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第 15 章 模組
這是討論收集方式的最後一章。前面已經瞭解了清單、函數和物件，這一章中我們將學習模組。下一章中，我們將使用一個名為 Pygame 的模組開始畫一些圖形。
15.1 什麼是模組
模組就是某個東西的一部分。如果一個東西可以分為幾部分，或者你可以很容易地把它分解成多個不同部分，我們就說這個東西是模組化的。樂高（LEGO）積木可能就是模組化最好的例子。可以拿一堆不同的積木，用它們搭建不同的東西。
在 Python 中，-模-塊（module）-是-包-含在一個更大程式中的類似的部分。每個-模組或部分都是硬碟上的一個單獨的檔。可以把一個大程式分解為多個模組或檔。或者也可以反過來，從一個小的模組開始，逐漸增加其他部分來建立一個大程式。
15.2 為什麼使用模組
為什麼要那麼麻煩地把程式分解為較小的部分呢？要知道我們需要所有這些部分才能讓程式正常工作。為什麼不直接把所有內容都放在一個大檔中呢？
原因有幾個。
· 這樣做檔會更小，因而就能更容易地查找代碼。
· 一旦創建模組，這個模組就能在很多程式中使用。這樣下一次需要相同的功能時就不必再從頭開始了。
· 並不是所有模組都要使用。模組化意味著你可以使用各部分的不同組合來完成不同的任務，就像利用同樣的一組樂高積木可以搭建不同的東西一樣。
15.3 積木桶
在關於函數的第 13 章中，我們說過函數就像積木，那麼模組可以認為是一桶積-木。根據需要，你可以從一個桶中取很多或者很少的積木，也可以有很多桶不同的-積木。也許有一桶正方形積木，一桶長方形積木，還有一桶奇形怪狀的積木。程式師-通常也採用這種方法來使用模組，也就是說，他們會把類似的函數收集在一個模組-中。或者他們也有可能把一個專案需要的所有函數收集在一個模組中，就像你會把-搭城堡需要的所有積木都放在一個桶中一樣。
15.4 如何創建模組
下麵來創建模組。模組就是一個 Python 檔，類似代碼清單 15-1 中給出的檔。在一個 IDLE 編輯器視窗中鍵入代碼清單 15-1 中的代碼，把它保存為 my_module.py。
代碼清單 15-1 創建一個模組
#
this is the file "my_module.py"
#
we're going to use it in another program
def
c_to_f(celsius):
fahrenheit = celsius * 9.0 / 5 + 32
return fahrenheit
就這麼簡單！這樣就創建了一個模組！模組中只有一個函數，也就是 c_to_f() 函數，它會把溫度從攝氏度轉換為華氏度。
接下來我們在另一個程式中使用 my_module.py。
15.5 如何使用模組
要使用模組中的某個函數，首先必須告訴 Python 我們想要使用哪些模組。在程式中包含其他模組的 Python 關鍵字是 import。可以這樣使用：
import
my_module
下面寫一個程式來使用我們剛才編寫的模組，這裡我們想用 c_to_f() 函數完成溫度轉換。
前面已經瞭解了如何使用函數並向它傳遞參數。這裡惟一不同的是，函數與主程序不在同一個檔中，而在另外的一個單獨的檔中，所以必須使用 import。代碼清單 15-2 中的程式使用了我們剛才編寫的模組 my_module.py。
代碼清單 15-2 使用模組
創建一個新的 IDLE 編輯器視窗，鍵入這個程式。保存為 modular.py，然後運行這個程式，看看會發生什麼。需要把它保存到 my_module.py 所在的同一個資料夾（或目錄）下。
能正常工作嗎？應該會看到類似下面的結果：
>>>
========================= RESTART =========================
>>>
Enter
a temperature in Celsius: 34
Traceback
(most recent call last):
File
"C:/MyPythonPrograms/modular.py", line 4, in <module>
