第五讲：函数与类库

函数

定义

函数就是代码块，只不过我们给这个代码块特地进行命名，固定住它以后就
用来干某个具体的工作。

当我们需要用程序多次执行同一项任务时，就会需要反复编写完成该任务的代码，这将会使我们的代码变得冗长繁杂，所以函数诞生了。我们只需要把这个需要反复编写的代码块定义为某个函数并命名，使用的时候只需要调用它的名字，即可反复执行任务。所以函数的优点是能够通过代码复用是的程序本身的编写、阅读、测试、修复和改进更加简易。

函数定义格式：

def text(id):a = id + "真厉害！"return print(a)text("xqs")
text("123")
text("1234")

函数名为 text，参数为 id，函数作用为输出简单的称呼，函数体为 S = id + “真厉害！” ，返回值为 print(a) 。函数调用为text(“xqs”) text(“123”)。

实参与形参

函数text(id)要求给id指定一个值。当我们调用这个函数并给定值的时候，它就会输出感恩话语。
其实，在函数text(id)的定义中，变量id是一个形参——形式上的参数，即函数执行任务所需的一项信息。在函数调用text(“xqs”)的时候，我们向形参传递了一个实参——实际参数，即函数执行任务所拥有的一项信息——”xqs“，此时实参”xqs“被储存在形参id中。同理，函数调用text(“123”)时，实参"123"被储存在形参id中；函数调用text(“1234”)时，实参"1234"被储存在形参id中。

实参

由于函数定义中可能会含有多个形参，因此函数调用中也需要输入多个实参。向形参传递实参的方式主要有两种：位置实参和关键字实参。

1. 位置参数
   在调用参数函数时，必须将每个形参都赋值为每个实参。最简单的关联方式是基于形参的位置顺序传递实参，这种关联方是成为位置参数。

def thank_you(something, name):R = "You help me with " + something + "." + nameS = "Thank you," + namereturn print(R,S)thank_you("Chinese","xqs")
thank_you("123","456")

这个函数定义为thank_you(something, name)，形参顺序是something，name，正确的顺序是先"Chinese"后"xqs"。正确的实参传递是，第一个是You help me with Chinese . xqs；第二个是You help me with xqs . Chinese；

2. 关键字参数
   由于形参顺序太难处理，我们就可以使用关键字参数方法。关键字参数方法是传递给函数一对——“形参名称-实参”，直接将形参和实参关联起来，因此不会出现顺序混淆导致的错误结果，并且能够指出函数调用各个值的意义。

def thank_you(something, name):R = "You help me with " + something + "." + nameS = "Thank you," + namereturn print(R,S)thank_you(something="Chinese",name="xqs")
thank_you(name="xqs",something="Chinese")

当我们指定了将 something 赋值为”Chinese”，将 name 赋值为”xqs”之后，不论顺序如何，都能够正确地输出结果。

变量的作用域

根据程序中变量所在的位置和作用域，分为局部变量和全局变量。

1. 局部变量
   局部变量是指在函数内部定义的变量，仅在函数内部有效。

def thank_you(something, name):R = "You help me with " + something + "." + nameS = "Thank you," + namereturn print(R,S)thank_you(something="Chinese",name="xqs")
thank_you(name="xqs",something="Chinese")
print(R)

我们在函数外部使用函数内部变量 R 的时候，会提示 R 没有定义，即不存在。

2. 全局变量
   全局变量是指在函数外部定义的变量，在整个程序中有效。若要在函数内部使用全局变量，则分为两种情况：一是单纯引用，则不需要任何操作；二是需要在函数内部修改全局变量，则需要提前使用保留字 global 声明。
   
   

返回值

函数没有返回值，因此打印输出的结果为 None

函数加上了 return 返回了立方值，因此打印输出结果为 8。

代码复用

1. 简单的代码复用
   编写函数称为封装，执行函数称为调用，代码复用即将封装起来的函数进行调用。

def text(x):a = x**3print(a)def thank_you(something, name):R = "You help me with " + something + "." + nameS = "Thank you," + namereturn print(R,S)text(2)
thank_you(something="2的立方值",name="xqs")text(5)
thank_you(name="xqs",something="5的立方值")

先封装两个函数，然后分别进行调用。

2. 将函数储存在模块
   将函数储存在模块中，再将模块导入主程序。通过将函数储存在独立文件中，可以把重点放在程序的更高层逻辑上。还能帮助我们在其他程序编写中使用此函数，还可以将此函数分享给其他程序员，同样地还可以使用其他程序员编写的函数库。

首先创建模块,模块是扩展名为.py 的文件，其中为封装好的函数。xqs.py 即为模块我们创建的摸块。
（1） 导入整个模块
当我们导入整个模块之后，那么模块包含的函数就可以使用了。

在同一个文件夹下创建了一个求立方和表示感谢的 py 文件，在这个文件中导入刚才创建的模块，再进行函数调用，可以发现这些代码运行正确。这种导入整个模块再进行函数调用的方法总结为：


