今日目标：

1. 理解模块和包的概念。
2. 学习如何创建和导入模块。
3. 掌握常用的内置模块。
4. 学习使用第三方包。
5. 了解Python包管理工具pip。

第一部分：什么是模块和包？

随着程序变得越来越复杂，我们需要将代码组织成多个文件：

• 模块（Module）：一个.py文件就是一个模块
• 包（Package）：包含多个模块的目录（需要有__init__.py文件）

优点：

• 代码重用
• 命名空间管理
• 易于维护

第二部分：创建和使用模块

1. 创建第一个模块：

# 创建文件 calculator.py
# 这是一个简单的计算器模块

def add(a, b):
    """返回两个数的和"""
    return a + b

def subtract(a, b):
    """返回两个数的差"""
    return a - b

def multiply(a, b):
    """返回两个数的积"""
    return a * b

def divide(a, b):
    """返回两个数的商"""
    if b == 0:
        raise ValueError("除数不能为零")
    return a / b

# 模块级别的变量
PI = 3.14159
VERSION = "1.0"

# 测试代码
if __name__ == "__main__":
    # 这个代码只有在直接运行该模块时才会执行
    print("测试计算器模块:")
    print(f"5 + 3 = {add(5, 3)}")
    print(f"PI = {PI}")

2 导入模块：

# 创建新文件 day15_module.py

# 方法1：导入整个模块
import calculator

result = calculator.add(10, 5)
print(f"10 + 5 = {result}")
print(f"PI = {calculator.PI}")

# 方法2：导入特定函数
from calculator import add, multiply

result = add(10, 5)
print(f"使用import导入的add: {result}")

# 方法3：导入所有内容（不推荐，容易造成命名冲突）
from calculator import *

result = subtract(10, 5)
print(f"10 - 5 = {result}")

# 方法4：给模块或函数起别名
import calculator as calc
from calculator import divide as div

result = calc.multiply(10, 5)
print(f"使用别名调用: 10 * 5 = {result}")

第三部分：创建和使用包

3 创建包结构：

my_package/
├── __init__.py
├── math_utils.py
├── string_utils.py
└── data/
    ├── __init__.py
    └── processor.py

4 包中的模块：

# my_package/math_utils.py
def factorial(n):
    if n == 0:
        return 1
    return n * factorial(n - 1)

def is_prime(n):
    if n < 2:
        return False
    for i in range(2, int(n**0.5) + 1):
        if n % i == 0:
            return False
    return True

# my_package/string_utils.py
def reverse_string(s):
    return s[::-1]

def count_vowels(s):
    vowels = "aeiouAEIOU"
    count = 0
    for char in s:
        if char in vowels:
            count += 1
    return count

5 使用包：

# 导入包中的模块
from my_package import math_utils, string_utils

print(math_utils.factorial(5))  # 120
print(string_utils.reverse_string("hello"))  # olleh

# 导入包中子模块
from my_package.data import processor

# 相对导入（在包内部使用）
# from ..math_utils import factorial

第四部分：常用的内置模块

6 math模块：

import math

# 数学常数
print(math.pi)     # 3.141592653589793
print(math.e)      # 2.718281828459045

# 数学函数
print(math.sqrt(16))      # 4.0
print(math.pow(2, 3))     # 8.0
print(math.log(100, 10))  # 2.0
print(math.sin(math.pi/2)) # 1.0

# 实用函数
print(math.floor(3.7))    # 3
print(math.ceil(3.2))     # 4
print(round(3.14159, 2))  # 3.14

7 random模块：

import random

# 生成随机数
print(random.random())           # [0, 1)之间的随机小数
print(random.uniform(1, 10))     # [1, 10)之间的随机小数
print(random.randint(1, 6))      # [1, 6]之间的随机整数

# 随机选择
colors = ["红", "绿", "蓝", "黄"]
print(random.choice(colors))     # 随机选择一个元素
print(random.sample(colors, 2))  # 随机选择多个不重复的元素
random.shuffle(colors)           # 打乱顺序
print(colors)

8 datetime模块：

from datetime import datetime, date, time, timedelta

# 当前日期时间
now = datetime.now()
print(f"当前时间: {now}")
print(f"年份: {now.year}, 月份: {now.month}, 日期: {now.day}")

# 创建特定日期
birthday = date(2000, 1, 1)
print(f"生日: {birthday}")

# 格式化日期
formatted = now.strftime("%Y年%m月%d日 %H:%M:%S")
print(f"格式化: {formatted}")

# 解析字符串为日期
date_str = "2023-12-25 20:30:00"
parsed_date = datetime.strptime(date_str, "%Y-%m-%d %H:%M:%S")
print(f"解析的日期: {parsed_date}")

# 日期运算
tomorrow = now + timedelta(days=1)
last_week = now - timedelta(weeks=1)
print(f"明天: {tomorrow}")
print(f"上周: {last_week}")

9 os模块：

import os

# 文件和目录操作
print(os.getcwd())  # 当前工作目录

# 列出目录内容
print(os.listdir('.'))

# 创建和删除目录
if not os.path.exists('test_dir'):
    os.mkdir('test_dir')

# 检查路径
print(os.path.isfile('test.txt'))
print(os.path.isdir('test_dir'))

# 路径拼接
file_path = os.path.join('test_dir', 'test.txt')
print(file_path)

10 json模块：

import json

# Python对象转换为JSON字符串
data = {
    "name": "小明",
    "age": 18,
    "scores": [85, 92, 78],
    "is_student": True
}

json_str = json.dumps(data, ensure_ascii=False, indent=2)
print(json_str)

# 将JSON字符串保存到文件
with open('data.json', 'w', encoding='utf-8') as f:
    json.dump(data, f, ensure_ascii=False, indent=2)

# 从JSON字符串解析Python对象
data_loaded = json.loads(json_str)
print(data_loaded['name'])

# 从文件加载JSON
with open('data.json', 'r', encoding='utf-8') as f:
    data_from_file = json.load(f)

第五部分：使用第三方包

11 使用pip安装包：

# 在命令行中执行
pip install requests numpy pandas

# 查看已安装的包
pip list

# 安装特定版本
pip install requests==2.28.1

# 升级包
pip install --upgrade requests

# 卸载包
pip uninstall requests

12 使用requirements.txt：

# requirements.txt文件内容
requests==2.28.1
numpy>=1.21.0
pandas

安装所有依赖：

pip install -r requirements.txt

今日小结与练习

今日核心概念：

• 模块：一个.py文件，包含可重用的代码
• 包：包含__init__.py文件的目录，包含多个模块
• 导入方式：import, from … import, 别名
• 内置模块：math, random, datetime, os, json等
• 第三方包：使用pip安装和管理
• if __name__ == “__main__”：模块测试代码

动手练习（务必完成）：

练习1：创建个人工具包
创建一个名为my_tools的包，包含以下模块：

• math_tools.py：包含你常用的数学函数
• string_tools.py：包含字符串处理函数
• file_tools.py：包含文件操作函数

然后在主程序中导入并使用这些工具。

练习2：学生信息管理系统（模块化版）
将之前的学生信息管理系统拆分成多个模块：

• models.py：包含Student, Teacher, Course等类
• storage.py：包含文件读写功能
• ui.py：包含用户界面逻辑
• main.py：主程序，导入其他模块并运行

练习3（挑战）：天气查询程序
使用requests库（需要先安装）创建一个简单的天气查询程序：

1. 安装requests库：pip install requests
2. 使用免费的天气API（如https://api.openweathermap.org）
3. 让用户输入城市名，查询并显示天气信息
4. 将查询结果保存到JSON文件中

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