fahrenheit = c_to_f(celsius)
NameError:
name 'c_to_f' is not defined
程式不能正常工作！怎麼回事？錯誤消息指出函數 c_to_f() 沒有定義。不過我們很清楚前面已經在 my_module 中定義了這個函數，而且我們確實已經導入了這個模組。
出現這個問題的原因是，在 Python 中指定在其他模組中定義的函數時必須更加具體。解決這個問題的一種方法是把這一行代碼
fahrenheit
= c_to_f(celsius)
改為
fahrenheit
= my_module.c_to_f(celsius)
現在我們向 Python 特別指出：c_to_f() 函數在 my_module 模組中。做了這個修改後再試著運行程式，看看能不能正常工作。
15.6 命名空間
卡特提到的內容與命名空間（namespace）概念有關。這個話題有點複雜，不過確實需要知道，所以現在就來討論這個概念。
什麼是命名空間
假設在你們學校，你在 Morton 老師的班裡，班裡有個學生名叫 Shawn。現在 Wheeler 老師教的那個班也有一個名叫 Shawn 的學生。如果你在自己的班裡說“Shawn 有一個新書包”時，你們班的所有人都會知道（或者至少他們會認為），你指的是你們班的 Shawn。如果你想說另外那個班的 Shawn 就會說“Wheeler 老師班裡的 Shawn”或者“另外那個 Shawn”，或者其他類似的說法。
你們班裡只有一個 Shawn，所以你說 Shawn 時，同班的同學就會知道你說的是哪個人。換種說法來講，在你們班的這個空間裡，只有一個名字 Shawn。你們班就是你的命名空間，在這個命名空間裡只有一個 Shawn，所以不會有混淆。
現在，如果校長必須通過學校的廣播系統把 Shawn 叫到辦公室，她不會說“請 Shawn 到辦公室來一趟”。如果她這樣做，兩個 Shawn 都會出現在他的辦公室。對於使用廣播系統的校長來說，命名空間是整個學校。這說明，學校的每一個人都會聽到這個名字，而不只是一個班的同學。所以她必須更明確地指出她指的是哪一個 Shawn。她必須這樣說：“請 Morton 老師班裡的 Shawn 到辦公室來一趟。”
校長還可以用另一種方法找 Shawn，就是走到你們班門口說：“Shawn，請跟我來。”這裡只有一個 Shawn 聽到，所以校長能找到真正要找的那個 Shawn。在這種情況下，命名空間就只是一個教室，而不是整個學校。
一般來講，程式師把較小的命名空間（比如你的教室）稱作局部命名空間，而較大的命名空間（如整個學校）稱為全域命名空間。
導入命名空間
下面假設你們學校（John Young 學校）根本沒有一個名叫 Fred 的人。如果校長通過廣播系統想找 Fred，她肯定找不到這個人。現在假設與你們學校同在一條街上的另一個學校（Stephen Leacock 學校）正在進行部分校舍維修，這個學校把一個班級臨時搬到你們學校的活動房裡上課。在這個班裡，恰好有一個學生名叫 Fred。不過這個活動房還沒有連上廣播系統。如果校長找 Fred，肯定還是找不到。但是，如果她把這個新的活動房連入廣播系統，然後再找 Fred，就會找到 Stephen Leacock 學校的 Fred。
連接另一個學校的活動房屋，這在 Python 中就像導入一個模組。導入了模組，就可以訪問這個模組中的所有名字，包括所有變數、函數以及物件。
導入模組的含義與導入一個命名空間是一樣的。導入模組時，就導入了命名空間。
導入命名空間（模組）有兩種方法。可以這樣做：
import
StephenLeacock
如果這樣做，StephenLeacock 仍然是一個單獨的命名空間。你可以訪問這個命名空間，但是在使用之前必須明確地指定想要哪一個命名空間。所以校長必須這樣做：
call_to_office(StephenLeacock.Fred)
如果校長想找到 Fred，除了名字（Fred）外，她還必須給出命名空間（Stephen
Leacock）。在前面的溫度轉換程式中就是這樣做的。
為了讓這個程式正常工作，我們寫了這樣一行代碼：
fahrenheit
= my_module.c_to_f(celsius)
