Python进阶之import导入机制原理详解

前言

在Python中，一个.py文件代表一个Module。在Module中可以是任何的符合Python文件格式的Python脚本。了解Module导入机制大有用处。

1. Module组成

一个.py文件就是一个module。Module中包括attribute, function等。 这里说的attribute其实是module的global variable。

我们创建1个test1.py文件，代码如下

# 定义1个全局变量a
a = 1
# 声明一个全局变量moduleName
global moduleName


# 定义一个函数printModuleName
def printModuleName():
    print(a + 2)
    print(__name__)
    print(moduleName)

print(dir())

这里我们定义了3个全局变量a、moduleName、printModuleName，除了我们自己定义的以外还有module内置的全局变量

1.1 Module 内置全局变量

上面我们说到了，每一个模块都有内置的全局变量，我们可以使用dir()函数，用于查看模块内容，例如上面的例子中，使用dir()查看结果如下：

['__annotations__', '__builtins__', '__cached__', '__doc__', '__file__', '__loader__', '__name__', '__package__', '__spec__', 'a', 'moduleName', 'printModuleName']

其中a, moduleName, printModuleName 是由用户自定义的。其他的全是内置的。下面介绍几个常用的内置全局变量

1.1.1 __name__

指的是当前模块的名称，比如上面的test1.py，模块的名称默认就是test1，如果一个module是程序的入口，那么__name__=__'main'__，这也是我们经常看到用到的

1.1.2 __builtins__

它就是内置模块builtins的引用。可以通过如下代码测试：

import builtins
print(builtins == __builtins__)

打印结果为True，在Python代码里，不需要我们导入就能直接使用的函数、类等，都是在这个内置模块里的。例如：range、dir 

1.1.3 __doc__

它就是module的文档说明，具体是文件头之后、代码（包含import）之前的第一个多行注释，测试如下

"""
模块导入机制测试
"""


import builtins


# 定义1个全局变量a
a = 1
# 声明一个全局变量moduleName
global moduleName


# 定义一个函数printModuleName
def printModuleName():
    print(a + 2)
    print(__name__)
    print(moduleName)


print(__doc__)

最后打印结果为

模块导入机制测试

当然如果你想查看某个方法的说明，也可以这么使用

1.1.4 __file__

当前module所在的文件的绝对路径

1.1.5 __package__

当前module所在的包名。如果没有，为None。

2. 包package

为避免模块名冲突，Python引入了按目录组织模块的方法，称之为包（package）。包是含有Python模块的文件夹。

当一个文件夹下有init.py时，意为该文件夹是一个包（package），其下的多个模块（module）构成一个整体，而这些模块（module）都可通过同一个包（package）导入其他代码中。

其中init.py文件用于组织包（package），方便管理各个模块之间的引用、控制着包的导入行为。

该文件可以什么内容都不写，即为空文件，存在即可，相当于一个标记。

但若想使用from pacakge_1 import *这种形式的写法，需在init.py中加上：__all__ = ['file_a', 'file_b']，并且package_1下有file_a.py和file_b.py，在导入时init.py文件将被执行。

但不建议在init.py中写模块，以保证该文件简单。不过可在init.py导入我们需要的模块，以便避免一个个导入、方便使用。

其中，__all__是一个重要的变量，用来指定此包（package）被import *时，哪些模块（module）会被import进【当前作用域中】。不在__all__列表中的模块不会被其他程序引用。可以重写__all__，如__all__= ['当前所属包模块1名字', '模块1名字']，如果写了这个，则会按列表中的模块名进行导入

在模糊导入时，形如from package import *，*是由__all__定义的。

当我们在导入一个包（package）时（会先加载__init__.py定义的引入模块，然后再运行其他代码），实际上是导入的它的__init__.py文件（导入时，该文件自动运行，助我们一下导入该包中的多个模块）。我们可以在 init.py中再导入其他的包（package）或模块或自定义类。

2.1 实战案例

首先我们创建3个包，分别是test、test2、test3test包下创建test1.py用来执行测试

test2包下创建file_a.py、file_b.py，用来测试包的导入

test3包下创建file_c.py，辅助测试

具体结构如下：

核心代码在test2/__init__.py中如下

__all__ = ['file_a', 'file_b', 'file_c', 'test_d']


from test3 import file_c


def test_d():
    return "test_d"

