13  Python：import 使用详解

13.1 引言

对于 Python 初学者来说，经常会在代码的前几行看到如下语句：

import numpy as np
import yfinance as yf
import pandas as pd
import matplotlib.pyplot as plt

这时候，初学者往往会产生疑问：这些语句的作用是什么？为什么有时会看到很多类似的 import 语句？我如何知道自己需要导入哪些包？这些包到底是从哪里来的？它们如何帮助我实现特定的功能？

在本篇讲义中，我们将深入探讨 import 语句的使用，特别是如何通过导入模块和包，来扩展 Python 的功能，避免重复编写代码，提高开发效率。

通过实践，初学者可以逐渐掌握如何根据自己的需求，导入所需的库和模块，从而让自己的代码变得更加简洁且高效。

13.2 什么是模块、包和函数？

函数 (Function)

在 Python 中，函数是程序的基本组成部分。函数是一段执行特定任务的代码，可以接收输入并返回输出。函数是我们编写高效、简洁代码的重要工具。

例如，math.sqrt() 是 Python 标准库中的一个函数，用于计算平方根。它是一个模块中的一个功能。

模块 (Module)

模块是一个包含 Python 代码的文件，通常是一个 .py 文件。一个模块可以包含多个函数、类和变量，用来实现特定的功能。模块是对功能的封装，可以提高代码的可维护性和可复用性。

例如，math 是一个标准库模块，它包含了许多数学计算相关的函数，如 sqrt()、sin()、cos() 等。

包 (Package)

包是一个包含多个模块的目录。包可以将相关的模块组织在一起，方便管理和使用。每个包目录中都会包含一个特殊的 __init__.py 文件，它标识该目录是一个包。

例如，numpy 是一个非常常见的 Python 包，它包含多个子模块（如 numpy.linalg 用于线性代数运算，numpy.fft 用于傅里叶变换等）。

函数、模块和包之间的关系

为了更好地理解函数、模块和包之间的关系，下面是一个结构图：

Package (包)
    ├── Module (模块)
    │     ├── Function (函数)
    │     ├── Function (函数)
    │     └── Class (类)
    ├── Module (模块)
    └── __init__.py

在上图中，我们可以看到： - 包（Package） 是由多个 模块（Module） 组成的文件夹。 - 每个 模块（Module） 内部可以包含多个 函数（Function），也可以包含 类（Class）。 - 函数 是模块中的功能实现，它通常执行某一具体的任务。

13.3 import 语句：基本用法

13.3.1 导入整个模块

最常见的方式是导入整个模块：

import math

这样我们就可以使用 math 模块中的所有函数，如 math.sqrt()、math.sin() 等。

13.3.2 给模块起别名

为了提高代码的可读性和简洁性，我们通常给模块起一个别名，尤其是对于较长的模块名。例如，numpy 可以用 np 作为别名：

import numpy as np

之后，我们可以通过 np 来引用 numpy 中的函数或类：

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

13.3.3 从模块中导入特定函数

如果只需要模块中的特定功能，可以直接导入所需的函数：

from math import sqrt

此时，我们可以直接使用 sqrt() 函数，而不需要再写 math.sqrt()。

13.4 import 的机制

13.4.1 导入的背后：存储和内存

当你导入一个模块时，Python 会从其存储位置加载模块的代码到内存中，之后在内存中执行。对于标准库模块（如 math），它们已经随着 Python 安装包一起安装在你的电脑上，而第三方包（如 numpy、yfinance 等）需要通过 pip 或 conda 等工具安装，并通过 import 语句加载到内存中。

13.4.2 为什么需要 import？

很多初学者会问：“我已经安装了 yfinance 这个包，它已经在我的电脑上了，为什么每次使用时还要写 import yfinance as yf？”这是因为安装包并不会自动加载到 Python 的工作环境中。每次执行代码时，我们都需要明确告诉 Python 哪些功能是我们需要使用的，而 import 就是告诉 Python 去哪里找这些功能。import 将模块或包加载到内存中，以便在运行时使用。

13.4.3 如何查看已安装包的存储位置？

对于初学者来说，了解自己安装的包存储在哪里，有助于理解模块的导入机制。假设我们想查看 numpy 包的存储路径，可以使用以下 Python 命令：

import numpy
print(numpy.__file__)

这将输出 numpy 包的文件路径，类似于：

C:\ProgramData\anaconda3\Lib\site-packages\numpy

在该路径下，你会看到 numpy 包的所有文件和子目录，包含了该包的源码、配置文件等。

13.4.4 目录结构

我们可以通过 dir 命令查看该路径下的所有文件。例如：

import os
print(os.listdir(r'C:\ProgramData\anaconda3\Lib\site-packages\numpy'))