這裡指定了命名空間（my_module）以及函數名（c_to_f）。
用 from 導入
導入命名空間的另一種方法是：
from
StephenLeacock import Fred
如果校長這樣做，會把 StephenLeacock 的名字 Fred 包含到她的命名空間中，現在就可以這樣找到 Fred：
call_to_office(Fred)
因為 Fred 現在就在校長的命名空間中，所以她不必再去 StephenLeacock 命名空間找 Fred。
在這個例子中，校長只是從 StephenLeacock 把名字 Fred 導入她的局部命名空間中。如果她想導入所有人，可以這樣做：
from
StephenLeacock import *
在這裡，星號（*）表示全部。不過她必須當心，如果 Stephen Leacock 學校與 John Young 學校有同名的學生，就會出現混亂了。
太難了
到目前為止，你可能對命名空間的概念還是不太清楚。不用擔心！通過完成後面幾章的例子，你會越來越明白。後面需要導入模組時，我都會清楚地解釋要做什麼。
15.7 標準模組
我們已經知道了如何創建和使用模組，是不是總是必須編寫我們自己的模組？並不是這樣！這正是 Python 的妙處之一。
Python 提供了大量標準模組，可以用來完成很多工作，比如查找檔、報時（或計時）、生成亂數，以及很多其他功能。有時，人們說 Python“配有電池”，指的就是 Python 的所有標準模組。這稱為 Python 標準庫。
為什麼這些內容必須放在單獨的模組中呢？嗯，不是非得這樣，不過設計 Python 的人認為這樣會更高效。否則，每個 Python 程式都必須包含所有可能用到的函數。通過建立單獨的模組，就只需包含你真正需要的那些函數。
當然，有些內容（如 print、for 和 if-else）是 Python 的基本命令，所以這些基本命令不需要一個單獨的模組，它們都在 Python 的主要部分中。
如果 Python 沒有提供合適的模組來完成你想做的工作（如建立一個圖形遊戲），可以下載另外一些外掛程式模組，它們通常都是免費的！我們在這本書裡就包含了一些這樣的外掛程式模組，如果使用這本書網站上的安裝程式，就會同時安裝這些模組。或者，你也完全可以單獨安裝。下面來看幾個標準模組。
time
利用 time 模組，能夠獲取你的電腦時鐘的資訊，如日期和時間。還可以利用它為程式增加延遲。（有時電腦動 作太快，你必須讓它慢下來。）
time 模組中的 sleep() 函數可以用來增加一個延遲，也就是說，可以讓程式等待一段時間，什麼也不做。這就像讓你的程式睡眠，正是這個原因，這個函數名叫 sleep()。可以告訴它你要它睡多長時間（多少秒）。
代碼清單 15-3 中的程式展示了 sleep() 函數如何工作。鍵入這個程式，保存並運行，看看會發生什麼。
代碼清單 15-3 讓程式睡眠
import
time
print
"How",
time.sleep(2)
print
"are",
time.sleep(2)
print
"you",
time.sleep(2)
print
"today?"
要注意，調用 sleep() 函數時，必須在前面加上 time.。這是因為，儘管我們已經用 import 導入了 time，但是並沒有讓它成為主程式命名空間的一部分。所以每次想要使用 sleep() 函數時，都必須調用 time.sleep()。
如果試圖這樣做：
import
time
sleep(5)
這是不行的，因為 sleep() 並不在我們的命名空間中。我們會得到這樣一條錯誤消息：
NameError:
name 'sleep' is not defined
不過如果這樣導入：
from
time import sleep
就會告訴 Python，“在 time 模組中尋找名為 sleep 的變數（或者函數或物件），把它包含到我的命名空間中。”現在就可以直接使用 sleep() 函數，而不需要再在前面加上 time. 了：
from
time import sleep
print
'Hello, talk to you again in 5 seconds...'