（2） 导入指定函数
如果整个模块有许多函数，而我们只需要其中的一、两个函数，那么我们可以指定函数名进行特定导入。这种导入指定函数的方法总结为：

（3） 使用 as 给模块指定别名
我们的模块名为“xqs”，稍显冗长。我们可以给他指定一个缩写名，方便使用，可以得到一样的运行结果。这种以别名导入模块的方法总结为：

（4） 使用 as 给函数指定别名
我们的函数名为“thank_you”，稍显冗长。我们可以给他指定一个缩写名，方便使用。

（5） 导入模块中的所有函数
使用（*）符号可以导入模块中的所有函数，如果模块不是自己写的，由于函数名很可能会重复，所以出现一些意想不到的结果。导入模块中的所有函数的方法总结为：

综上，代码复用最为推荐以上的第（3）种方式——使用 as 给模块指定别名，这样会减少出错概率，并且使代码更为清晰、更加容易阅读和理解。

类

类就是对象的抽象式汇总，基于类创建对象的时候，每个对象都具有类的通用属性，在获得通用属性的基础上，可根据需要赋予对象以个性。

创建和使用类

1. 创建类

现在创建一个表示猫咪的简单类 Cat（习惯上类的命名一般都是开头字母大写）。想象一下猫咪，能联想到的共性是两条信息（名字、胖瘦）和两种动作（舔毛、踩奶），所以我们创建的 Cat 类将包含他们。

Cat类的语法结构：

具体解释：

第 1 行，类的命名应为首字母大写，括号内是空的；
第 2 行，我们对这个类的功能进行了说明；
第 4 行，我们开始在类中编写函数，实际上除了上文中的模块，类是函数的另一种汇总方式，在类中的函数我们称为方法。
显然在这个类中有三种方法，首先是第 4 行的__ini__()方法，然后是第 9 行的舔毛()方法，再是第 13 行的踩奶()方法。其中__ini__()方法是类中特有的默认的方法，每当我们根据 Cat 类创建新实例时，Python 都会自动运行它。注意它的开头末尾各有两个下划线，这是默认约定，能够避免与我们定义的普通函数发生命名冲突。
单独对__ini__()方法进行剖析，在此方法中包含了三个形参：self、name 和身材。首先，形参 self 不可缺失且必须位于参数最前。具体原因不必深究，这么做的目的是可以理解为方便自己引用自己。再之，对于形参 self，我们不需要传递实参。最后，对于后面两个形参，每次创建 Cat 类实例时，都需要给他俩提供实参。
对于另外两个方法：舔毛()和踩奶()。由于这些方法是单独定义的，因此不需要额外的信息，因此只需要一个形参 self。在这里，舔毛()和踩奶()只是打印一条信息说明猫咪是在作出行为，但是随着学习我们可以编写一个动画真正实现。

class Cat():def __init__(self, name, 身材):self.name = nameself.身材 = 身材def 舔毛(self):print(self.name + "正在舔毛")def 踩奶(self):print(self.name + "正在踩奶")

2. 实例化

接下来将 Cat 类实例化，即创建一个表示特定猫咪的实例，它的名字叫咪咪，身材属性是胖。

class Cat():def __init__(self, name, 身材):self.name = nameself.身材 = 身材def 舔毛(self):print(self.name + "正在舔毛")def 踩奶(self):print(self.name + "正在踩奶")my_cat = Cat("咪咪","胖")

（1）访问属性

self.name 和 self.身材是 Cat 类中的属性，舔毛()和踩奶()是 Cat类中的方法。访问属性时采用句点表示法：

class Cat():def __init__(self, name, 身材):self.name = nameself.身材 = 身材def 舔毛(self):print(self.name + "正在舔毛")def 踩奶(self):print(self.name + "正在踩奶")my_cat = Cat("咪咪","胖")print("My cat's name is " + my_cat.name + ".")
print("我的小猫咪身材" + my_cat.身材 + "。")

（2）调用方法

调用方法时，也采用句点表示法：

class Cat():def __init__(self, name, 身材):self.name = nameself.身材 = 身材def 舔毛(self):print(self.name + "正在舔毛")def 踩奶(self):print(self.name + "正在踩奶")my_cat = Cat("咪咪","胖")my_cat.舔毛()
my_cat.踩奶()

（3）创建多个实例

我们可根据需求创建其他的实例，比如你也有一只猫，那我也可以把你的猫实例化。

class Cat():def __init__(self, name, 身材):self.name = nameself.身材 = 身材def 舔毛(self):print(self.name + "正在舔毛")def 踩奶(self):print(self.name + "正在踩奶")my_cat = Cat("咪咪","胖")
print("My cat's name is" + my_cat.name + ".")
print("我的小猫咪身材" + my_cat.身材 + "。")
my_cat.踩奶()your_cat = Cat("喵喵","瘦")
print("My cat's name is" + my_cat.name + ".")
print("我的小猫咪身材" + my_cat.身材 + "。")
your_cat.舔毛()