你还可以使用 tree 命令（如果安装了 tree 工具）以树形结构显示目录内容：

C:\ProgramData\anaconda3\Lib\site-packages\numpy
├── core
│   ├── arrayobject.py       <- 用于数组操作的模块
│   ├── umath.py             <- 数学运算模块
│   └── ...
├── linalg
│   ├── linalg.py            <- 线性代数运算模块
│   └── ...
└── __init__.py              <- 初始化文件

13.4.5 从模块中导入特定函数的好处

通过 from module import function 语句，我们可以只导入模块中的某个函数或类，而不是整个模块。这带来了几个好处： - 减少内存消耗：只加载需要的部分，避免不必要的内存开销。 - 简化代码：导入函数后，我们可以直接使用函数名称，避免在代码中重复书写模块名。

例如，从 math 模块中只导入 sqrt 函数：

from math import sqrt
print(sqrt(25))  # 直接使用 sqrt 函数

13.5 import 语句：高级用法

13.5.1 动态导入

在某些情况下，我们可能需要在运行时根据条件来导入模块，这时可以使用 importlib：

import importlib

numpy = importlib.import_module('numpy')
print(numpy.array([1, 2, 3]))

13.5.2 按需加载

虽然通常情况下我们会在代码开始时导入所有需要的库，但在某些特殊情况下，按需加载可以提高代码的性能。例如：

def some_function():
    import numpy as np
    # 使用 numpy 库进行操作

这种方式可以避免在程序启动时加载不必要的库，但对于大多数用户来说，在文件开始部分就加载所有需要的包更直观。

13.6 总结与建议

在 Python 中，import 语句是非常重要的，它帮助我们将模块化的代码引入到程序中，提升代码的可重用性和模块化程度。我们可以通过导入整个模块、给模块起别名、从模块中导入特定功能等方式灵活地使用模块。

在使用 import 时，我们需要根据实际需求选择合适的导入方式，避免命名冲突，并理解 import 是如何将模块加载到内存中的。继续实践并探索更多 Python 内置和第三方模块的使用，将会帮助你写出更简洁、可维护的代码。

13.7 参考资料

以下是与本讲义直接相关的一些链接，供读者扩展阅读：

  1. Python 官方文档 - 模块
  2. numpy 官方文档
  3. Python 中的包和模块概念

13.8 附录：提示词

提示词

13.8.1 Prompt 1

  • 写一篇讲义，主题：Python 中的 import 使用详解。
  • 读者：初学者，对 Python 几乎一无所知
  • 语言风格：朴实，严谨。一个从事多年 Python 教学的教授所写

你先帮我介绍一个提纲和思路，我修改确认后再开始写

13.8.2 Prompt 2

补充：

  1. 为了让初学者有个直观的感受，能否以 numpy 包为例，介绍其存储位置，以及文件夹中的内>容。我的路径为「C:-packages」，你可以在讲义中>介绍一些 Python 命令，以便读者能够获取它的电脑中的路径。总之，要提供一些指引，让读者能>够看到这个文件夹下的内容。也可以用 dir tree 结构图来呈现。似乎可以用 sys.path 命>令。
  2. 「引言」部分，可以采用更有趣的导入方式，比如：对于 Python 初学者而言，经常看到代码>的前几行会出现如下语句：
import numpy as np
import yfinance as yf
……

不免产生如下疑问：这些语句的作用是什么？我如何知道我该 import 哪些 packages？……

  1. 「2. 什么是模块和包？」部分：可以先介绍一下 function 的概念，这是 Python 的基本元>素，然后再介绍更高阶的内容，这样读者更容易理解诸如 np.arry, os.getcwd () 这样的表达>式
  2. 有一个重要的问题是：很多人认为，我已经 install 了 yfinance package，它已经存储在了>我的电脑上；另外， 诸如 math 这样的标准库模块，在我安装 Python 后 Anocanda 的时候就自>动安装在我的电脑中了，为何我用的时候还需要 import yfinance？你要在讲义的合适位置讲一下>这个问题。可能需要讲一下，import numpy 把【什么文件】导入到了【什么位置】（内存？），>这种做法的好处是什么？
  3. 「4.3 从模块中导入特定函数」部分，这种做法的好处是什么？
  4. 「6.2 按需加载」最好补充一个例子。不过，我猜测对于多数用户而言，这个问题并不重要。反>而是在文件开头部分就载入所有 packages 可以让代码更直观？

13.8.3 Prompt 3

修改： 在「2. 什么是模块、包和函数？」部分，能否增加一个 结构图，更直观地展示 函数，模块和 package 之间的关系

13.8.4 Prompt 4

很好，整合成一个完整的文档。 在结尾处提供 2-3 个与本讲义直接相关的链接，以便读者扩展阅读