sleep(5)
print
'Hi again'
如果想要得到這種將名字導入局部命名空間帶來的方便（這樣就無需每次都指定模組名），但是又不知道需要模組中的哪些名字，就可以使用星號（*）把所有名字都導入到我們的命名空間裡：
from
time import *
* 表示“全部”，這樣就會從模組導入所有可用的名字。使用這個命令必須特別當心。如果在我們的程式中創建了一個名字，而它與 time 模組中的一個名字相同，就會出現衝突。用 * 導入所有名字不是最佳做法，最好只導入你真正需要的部分。
還記得第 8 章代碼清單 8-6 中的倒計時程式嗎？現在你應該知道那個程式中 time.sleep(1) 的作用了吧。
亂數
random 模組用於生成亂數。這在遊戲和模擬中非常有用。
下面試著在交互模式中使用 random 模組：
>>>
import random
>>>
print random.randint(0, 100)
4
>>>
print random.randint(0, 100)
72
每次使用 random.randint() 時，會得到一個新的隨機整數。由於我們為它傳遞的參數是 0 和 100，所以得到的整數會介於 0 到 100 之間。我們在第 1 章的猜數程式中就是使用 random.randint() 來創建秘密數。
如果你想得到一個隨機的小數，可以使用 random.random()。不用在括弧裡放任何參數，因為 random.random() 總是會提供一個介於 0 到 1 之間的數：
>>>
print random.random()
0.270985467261
>>>
print random.random()
0.569236541309
如果你想得到其他範圍內的一個亂數，比如說 0 到 10 之間，只需要將結果乘 以 10：
>>>
print random.random() * 10
3.61204895736
>>>
print random.random() * 10
8.10985427783
你學到了什麼
在這一章，你學到了以下內容。
·
什麼是模組。
·
如何創建模組。
·
如何在另一個程式中使用模組。
·
什麼是命名空間。
·
局部和全域命名空間和變數是什麼意思。
·
如何把其他模組中的名字包含到你的命名空間中。
另外你還瞭解了幾個 Python 標準模組的例子。
測試題
1. 使用模組有哪些好處？
2. 如何創建模組？
3. 使用模組時所用的 Python 關鍵字是什麼？
4. 導入模組等同於導入一個__________________。
5. 要導入 time 模組從而能訪問這個模組中的所有名字（也就是所有變數、函數和物件），有哪兩種方法？
動手試一試
1. 編寫一個模組，包含第 13 章“動手試一試”中的“用大寫字母列印名字”函數。然後編寫一個程式導入這個模組，並調用這個函數。
2. 修改代碼清單 15-2 中的代碼，把 c_to_f() 包含到主程序的命名空間裡。也就是說，修改這個代碼，從而可以寫：
fahrenheit
= c_to_f(celsius)
而不是
fahrenheit
= my_module.c_to_f(celsius)
3. 編寫一個小程式，生成 1 到 20 之間的 5 個隨機整數的清單，並列印出來。
4. 編寫一個小程式，要求它工作 30 秒，每 3 秒列印一個隨機小數。
大澳飛宇註:
桑德編著的《父與子的編程之旅（與小卡特一起學Python）》是一本家長與孩子共同學習編程的入門書。作者是一對父子，他們以Python語言為例，詳盡細致地介紹了Python如何安裝、字符串和操作符等程序設計的基本概念，介紹了條件語句、函數、模塊等進階內容，最後講解了用Python實現游戲編程。
書中的語言生動活潑，敘述簡單明了。為了讓學習者覺得編程有趣，本書編排了很多卡通人物及場景對話，讓學習者在輕松愉快之中跨入計算機編程的大門。本書適合中小學生以及一切編程初學者。
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