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Python标准库——走马观花

Python有一套很有用的标准库(standard library)。标准库会随着Python解释器,一起安装在你的电脑中的。它是Python的一个组成部分。这些标准库是Python为你准备好的利器,可以让编程事半功倍。

我将根据我个人的使用经验中,挑选出标准库三个方面的包(package)介绍:

  • Python增强
  • 系统互动
  • 网络

第一类:Python增强

Python自身的已有的一些功能可以随着标准库的使用而得到增强。

1) 文字处理

Python的string类提供了对字符串进行处理的方法。更进一步,通过标准库中的re包,Python可以用正则表达式(regular expression)来处理字符串。

正则表达式是一个字符串模板。Python可以从字符中搜查符合该模板的部分,或者对这一部分替换成其它内容。比如你可以搜索一个文本中所有的数字。正则表达式的关键在于根据自己的需要构成模板。

此外,Python标准库还为字符串的输出提供更加丰富的格式, 比如: string包,textwrap包。

2) 数据对象

不同的数据对象,适用于不同场合的对数据的组织和管理。Python的标准库定义了表和词典之外的数据对象,比如说数组(array),队列(Queue)。一个熟悉数据结构(data structure)的Python用户可以在这些包中找到自己需要的数据结构。

此外,我们也会经常使用copy包,以复制对象。

3) 日期和时间

日期和时间的管理并不复杂,但容易犯错。Python的标准库中对日期和时间的管理颇为完善(利用time包管理时间,利用datetime包管理日期和时间),你不仅可以进行日期时间的查询和变换(比如:2012年7月18日对应的是星期几),还可以对日期时间进行运算(比如2000.1.1 13:00的378小时之后是什么日期,什么时间)。通过这些标准库,还可以根据需要控制日期时间输出的文本格式(比如:输出’2012-7-18‘还是'18 Jul 2012')

4) 数学运算

标准库中,Python定义了一些新的数字类型(decimal包, fractions包), 以弥补之前的数字类型(integer, float)可能的不足。标准库还包含了random包,用于处理随机数相关的功能(产生随机数,随机取样等)。math包补充了一些重要的数学常数和数学函数,比如pi,三角函数等等。

(尽管numpy并不是标准库中的包,但它的数组运算的良好支持,让它在基于Python的科研和计算方面得到相当广泛的应用,可以适当关注。)

5) 存储

之前我们的快速教程中,只提及了文本的输入和输出。实际上,Python可以输入或输出任意的对象。这些对象可以通过标准库中的pickle包转换成为二进制格式(binary),然后存储于文件之中,也可以反向从二进制文件中读取对象。

此外,标准库中还支持基本的数据库功能(sqlite3包)。XML和csv格式的文件也有相应的处理包。

第二类:系统互动

系统互动,主要指Python和操作系统(operate system)、文件系统(file system)的互动。Python可以实现一个操作系统的许多功能。它能够像bash脚本那样管理操作系统,这也是Python有时被成为脚本语言的原因。

1) Python运行控制

sys包被用于管理Python自身的运行环境。Python是一个解释器(interpreter), 也是一个运行在操作系统上的程序。我们可以用sys包来控制这一程序运行的许多参数,比如说Python运行所能占据的内存和CPU, Python所要扫描的路径等。另一个重要功能是和Python自己的命令行互动,从命令行读取命令和参数。

2) 操作系统

如果说Python构成了一个小的世界,那么操作系统就是包围这个小世界的大世界。Python与操作系统的互动可以让Python在自己的小世界里管理整个大世界。

os包是Python与操作系统的接口。我们可以用os包来实现操作系统的许多功能,比如管理系统进程,改变当前路径(相当于’cd‘),改变文件权限等,建立。但要注意,os包是建立在操作系统的平台上的,许多功能在Windows系统上是无法实现的。另外,在使用os包中,要注意其中的有些功能已经被其他的包取代。

我们通过文件系统来管理磁盘上储存的文件。查找、删除,复制文件,以及列出文件列表等都是常见的文件操作。这些功能经常可以在操作系统中看到(比如ls, mv, cp等Linux命令),但现在可以通过Python标准库中的glob包、shutil包、os.path包、以及os包的一些函数等,在Python内部实现。

subprocess包被用于执行外部命令,其功能相当于我们在操作系统的命令行中输入命令以执行,比如常见的系统命令'ls'或者'cd',还可以是任意可以在命令行中执行的程序。

4) 线程与进程

Python支持多线程(threading包)运行和多进程(multiprocessing包)运行。通过多线程和多进程,可以提高系统资源的利用率,提高计算机的处理速度。Python在这些包中,附带有相关的通信和内存管理工具。此外,Python还支持类似于UNIX的signal系统,以实现进程之间的粗糙的信号通信。

第三类:网络

现在,网络功能的强弱很大程度上决定了一个语言的成功与否。从Ruby, JavaScript, php身上都可以感受到这一点。Python的标准库对互联网开发的支持并不充分,这也是Django等基于Python的项目的出发点: 增强Python在网络方面的应用功能。这些项目取得了很大的成功,也是许多人愿意来学习Python的一大原因。但应注意到,这些基于Python的项目也是建立在Python标准库的基础上的。

1) 基于socket层的网络应用

socket是网络可编程部分的底层。通过socket包,我们可以直接管理socket,比如说将socket赋予给某个端口(port),连接远程端口,以及通过连接传输数据。我们也可以利用SocketServer包更方便地建立服务器。

通过与多线程和多进程配合,建立多线程或者多进程的服务器,可以有效提高服务器的工作能力。此外,通过asyncore包实现异步处理,也是改善服务器性能的一个方案。

2) 互联网应用

在实际应用中,网络的很多底层细节(比如socket)都是被高层的协议隐藏起来的。建立在socket之上的http协议实际上更容易也更经常被使用。http通过request/responce的模式建立连接并进行通信,其信息内容也更容易理解。Python标准库中有http的服务器端和客户端的应用支持(BaseHTTPServer包; urllib包, urllib2包), 并且可以通过urlparse包对URL(URL实际上说明了网络资源所在的位置)进行理解和操作。

以上的介绍比较粗糙,只希望能为大家提供一个了解标准库的入口。欢迎大家一起分享标准库的使用经验。

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