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第五节 空间命名作用域、sys模块、argparse模块、正则表达式

news 来源：原创 2025/5/24 17:17:21

本节介绍了命名空间与作用域的概念、sys模块的使用、argparse模块解析命令行参数的方法，以及正则表达式的基础知识和应用场景。涵盖Python编程中的变量管理、系统交互、参数处理及文本匹配技巧。

空间命名&作用域

命名空间和作用域是非常重要的概念，它们帮助我们管理变量、函数、类等标识符的可见性和生命周期。

命名空间的作用

1. 避免命名冲突

  • 命名空间是一种将标识符（如变量、函数、类等）组织起来的方式，目的是避免不同部分的代码使用相同名称而导致冲突。
  • 在大型项目或多个模块协作时，可能会有多个开发者定义相同的变量名或函数名。通过命名空间，可以确保这些名称不会互相干扰。

moduleA.py:

def foo():
    print("Module A's foo")

moduleB.py:

def foo():
    print("Module B's foo")

将这两个文件放在与你的主脚本相同的目录下，然后运行以下代码：

import moduleA
import moduleB

moduleA.foo()  # 输出: Module A's foo
moduleB.foo()  # 输出: Module B's foo

2. 组织代码结构

  • 命名空间可以帮助我们将相关的代码组织在一起，使代码更具可读性和可维护性。
  • 例如，Python 的模块和包系统本质上就是一种命名空间机制。

作用域的作用

1. 控制变量的可见性

  • 作用域决定了变量或其他标识符在程序中的可见范围。
  • 如果一个变量在某个作用域中不可见，则无法访问它，这有助于减少意外修改或误用变量的可能性。
示例：
x = 10  # 全局作用域

def my_function():
    y = 5  # 局部作用域
    print(x)  # 可以访问全局变量 x
    print(y)  # 可以访问局部变量 y

my_function()
print(x)  # 全局变量仍然可见
# print(y)  # 报错：y 是局部变量，无法在函数外部访问

2. 保护数据

  • 局部作用域可以保护变量不被外部代码随意修改，从而提高代码的安全性。
  • 例如，函数内部的变量只在函数执行期间有效，函数执行完毕后，这些变量会被销毁。
示例：
def calculate():
    total = 0  # 局部变量
    for i in range(5):
        total += i
    return total

result = calculate()
print(result)  # 输出: 10
# print(total)  # 报错：total 是局部变量，函数外部不可见

3. 支持嵌套作用域

  • Python 支持嵌套作用域（如函数内部定义函数），使得内层作用域可以访问外层作用域的变量，但外层作用域不能访问内层作用域的变量。
示例：
def outer():
    x = 10  # 外层作用域
    def inner():
        y = 5  # 内层作用域
        print(x + y)  # 可以访问外层作用域的 x
    inner()

outer()
# print(x)  # 报错：x 是外层作用域的变量，外部不可见
# print(y)  # 报错：y 是内层作用域的变量，外部不可见

Python 中的作用域规则（LEGB 规则）

Python 中的变量查找遵循 LEGB 规则，即按照以下顺序查找变量：

  1. L (Local): 当前函数或方法的局部作用域。
  2. E (Enclosing): 包含当前作用域的外层（嵌套）作用域。
  3. G (Global): 当前模块的全局作用域。
  4. B (Built-in): Python 内置作用域（如 len, print 等内置函数）。
示例：
x = "global"  # 全局作用域

def outer():
    x = "enclosing"  # 外层作用域
    def inner():
        x = "local"  # 局部作用域
        print(x)  # 输出: local
    inner()
    print(x)  # 输出: enclosing

outer()
print(x)  # 输出: global

命名空间和作用域的实际用途

1. 模块化编程

  • 每个模块有自己的命名空间，避免了不同模块之间的名称冲突。
  • 例如，math 模块中的 sqrt 函数不会与用户自定义的 sqrt 函数冲突。
import math

def sqrt(x):
    return x ** 0.5

print(math.sqrt(16))  # 输出: 4.0（使用 math 模块的 sqrt）
print(sqrt(16))       # 输出: 4.0（使用自定义的 sqrt）

2. 动态作用域修改

  • 使用 global 和 nonlocal 关键字可以显式地修改全局或外层作用域的变量。
示例：
x = 10  # 全局变量

def modify_global():
    global x
    x = 20  # 修改全局变量 x

modify_global()
print(x)  # 输出: 20
def outer():
    x = 10
    def inner():
        nonlocal x
        x = 20  # 修改外层作用域的 x
    inner()
    print(x)  # 输出: 20

outer()

