Python 编程实战：函数与模块化编程及内置模块探索

一、前言

你想要通过实战案例掌握 Python 函数、模块化编程的核心用法，同时探索常用内置模块的实际应用 ------ 这是 Python 从 "入门写脚本" 到 "进阶做项目" 的关键跨越。函数让代码复用、逻辑解耦，模块化让项目结构清晰易维护，内置模块则能直接利用 Python 官方的成熟工具（无需重复造轮子）。本文会以 "实战" 为核心，从基础到进阶，手把手带你掌握这些核心知识点。

二、函数编程实战

函数是 Python 代码的 "最小复用单元"，掌握函数的定义、参数、进阶用法（闭包、装饰器）是实战的基础。

1. 函数基础：定义、参数与返回值

核心语法

python 复制代码

def 函数名(参数1, 参数2=默认值, *args, **kwargs) -> 返回值类型:
    """函数文档字符串（说明功能）"""
    函数逻辑
    return 返回值

关键参数说明

默认参数 ：reverse=False，调用时可省略，提升函数易用性；
可变参数 ：*args（接收任意位置参数）、**kwargs（接收任意关键字参数），适合参数数量不确定的场景；
类型标注 ：明确参数 / 返回值类型，提升代码可读性（如data: list、-> list）。

2. 函数进阶：闭包与装饰器（实战高频）

（1）闭包：封装私有变量

场景：创建 "带状态的函数"，比如计数器：

python 复制代码

def create_counter():
    """闭包：创建计数器，封装私有变量count"""
    count = 0  # 私有变量，外部无法直接访问
    
    def counter():
        nonlocal count  # 声明使用外层函数的变量
        count += 1
        return count
    
    return counter

# 实战调用
counter1 = create_counter()
print(counter1())  # 输出1
print(counter1())  # 输出2
counter2 = create_counter()
print(counter2())  # 输出1（独立计数器，互不影响）

（2）装饰器：增强函数功能（无侵入式）

场景：给函数添加 "日志记录""耗时统计" 功能，无需修改原函数：

python 复制代码

import time
from typing import Callable

def timer_decorator(func: Callable) -> Callable:
    """装饰器：统计函数执行耗时"""
    def wrapper(*args, **kwargs):
        start_time = time.time()
        result = func(*args, **kwargs)  # 执行原函数
        end_time = time.time()
        print(f"函数{func.__name__}执行耗时：{end_time - start_time:.4f}秒")
        return result
    return wrapper

# 应用装饰器
@timer_decorator
def heavy_calculation(n: int) -> int:
    """模拟耗时计算：求1到n的和"""
    total = 0
    for i in range(n + 1):
        total += i
    return total

# 测试调用
print(heavy_calculation(1000000))
# 输出：
# 函数heavy_calculation执行耗时：0.0452秒
# 500000500000

三、模块化编程实战

当代码量超过 100 行时，"模块化" 是必选项 ------ 将功能拆分到不同文件 / 包中，让代码结构清晰、易维护。

1. 模块基础：定义与导入

（1）创建模块文件

新建文件utils.py（工具模块），写入以下代码：

python 复制代码

# utils.py - 工具模块
import datetime

def format_time(timestamp: float) -> str:
    """将时间戳转为格式化字符串"""
    return datetime.datetime.fromtimestamp(timestamp).strftime("%Y-%m-%d %H:%M:%S")

def calculate_average(numbers: list) -> float:
    """计算列表平均值（处理空列表异常）"""
    if not numbers:
        raise ValueError("列表不能为空")
    return sum(numbers) / len(numbers)

（2）导入模块的 4 种方式

新建文件main.py，调用utils.py中的函数：

python 复制代码

# main.py - 主程序
# 方式1：导入整个模块（推荐，避免命名冲突）
import utils

# 方式2：导入模块并指定别名
import utils as ut

# 方式3：导入模块中的指定函数
from utils import format_time

# 方式4：导入模块中的所有函数（不推荐，易冲突）
# from utils import *

# 调用函数
if __name__ == "__main__":
    print(utils.format_time(1736540000))  # 输出格式化时间
    print(ut.calculate_average([1,2,3,4]))  # 输出2.5
    print(format_time(1736540000))  # 输出格式化时间

2. 包的创建：多模块组织（实战项目必备）

当模块数量较多时，需要创建 "包（Package）" 来组织模块。

（1）创建包结构

python 复制代码

my_project/          # 项目根目录
├── main.py          # 主程序
└── data_tools/      # 自定义包
    ├── __init__.py  # 包标识文件（不能为空，可空文件）
    ├── file_ops.py  # 文件操作模块
    └── data_ops.py  # 数据处理模块

（2）编写包内模块

data_tools/file_ops.py（文件操作模块）：

python 复制代码

import os

def read_file(file_path: str) -> str:
    """读取文件内容（处理编码/不存在异常）"""
    if not os.path.exists(file_path):
        raise FileNotFoundError(f"文件{file_path}不存在")
    with open(file_path, "r", encoding="utf-8") as f:
        return f.read()

def write_file(file_path: str, content: str) -> None:
    """写入文件（自动创建目录）"""
    dir_name = os.path.dirname(file_path)
    if dir_name and not os.path.exists(dir_name):
        os.makedirs(dir_name)
    with open(file_path, "w", encoding="utf-8") as f:
        f.write(content)

3. 模块导入注意事项

__name__ == "__main__"：模块直接运行时执行的代码，被导入时不执行；
__init__.py：Python 3.3+ 可省略，但为了兼容性和包初始化（如批量导出函数），建议保留；
避免循环导入：如a.py导入b.py，b.py又导入a.py，会导致报错。