python编程：常用模块分类整理

一、系统与文件操作类

1. os模块

   • 功能：提供与操作系统交互的功能，包括文件和目录操作、路径处理等。
   • 应用场景：文件管理、脚本自动化、跨平台开发。
   • 使用方法：
     • os.path.join()：连接路径片段。
     • os.listdir()：列出指定目录下的文件和子目录。
     • os.mkdir()：创建新目录。
     • os.remove()：删除文件。
   • 程序示例：

     import os
     
     # 获取当前工作目录
     current_dir = os.getcwd()
     print(current_dir)
     
     # 列出指定目录下的文件和子目录
     dir_path = '/path/to/directory'
     files_and_dirs = os.listdir(dir_path)
     print(files_and_dirs)
     

2. sys模块

   • 功能：与 Python 解释器进行交互，提供对解释器相关参数和功能的访问。
   • 应用场景：获取命令行参数、控制解释器行为、动态加载模块。
   • 使用方法：
     • sys.argv：获取命令行参数列表。
     • sys.path：获取模块搜索路径。
     • sys.exit()：退出程序。
   • 程序示例：

     import sys
     
     # 获取命令行参数
     args = sys.argv
     print(args)
     
     # 退出程序
     sys.exit(0)
     

3. shutil模块

   • 功能：提供高级的文件操作功能，如文件复制、移动、删除等。
   • 应用场景：文件管理、备份和恢复、项目部署等。
   • 使用方法：
     • 文件复制：shutil.copy(src, dst)将源文件复制到目标位置。
     • 文件移动：shutil.move(src, dst)将文件从源位置移动到目标位置。
     • 递归复制目录：shutil.copytree(src, dst)复制整个目录树。
     • 删除目录：shutil.rmtree(path)删除指定目录及其内容。
   • 程序示例：

     import shutil
     
     # 复制文件
     shutil.copy('source.txt', 'destination.txt')
     
     # 移动文件
     shutil.move('old_location.txt', 'new_location.txt')
     
     # 复制目录树
     shutil.copytree('source_directory', 'destination_directory')
     
     # 删除目录
     shutil.rmtree('directory_to_delete')
     

4. pathlib模块

   • 功能：以面向对象的方式处理文件系统路径，提供了更直观和简洁的文件操作方法。
   • 应用场景：现代 Python 项目中的文件路径处理，提高代码可读性和可维护性。
   • 使用方法：
     • 创建路径对象：from pathlib import Path，p = Path('/path/to/file.txt')。
     • 检查路径是否存在：p.exists()。
     • 获取文件名、目录名等：p.name、p.parent。
     • 读写文件：可以结合with语句进行读写操作，如with p.open('r') as f: content = f.read()。
   • 程序示例：

     from pathlib import Path
     
     p = Path('/path/to/file.txt')
     
     # 检查路径是否存在
     if p.exists():
         print(f"File exists: {p}")
     
     # 获取文件名和目录名
     print(f"File name: {p.name}")
     print(f"Parent directory: {p.parent}")
     
     # 读取文件内容
     with p.open('r') as f:
         content = f.read()
         print(content)
     

二、数学与随机数类

1. math模块

   • 功能：提供数学函数和常量。
   • 应用场景：科学计算、图形绘制、数值分析。
   • 使用方法：
     • math.sqrt()：计算平方根。
     • math.sin()、math.cos()、math.tan()：三角函数计算。
     • math.pi：圆周率常量。
   • 程序示例：

     import math
     
     # 计算平方根
     num = 16
     square_root = math.sqrt(num)
     print(square_root)
     
     # 计算正弦值
     angle = math.pi / 6
     sine_value = math.sin(angle)
     print(sine_value)
     

2. random模块

   • 功能：生成随机数。
   • 应用场景：模拟、游戏开发、随机测试。
   • 使用方法：
     • random.random()：生成 0 到 1 之间的随机浮点数。
     • random.randint()：生成指定范围内的随机整数。
     • random.choice()：从序列中随机选择一个元素。
   • 程序示例：