3. 闭包（Closure）

  • 利用嵌套作用域，可以在函数中创建闭包，捕获并保存外部作用域的变量。
示例：
def outer():
    x = 10
    def inner():
        print(x)  # 访问外层作用域的 x
    return inner

closure = outer()
closure()  # 输出: 10

总结

概念

作用

命名空间

避免名称冲突，组织代码结构，提供逻辑分组。

作用域

控制变量的可见性和生命周期，保护数据，支持嵌套作用域和动态作用域修改。

sys模块

之前我们说过os模块，os 模块主要负责与操作系统进行交互。

sys 模块是 Python 的一个内置模块，提供了与 Python 解释器及其环境交互的功能。通过 sys 模块，你可以访问一些变量和函数，这些变量和函数用于控制解释器的行为、获取解释器的状态信息或与系统的某些方面进行交互。

sys模块常用的作用

1. 命令行参数

  • sys.argv：这是一个列表，包含了传递给脚本的所有命令行参数。第一个元素（sys.argv[0]）通常是脚本的名字。
import sys
print(sys.argv)

注意他返回的是命令行的参数不是脚本里的，也就是说当你在命令行中输入

python test.py 123 abc

你会的得到的输出是

['test.py', '123', 'abc']
123

2. 系统路径管理

  • sys.path：这是一个包含字符串的列表，指定了模块搜索路径。Python 在导入模块时会按顺序检查这个列表中的每个目录。
  • sys.path.append(path)：可以用来添加新的路径到模块搜索路径中。
import sys
sys.path.append('/my/custom/path')
print(sys.path)

我觉得这个应该是我们最常见的作用了，比如我们通常看代码都会发现这个命令，作用是导入其他模块的路径实现调用

其他下面的一些作用大家可以做了解

3. 退出程序

  • sys.exit([arg])：用来正常退出 Python 程序。你可以传递一个整数作为退出状态码（默认为 0），也可以传递其他类型的对象。
import sys
sys.exit(0)  # 正常退出

4. 版本信息

  • sys.version：返回一个字符串，表示当前 Python 解释器的版本及其它信息。
  • sys.version_info：返回一个命名元组，包含更详细的版本信息（主版本号、次版本号等）。
import sys
print(sys.version)  # 版本字符串
print(sys.version_info)  # 版本信息

5. 平台相关的信息

  • sys.platform：返回一个标识当前平台的字符串（如 'win32', 'linux' 等）。
  • sys.maxsize：返回一个整数，表示在 C 语言中 long 类型的最大值，通常用于判断系统是 32 位还是 64 位。
import sys
print(sys.platform)
print(sys.maxsize)

6. 解释器相关的限制

  • sys.getrecursionlimit() 和 sys.setrecursionlimit(limit)：获取或设置 Python 解释器的递归深度限制。
  • sys.getsizeof(object)：返回对象的大小（以字节为单位）。
import sys
print(sys.getrecursionlimit())  # 获取递归限制
print(sys.getsizeof(123))  # 获取整数对象的大小

sys 模块非常实用，尤其是在你需要编写跨平台脚本或者需要对 Python 解释器的行为进行细粒度控制的时候。它提供的功能覆盖了从简单的命令行参数处理到复杂的解释器配置等多个方面。

argparse模块

argparse 模块是 Python 标准库中的一个用于解析命令行参数和选项的模块。它是对 sys.argv 的一种高级封装，使得处理命令行参数更加方便和直观。通过 argparse，你可以定义程序所需要的参数，并自动生成帮助和使用信息。

主要特性

  1. 易于使用：只需几行代码就可以定义参数。
  2. 自动帮助消息生成：根据你定义的参数自动生成帮助文档。
  3. 支持位置参数和可选参数：可以指定哪些参数是必需的（位置参数），哪些是可选的（带有前缀如 - 或 --）。Python 使用 - 来指定短参数，使用 -- 来指定长参数 ，--help 和其简写 -h
  4. 类型检查和默认值：可以为参数指定数据类型以及默认值。
  5. 子命令支持：对于需要执行多个不同命令的应用程序非常有用。

这是一个简单的例子，展示如何使用argparse模块来编写一个可以接收两个整数作为输入，并输出它们之和的Python脚本：

import argparse

def main():
    # 创建ArgumentParser对象
    parser = argparse.ArgumentParser(description="简单的加法计算器")

    # 添加位置参数
    parser.add_argument('int1', type=int, help='第一个整数')
    parser.add_argument('int2', type=int, help='第二个整数')

    # 解析参数
    args = parser.parse_args()

    # 计算两数之和
    result = args.int1 + args.int2

    # 打印结果
    print(f"{args.int1} + {args.int2} = {result}")

if __name__ == "__main__":
    main()

当你保存上述代码到一个名为add.py的文件中后，可以通过命令行运行它，并传递两个整数参数。例如：

python add.py 5 3

这段代码将会输出：

5 + 3 = 8

这个例子展示了如何定义位置参数（即必需提供的参数），以及如何处理这些参数来进行简单的数学运算。通过这种方式，你可以非常容易地扩展你的脚本来支持更多复杂的命令行接口。