解释下，当我们在test/test1.py中写了from test2 import *这句代码，程序不是直接导入test2下的所有模块，而是导入__init__.py文件并自动运行，由于我们写了__all__ = ['file_a', 'file_b', 'file_c', 'test_d']，file_a和file_b是当下包中的模块，file_c是我们从test3包中导入的，test_d是__init__.py下我们定义的函数。

所以from test2 import *就是把__all__中指定的模块和函数导入进来了，接着我们查看test1.py下的代码

from test2 import *
print(file_a.a())
print(file_b.b())
print(file_c.c())
print(test_d())

如果打印有结果，则证明了导入成功，并且导入的是__all__下的模块和函数

3.sys.modules、命名空间

3.1 sys.modules

sys.modules是一个将模块名称映射到已加载的模块的字典。可用来强制重新加载modules。Python一启动，它将被加载在内存中。

当我们导入新modules，sys.modules将自动记录下该module；当第二次再导入该module时，Python将直接到字典中查找，加快运行速度。

它是1个字典，故拥有字典的一切方法，如sys.modules.keys()、sys.modules.values()、sys.modules['os']。但请不要轻易替换字典、或从字典中删除某元素，将可能导致Python运行失败。

3.2 命名空间

命名空间就像一个dict，key是变量名字，value是变量的值。

• 每个函数function都有自己的命名空间，称local namespace，记录函数的变量。
• 每个模块module都有自己的命名空间，称global namespace，记录模块的变量，包括functions、classes、导入的modules、module级别的变量和常量。
• build-in命名空间，它包含build-in function和exceptions，可被任意模块访问。

假设你要访问某段Python代码中的变量x时，Python会在所有的命名空间中查找该变量，顺序是：

• local namespace 即当前函数或类方法。若找到，则停止搜索；
• global namespace 即当前模块。若找到，则停止搜索；
• build-in namespace Python会假设变量x是build-in的内置函数或变量。若变量x不是build-in的内置函数或变量，Python将报错NameError。
• 对于闭包，若在local namespace找不到该变量，则下一个查找目标是父函数的local namespace。

我们可以看一个小例子

# test_namespace.py
def func(a=1):
    b = 2
    print(locals())  # 打印当前函数的局部命名空间
    '''
    locs = locals()  # 只读，不可写，会报错
    locs['c'] = 3
    print(c)
    '''
    return a + b


func()
glos = globals()
glos['d'] = 4
print(d)
print(globals())

执行func()会打印函数func的局部命名空间，结果如下：

{'a': 1, 'b': 2}

执行print(globals())会打印模块test_namespace的全局命名空间，结果如下：

{'__name__': '__main__', '__doc__': None, '__package__': None, '__loader__': <_frozen_importlib_external.SourceFileLoader object at 0x7fde2605c730>, '__spec__': None, '__annotations__': {}, '__builtins__': <module 'builtins' (built-in)>, '__file__': '/Users/jkc/PycharmProjects/pythonProject1/test_namespace.py', '__cached__': None, 'func': <function func at 0x7fde246b9310>, 'glos': {...}, 'd': 4}

内置函数locals()、globals()都会返回一个字典。区别：前者只读、后者可写。

命名空间在from module_name import、import module_name中的体现：from关键词是导入模块或包中的某个部分。

from module_A import X：会将该模块的函数/变量导入到当前模块的命名空间中，无须用module_A.X访问了。

import module_A：modules_A本身被导入，但保存它原有的命名空间，故得用module_A.X方式访问其函数或变量。

接下来我们测试一下：

可以看到我们导入了函数a和模块file_c，接着我们打印了全局变量，结果如下：

{'__name__': '__main__', '__doc__': None, '__package__': None, '__loader__': <_frozen_importlib_external.SourceFileLoader object at 0x7fab9585c730>, '__spec__': None, '__annotations__': {}, '__builtins__': <module 'builtins' (built-in)>, '__file__': '/Users/jkc/PycharmProjects/pythonProject1/test3/test_namespace.py', '__cached__': None, 'a': <function a at 0x7fab95b04040>, 'file_c': <module 'file_c' from '/Users/jkc/PycharmProjects/pythonProject1/test3/file_c.py'>}

