模組 (Modules)

在講到什麼是模組前，我們需要先談談——「為什麼我們需要模組？」隨著愈加深入學習程式語言，有一個觀念變得越來越重要，那就是「可重複使用」，一如很早之前就說過，人類如果是懶惰的動物，那麼工程師想必是懶惰的王者。

「如果明明可以只要做一次的事，為什麼要做第二次呢？」而模組的建構與使用便是為了解決這個問題，想像今天我們是第一次在家裡組裝一個櫃子，由於我們不確定需要什麼，所以當我們發現這邊需要使用一字起時，我們會臨時去找一字起，而後又發現需要扳手時，我們會再去尋找扳手。

找工具這種狀況，如果只出現個一兩次倒也還好，但如果兩三天便需要組裝一個新傢俱，這樣到處翻找肯定讓人吃不消，因此我們會準備一個工具箱，把所有需要用到的工具放在工具箱裡，每次遇到差不多的狀況時，只要把工具箱拿出來，就不需要臨時在那邊翻找。

模組的基本概念即是如此，透過把工具分門別類貼上標籤，等到需要使用時再將其匯入 import，便能節省那些重複製造、找尋的過程，直接使用現成的工具（物件與函式）即可。

什麼是模組？

模組 Module 是一個包含一組程式碼或函式的檔案，可以將其包含到應用程式中。模組可大可小，小的話包含單一變數，而大的話則可以是一個或多個函式所組成的大型程式碼的檔案。

如何創建模組？

要創建模組，我們只需要將程式碼寫入一個 Python 檔案，並將其儲存為 .py 檔案。創建一個名為 my_module.py 的檔案，並在其中撰寫程式碼。

# my_module.py 檔案
def generate_full_name(firstname, lastname):
    return firstname + ' ' + lastname

匯入模組

接下來在專案資料夾中創建一個 main.py 檔案，我們想要在 main.py 中使用剛剛所創建的 my_module.py 模組，因此我們要使用關鍵字 import（匯入）將 my_module.py 匯進現有的 main.py 檔案中。

# 在 main.py 檔案裡

import my_module
print(my_module.generate_full_name('Chien', 'Chuan'))  # Chien Chuan

從模組中匯入函式

在剛剛的舉例中，我們的 my_module.py 只有一個函式 generate_full_main，然而一個模組裡也可以有多個函式或是變數、物件，我們可以分別匯入這些函式。

在匯入之前，記得先在 my_module.py 檔案中創建其他的函式。

# my_module.py 檔案

def sum_two_nums(num1, num2):
    return num1 + num2

gravity = 9.81

person = {
    "firstname": "Chien",
    "age": 199,
    "country": "Taiwan",
    "city": "Taipei"
}

# main.py 檔案

from my_module import generate_full_name, sum_two_nums, person, gravity

print(generate_full_name('Chien', 'Chuan'))
print(sum_two_nums(1, 9))

mass = 100
weight = mass * gravity

print(weight)
print(person['firstname'])

匯入模組並重新命名

先說說「為什麼需要重新命名？」，當然可以是我們爽，所以想要重新命名，但更多時候是因為現有的檔案（如：main.py 中已經使用了模組內的物件名稱，為了避免名稱重複（Python 可不會讀心術），所以需要給匯入模組的物件一個別名，以利 Python 在呼叫、調用時進行區分。

當然也有可能是一些偷懶的原因，像是本來物件的名稱取得太長，想少打一些字，也是有可能。（我就懶嘛！）

# main.py 檔案

from my_module import generate_full_name as fullname, sum_two_nums as total, person as p, gravity as g

print(fullname('Chien', 'Chuan'))
print(total(1, 9))

mass = 100
weight = mass * g

print(weight)
print(p)
print(p['firstname'])

匯入內建模組

Python 本身也已經建置好許多模組，讓使用者可以省去很多自己打造模組的時間，有些常用的內建模組如：math、datetime、os、sys、random、statistics、collections、json、re 等。

OS 模組

Python 的 os 模組可以自動執行許多作業系統相關的任務，像是創建、修改當前工作目錄、刪除目錄等功能。

# 匯入 os 模組
import os

# 創建目錄
os.mkdir('目錄名稱')
# 更改當前目錄
os.chdir('路徑')
# 獲取當前工作目錄
os.getcwd()
# 刪除目錄
os.rmdir()

Sys 模組

sys 模組提供操作 Python 執行環境的函式和變數。sys.argv 函式會回傳一個命令行引數列表，sys.argv[0] 是腳本名稱，sys.argv[1] 是從命令行傳遞的引數。

import sys
print('Welcome {}. Enjoy {} challenge!'.format(sys.argv[1], sys.argv[2]))

執行命令：

python script.py Frank 30DaysOfPython

結果：

Welcome Frank. Enjoy 30DaysOfPython challenge!

一些常用的 sys 指令：

# 退出程式
sys.exit()
# 獲取最大的整數變數
sys.maxsize
# 獲取環境路徑
sys.path
# 獲取 Python 版本
sys.version

Statistics 模組

statistics 模組提供數據統計相關的函式，例如 mean（平均數）、median（中位數）、mode（眾數）、stdev（標準差）等。

from statistics import *

ages = [20, 20, 4, 24, 25, 22, 26, 20, 23, 22, 26]
print(mean(ages))   # 平均數
print(median(ages)) # 中位數
print(mode(ages))   # 眾數
print(stdev(ages))  # 標準差

Math 模組

math 模組包含許多數學運算和常數。你可以使用 help(math) 或 dir(math) 查看模組內的函式。你可以選擇匯入特定函式，或是匯入整個模組。

import math

print(math.pi)          # 3.141592653589793，圓周率
print(math.sqrt(2))     # 1.4142135623730951，平方根
print(math.pow(2, 3))   # 8.0，次方
print(math.floor(9.81)) # 9，向下取整
print(math.ceil(9.81))  # 10，向上取整
print(math.log10(100))  # 2，以10為底的對數

也可以一次匯入多個函式：
（補充一下，* 是 wildcard 的意思，現階段可以當作是「全部」，雖然實際上的意義有些不同。）

from math import *

print(pi)               # 3.141592653589793，圓周率
print(sqrt(2))          # 1.4142135623730951，平方根
print(pow(2, 3))        # 8.0，次方
print(floor(9.81))      # 9，向下取整
print(ceil(9.81))       # 10，向上取整

我們也可以在匯入時重新命名函式：

from math import pi as PI
print(PI)  # 3.141592653589793

String 模組

string 模組也算是一個非常好用的模組。

import string

print(string.ascii_letters) # abcdefghijklmnopqrstuvwxyzABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ
print(string.digits)        # 0123456789
print(string.punctuation)   # !"#$%&'()*+,-./:;<=>?@[\]^_`{|}~

Random 模組

random 模組可生成隨機數。下面的範例裡面，我們示範如何使用 random() 和 randint()。

from random import random, randint

print(random())        # 生成 0 到 0.9999 之間的隨機數
print(randint(5, 20))  # 生成 5 到 20 之間的隨機整數

後記

今天看著五倍學院的 ASTRO Camp 17th 學員完成了他們的專案 demo，突然意識到離我接觸程式語言，也過了近半年的時間，有時候不太確定半年的我到底進步了多少，但肯定的是，到現在我仍然在程式語言的世界感到無比新鮮，每天都能學到新的知識、新的技術，真好玩！