     import random
     
     # 生成 0 到 1 之间的随机浮点数
     random_float = random.random()
     print(random_float)
     
     # 生成 1 到 10 之间的随机整数
     random_integer = random.randint(1, 10)
     print(random_integer)
     
     # 从列表中随机选择一个元素
     my_list = [1, 2, 3, 4, 5]
     random_element = random.choice(my_list)
     print(random_element)
     

三、日期时间类

1. datetime模块
   • 功能：处理日期和时间。
   • 应用场景：日志记录、时间戳处理、日程安排。
   • 使用方法：
     • datetime.datetime.now()：获取当前日期和时间。
     • datetime.timedelta()：进行时间间隔的计算。
     • datetime.date()、datetime.time()：分别处理日期和时间部分。
   • 程序示例：

     import datetime
     
     # 获取当前日期和时间
     now = datetime.datetime.now()
     print(now)
     
     # 计算一周后的日期
     one_week_later = now + datetime.timedelta(days=7)
     print(one_week_later)
     

四、文本处理类

1. re模块（正则表达式）

   • 功能：进行文本模式匹配和搜索替换等操作。
   • 应用场景：文本处理、数据验证、日志分析。
   • 使用方法：
     • re.compile()：编译正则表达式模式。
     • re.search()：在字符串中搜索匹配的模式。
     • re.findall()：查找所有匹配的子串。
     • re.sub()：替换匹配的子串。
   • 程序示例：

     import re
     
     text = "Hello, world! This is a test."
     pattern = r"world"
     match = re.search(pattern, text)
     if match:
         print(match.group())
     
     all_matches = re.findall(pattern, text)
     print(all_matches)
     
     new_text = re.sub(pattern, "Python", text)
     print(new_text)
     

2. json模块

   • 功能：处理 JSON 数据格式的编码和解码。
   • 应用场景：数据交换、与 Web 服务交互、配置文件读取。
   • 使用方法：
     • json.dumps()：将 Python 对象转换为 JSON 字符串。
     • json.loads()：将 JSON 字符串转换为 Python 对象。
     • json.dump()：将 Python 对象写入 JSON 文件。
     • json.load()：从 JSON 文件读取并转换为 Python 对象。
   • 程序示例：

     import json
     
     data = {
         "name": "John",
         "age": 30,
         "city": "New York"
     }
     json_str = json.dumps(data)
     print(json_str)
     
     parsed_data = json.loads(json_str)
     print(parsed_data)
     
     with open('data.json', 'w') as f:
         json.dump(data, f)
     
     with open('data.json', 'r') as f:
         loaded_data = json.load(f)
         print(loaded_data)
     

3. configparser模块

   • 功能：读取和写入 INI 格式的配置文件，可视为一种特定的文本处理。
   • 应用场景：存储程序的配置信息、参数设置。
   • 使用方法：
     • 读取配置文件：
       • 创建ConfigParser对象：config = configparser.ConfigParser()。
       • 读取文件：config.read('config.ini')。
       • 获取特定节的配置项：value = config.get('section_name', 'option_name')。
     • 写入配置文件：
       • 添加节：config.add_section('new_section')。
       • 设置配置项：config.set('new_section', 'option', 'value')。
       • 写入文件：with open('config.ini', 'w') as configfile: config.write(configfile)。
   • 程序示例：

     import configparser
     
     # 读取配置文件
     config = configparser.ConfigParser()
     config.read('config.ini')
     print(config.get('section1', 'option1'))
     
     # 写入配置文件
     config.add_section('section2')
     config.set('section2', 'option2', 'new_value')
     with open('config.ini', 'w') as configfile:
         config.write(configfile)
     

五、数据处理与分析类

1. pandas模块

   • 功能：强大的数据处理和分析库。
   • 应用场景：数据清洗、数据分析、数据可视化。
   • 使用方法：
     • pandas.DataFrame：用于创建和操作二维表格数据。
     • pandas.read_csv()：读取 CSV 文件。
     • DataFrame.head()、DataFrame.tail()：查看数据的前几行或后几行。
     • DataFrame.describe()：获取数据的统计描述。
   • 程序示例：

     import pandas as pd
     
     data = {'Name': ['Alice', 'Bob', 'Charlie'],
             'Age': [25, 30, 35],
             'City': ['London', 'Paris', 'New York']}
     df = pd.DataFrame(data)
     print(df)
     
     csv_data = pd.read_csv('example.csv')
     print(csv_data.head())
     