正则表达式

正则表达式（Regular Expression，简称 regex 或 regexp）是一种用于匹配字符串的模式描述语言。它提供了一种强大的方式来搜索、匹配、替换或验证文本中的特定模式。正则表达式广泛应用于编程语言、文本编辑器、命令行工具等场景中。

简单来说，正则表达式是一种用特殊语法编写的“模板”，用来描述你想要匹配的字符串的规则。例如，你可以用正则表达式来查找所有以字母“a”开头的单词，或者验证用户输入的电子邮件地址是否符合标准格式。

正则表达式的基本组成

正则表达式由普通字符（如字母、数字）和特殊字符（称为元字符）组成。以下是一些常见的组成部分：

1. 普通字符
  • 普通字符会直接匹配自己。例如：
    • abc 匹配字符串 "abc"。
    • hello 匹配字符串 "hello"。
2. 元字符

元字符是具有特殊含义的字符，用于定义更复杂的匹配规则。常用的元字符包括：

  • .：匹配任意单个字符（换行符除外）。
  • ^：匹配字符串的开头。
  • $：匹配字符串的结尾。
  • *：匹配前面的子表达式零次或多次。
  • +：匹配前面的子表达式一次或多次。
  • ?：匹配前面的子表达式零次或一次。
  • {m,n}：匹配前面的子表达式至少 m 次，至多 n 次。
  • []：匹配括号内的任意一个字符。例如 [abc] 匹配 "a"、"b" 或 "c"。
  • |：表示“或”的关系。例如 a|b 匹配 "a" 或 "b"。
  • \：转义字符，用于匹配特殊字符本身。例如 \. 匹配点号 "."
3. 字符类
  • \d：匹配任意数字（相当于 [0-9]）。
  • \w：匹配任意字母、数字或下划线（相当于 [a-zA-Z0-9_]）。
  • \s：匹配空白字符（如空格、制表符、换行符等）。
  • \D、\W、\S：分别是 \d、\w、\s 的反义，匹配非数字、非单词字符、非空白字符。
4. 分组与捕获
  • ()：将多个字符作为一个整体进行分组，并可以捕获匹配的内容。
  • (?:...)：只分组但不捕获内容。
  • \1, \2：引用前面的第一个、第二个分组匹配到的内容。

示例

以下是一些常见正则表达式的示例及其用途：

1. 匹配邮箱地址
^[a-zA-Z0-9._%+-]+@[a-zA-Z0-9.-]+\.[a-zA-Z]{2,}$

解释：

  • ^ 和 $ 表示从头到尾完整匹配。
  • [a-zA-Z0-9._%+-]+ 匹配用户名部分（允许字母、数字、点、下划线、百分号、加号和减号）。
  • @ 是固定的符号。
  • [a-zA-Z0-9.-]+ 匹配域名部分。
  • \.[a-zA-Z]{2,} 匹配顶级域名（如 .com、.org，长度至少为 2）。
2. 匹配手机号码
^1[3-9]\d{9}$

解释：

  • ^1 表示手机号必须以 "1" 开头。
  • [3-9] 表示第二位是 3 到 9 的数字。
  • \d{9} 表示后面还有 9 位数字。
  • $ 表示到此为止。
3. 匹配日期格式（YYYY-MM-DD）
^\d{4}-\d{2}-\d{2}$

解释：

  • \d{4} 匹配四位年份。
  • - 是固定的分隔符。
  • \d{2} 匹配两位月份和日期。

正则表达式的用途

  1. 搜索和提取信息：
    • 从一段文本中找到符合特定模式的内容，比如提取所有电话号码或邮箱地址。
  1. 验证输入：
    • 验证用户输入的内容是否符合要求，比如检查密码强度、验证邮箱格式等。
  1. 替换文本：
    • 使用正则表达式批量替换文本中的某些内容。例如，将所有大写字母替换为小写。
  1. 分割字符串：
    • 根据特定模式将字符串分割成多个部分。

在 Python 中使用正则表达式

Python 提供了内置的 re 模块来处理正则表达式。以下是一个简单的例子：

import re

# 定义正则表达式
pattern = r'\d{4}-\d{2}-\d{2}'  # 匹配 YYYY-MM-DD 格式的日期

# 测试字符串
text = "今天的日期是 2023-10-05，明天是 2023-10-06。"

# 使用 re.findall 查找所有匹配项
matches = re.findall(pattern, text)

print(matches)  # 输出: ['2023-10-05', '2023-10-06']

总结

正则表达式是一种非常强大且灵活的工具，能够帮助我们高效地处理文本数据。然而，由于其复杂性，编写和理解正则表达式可能需要一定的学习成本。通过不断实践和积累经验，你会逐渐掌握它的用法，并在实际开发中得心应手！

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