynb文件
output_file_path_ipynb = "output_notebook.ipynb"
nbformat.write(notebook, output_file_path_ipynb)

print(f"Jupyter Notebook .ipynb saved to {output_file_path_ipynb}")

7. 总结

通过本文的介绍，我们已经学会了如何使用 Python 创建和导出 Jupyter Notebook 文件。无论是将其保存为 .ipynb 格式以供后续使用，还是将其导出为 .html 格式进行展示，我们都可以通过简单的 Python 脚本来实现这一切。

使用 Python 创建和导出 Jupyter Notebook：从零到一的完整教程