2. numpy模块

   • 功能：用于科学计算，提供高性能的多维数组和矩阵运算。
   • 应用场景：数值计算、机器学习、数据科学。
   • 使用方法：
     • numpy.array()：创建数组。
     • 各种数学运算如加法、乘法、矩阵运算等。
     • numpy.mean()、numpy.std()等统计函数。
   • 程序示例：

     import numpy as np
     
     arr = np.array([1, 2, 3, 4, 5])
     print(arr)
     
     arr2 = np.array([[1, 2], [3, 4]])
     matrix_product = np.dot(arr2, arr2.T)
     print(matrix_product)
     

六、数据可视化类

1. matplotlib模块
   • 功能：绘制数据可视化图表。
   • 应用场景：数据分析可视化、报告生成。
   • 使用方法：
     • matplotlib.pyplot.plot()：绘制线条图。
     • matplotlib.pyplot.scatter()：绘制散点图。
     • matplotlib.pyplot.bar()：绘制柱状图。
     • 设置标题、标签、坐标轴等。
   • 程序示例：

     import matplotlib.pyplot as plt
     
     x = [1, 2, 3, 4, 5]
     y = [2, 4, 6, 8, 10]
     plt.plot(x, y)
     plt.title('Line Plot')
     plt.xlabel('X-axis')
     plt.ylabel('Y-axis')
     plt.show()
     

七、通信类

1. pyserial模块（操作串口）

   • 功能：实现与串口设备的通信。
   • 应用场景：与硬件设备如传感器、微控制器等通过串口进行数据交互。
   • 使用方法：
     • 创建串口对象：ser = serial.Serial(port='COM1', baudrate=9600, timeout=1)。
     • 读写操作：ser.write(b'Hello')写入数据，data = ser.readline()读取数据。
     • 关闭串口：ser.close()。
   • 程序示例：

     import serial
     
     ser = serial.Serial(port='COM1', baudrate=9600, timeout=1)
     ser.write(b'Hello Serial!')
     data = ser.readline()
     print(data.decode())
     ser.close()
     

2. socket模块（操作网口）

   • 功能：提供对网络通信的底层接口。
   • 应用场景：网络编程、服务器与客户端通信、网络数据传输。
   • 使用方法：
     • 服务器端：
       • 创建套接字：server_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)。
       • 绑定地址和端口：server_socket.bind(('127.0.0.1', 8888))。
       • 监听连接：server_socket.listen(5)。
       • 接受连接并通信：client_socket, client_address = server_socket.accept()。
     • 客户端：
       • 创建套接字：client_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)。
       • 连接服务器：client_socket.connect(('127.0.0.1', 8888))。
   • 程序示例：

     # 服务器端
     import socket
     
     server_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
     server_socket.bind(('127.0.0.1', 8888))
     server_socket.listen(5)
     
     client_socket, client_address = server_socket.accept()
     data = client_socket.recv(1024)
     print(data.decode())
     client_socket.send(b'Hello from server!')
     client_socket.close()
     server_socket.close()
     
     # 客户端
     import socket
     
     client_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
     client_socket.connect(('127.0.0.1', 8888))
     client_socket.send(b'Hello from client!')
     data = client_socket.recv(1024)
     print(data.decode())
     client_socket.close()
     

八、数据加密校验类

1. hashlib模块（MD5 示例）

   • 功能：提供多种安全哈希算法，可用于生成数据的哈希值进行校验。
   • 应用场景：文件完整性验证、密码存储等。
   • 使用方法：
     • 导入模块，选择 MD5 算法创建哈希对象：import hashlib，m = hashlib.md5()。
     • 更新数据：m.update(b'Hello')。
     • 获取哈希值：hash_value = m.hexdigest()。
   • 程序示例：

     import hashlib
     
     data = b'This is some data to be hashed.'
     m = hashlib.md5()
     m.update(data)
     hash_result = m.hexdigest()
     print(hash_result)
     

2. zlib模块（CRC32 示例）

   • 功能：虽然主要用于数据压缩，但也可以获取 CRC32 校验值。
   • 应用场景：数据校验，特别是在需要快速校验但对安全性要求不高的场景。
   • 使用方法：
     • 导入模块：import zlib。
     • 计算 CRC32 值：crc_value = zlib.crc32(b'Hello')。
   • 程序示例：

     import zlib
     
     data = b'This is some data for CRC32 check.'
     crc_value = zlib.crc32(data)
     print(hex(crc_value))