可以很清楚的看到全局变量中有函数a和模块file_c，接着我们尝试能否调用者2个

from test2.file_a import a
import file_c


print(globals())


file_c.c()
a()

最后也是可以成功调用

4. 导入

准备工作如下：

4.1 绝对导入

所有的模块import都从“根节点”开始。根节点的位置由sys.path中的路径决定，项目的根目录一般自动在sys.path中。如果希望程序能处处执行，需手动修改sys.path。

例1：c.py中导入B包/B1子包/b1.py模块

import os
import sys


BASE_DIR = os.path.dirname(os.path.abspath(__file__))
sys.path.append(BASE_DIR)

# 导入B包中的子包B1中的模块b1
from B.B1 import b1

例2：b1.py中导入b2.py模块

# 从B包中的子包B1中导入模块b2
from B.B1 import b2

4.2 相对导入

只关心相对自己当前目录的模块位置就好。不能在包（package）的内部直接执行（会报错）。不管根节点在哪儿，包内的模块相对位置都是正确的。

b1.py代码如下：

# from . import b2  # 这种导入方式会报错
import b2  # 正确
b2.print_b2()

b2.py代码如下：

def print_b2():
    print('b2')

最后运行b1.py，打印b2。

4.3 单独导入包

单独import某个包名称时，不会导入该包中所包含的所有子模块。

c.py导入同级目录B包的子包B1包的b2模块，执行b2模块的print_b2()方法：

c.py代码

import B
B.B1.b2.print_b2()

运行c.py会以下错误

AttributeError: module 'B' has no attribute 'B1'

因为import B并不会自动将B下的子模块导入进去，需要手动添加，解决办法如下

在B/init.py代码下添加如下代码

from . import B1

在B/B1/init.py代码下添加如下代码

from . import b2

此时，执行c.py，成功打印b2。

5. import运行机制

我们要理解Python在执行import语句时，进行了啥操作？

step1：创建一个新的、空的module对象（它可能包含多个module）；

step2：将该module对象 插入sys.modules中；

step3：装载module的代码（如果需要，需先编译）；

step4：执行新的module中对应的代码。

在执行step3时，首先需找到module程序所在的位置，如导入的module名字为mod_1，则解释器得找到mod_1.py文件，搜索顺序是：

当前路径（或当前目录指定sys.path）->PYTHONPATH->Python安装设置相关的默认路径。

对于不在sys.path中，一定要避免用import导入自定义包（package）的子模块（module），而要用from…import…的绝对导入或相对导入，且包（package）的相对导入只能用from形式。

5.1 标准import，顶部导入

5.2 嵌套import

5.2.1 顺序导入-import

• moduleB定义了变量b=2
• moduleA导入模块moduleB，当然moduleB还可以导入其他模块
• test模块导入moduleA

最后执行test.py，将打印3

5.2.2 循环导入/嵌套导入

moduleA.py

from moduleB import ClassB


class ClassA:
    pass

moduleB.py

from moduleA import ClassA


class ClassB:
    pass

当执行moduleA.py时会报错

ImportError: cannot import name 'ClassA' from partially initialized module 'moduleA'

报错分析：

1.在运行moduleA时，首选会执行from moduleB import ClassB代码

2.程序会判断sys.modules中是否有

3.有代表字在第一次执行时，创建的对象已经缓存在sys.modules，直接得到，不过依然是空对象，因为__dict__找不到ClassB，会报错

4.没有会为moduleB.py创建1个module对象，此时创建的module对象为空

• 4.1 然后执行moduleB.py的第一条语句from moduleA import ClassAPS：这么做的原因是python内部创建了module对象后立马执行moduleB.py，目的是填充<module moduleB>的__dict__，当然最终未能成功填充
• 4.2 接着判断sys.modules中是否有
• 4.3 没有会为moduleA.py创建1个module对象

PS：此时创建的module对象同样为空，则需要执行moduleA.py语句from moduleB import ClassB

5.最后回到操作2的过程，这次判断有module对象，会进行操作3，最后就会报错cannot import name 'ClassA'

解决办法：组织代码（重构代码）：更改代码布局，可合并或分离竞争资源。

到此这篇关于Python进阶之import导入机制原理详解的文章就介绍到这了,更多相关Python import导入机制内容请搜索脚本之家以前的文章或继续浏览下面的相关文章希望大家以后多多支持脚本之家！