继承

1. 继承父类

如果要编写的类是另一个已经编号的类的特殊版本，那么就可以使用继承。类 a 继承另一个类 A 的时候，将自动获得类 A 的所有属性和方法；原有的类 A 成为父类，新类 a 成为子类。子类除了继承其父类的所有属性和方法之外，还可以定义自己的属性和方法。

例如，模拟英短猫这个品种的猫咪，我们可以在前面创建的 Cat 类基础上创建新类 EdCat，只需要为英短猫特有的属性和行为编写代码。具体来说，EdCat 子类的创建首要完成任务是获得父类 Cat 类的属性，因此需要如下结构形式：首先是 Cat 类代码。创建子类时，父类必须包含在当前文件中，且位于子类前面。接着开始定义子类 EdCat()，括号中必须包含父类名。__init__方法中接受创建 Cat 实例所需信息，super()是一个能够将父类和子类关联的特殊函数，完成继承。
为了测试继承是否成功，创建了my_edcat英短猫my_edcat并输出其身材，发现其与猫咪信息相同，具备猫咪的属性，所以继承成功。

class Cat():def __init__(self, name, 身材):self.name = nameself.身材 = 身材def 舔毛(self):print(self.name + "正在舔毛")def 踩奶(self):print(self.name + "正在踩奶")class EdCat(Cat):def __init__ (self,name,身材):super().__init__(name,身材)my_edcat = EdCat("咪咪","胖")
print(my_edcat.身材)

2. 子类定义新属性和方法

子类继承了父类属性之后，可添加一些子类特有的新属性和方法。
以英短猫为例，添加新属性以及一个相关联的方法。新属性为英短猫特点以及描述特点的方法。

class Cat():def __init__(self, name, 身材):self.name = nameself.身材 = 身材def 舔毛(self):print(self.name + "正在舔毛")def 踩奶(self):print(self.name + "正在踩奶")class EdCat(Cat):def __init__ (self,name,身材):super().__init__(name,身材)self.英短特点 = "圆脸尖耳，好奇心强，与人亲近"def 描述_英短特点(self):print("英短猫的特点是：" + self.英短特点 + "。")my_edcat = EdCat("咪咪","胖")
my_edcat.描述_英短特点()

代码注释：

第 15 行是新属性，第 17 行是与新属性相关联的新方法，第 21 行是调用新方法，运行结果说明新属性和新方法定义成功。如果有需要还可以添加其他新属性与方法，来更加清晰地定义英短猫的类，Python 并无限制。

3. 重写父类方法

某些父类方法可能不符合子类的特性，我们可以对其进行重写。只要在子类中定义一个与父类重名的方法，Python 在运行时将不会考虑父类方法，而直接选择子类定义的相应方法作为运行对象。
比如 Cat()类中有一个踩奶()的方法，对于英短来说，没有瘦的，都是胖圆健硕的，所以要重写方法。

class Cat():def __init__(self, name, 身材):self.name = nameself.身材 = 身材def 舔毛(self):print(self.name + "正在舔毛")def 踩奶(self):print(self.name + "正在踩奶")class EdCat(Cat):def __init__ (self,name,身材):super().__init__(name,身材)self.英短特点 = "圆脸尖耳，好奇心强，与人亲近"def 描述_英短特点(self):print("英短猫的特点是：" + self.英短特点 + "。")def 踩奶(self):print(self.name + "英短踩奶")my_edcat = EdCat("咪咪","胖")
my_edcat.踩奶()

导入类

为了让代码尽可能实现这个理念，python 允许将类存储在模块中，在主程序中导入所需模块简化代码。上一小节讲了函数可以存储在模块中简化代码，这一节将讲述将类存储在模块中简化代码。

1. 导入单个类
   （1） 创建包含单个类的模块

首先创建一个只包含 Cat()类的模块，代码与之前的 Cat()类完全相同，区别只是我们将其存储在 cat.py 的模块中。

（2） 导入单个类

紧接着我们导入 Cat()类并将其实例化，用 from <模块名> import <类名> 语句打开模块 cat 并导入其中的 Cat()类。
PS：如果这个 my_cat.py 文件中包含了整个 Cat 类，它的长度像之前所展示的，非常之长。但是通过将类转移到模块中，编写代码时，导入该模块，就可以使用其所有功能，主程序代码将会整洁易读。从代码编写过程中的逻辑思维来讲，底层逻辑将会被储存在模块这种独立文件中，我们就能够专注于更高层的逻辑。

import cat
my_cat = cat.Cat("咪咪","胖胖")
my_cat.踩奶()
print("\n")
my_edcat = cat.EdCat("哈哈","健硕")
my_edcat.踩奶()

2. 导入多个类
   （1） 创建包含多个类的模块

首先创建一个包含 Cat()类和 EdCat()类的模块，既可以模拟猫，也可以模拟英短猫。代码与之前的 Cat()类和 EdCat()类完全相同，区别只是我们将其存储在cat.py 的模块中。

（2） 导入多个类

我们要在同一个程序中创建猫咪和英短猫咪，因此我们同事导入 Cat()和EdCat()两个类，导入相应的类之后，就可以根据需要创建任意数量的实例，在这个示例中，我们创建了一只叫咪咪的小猫咪和一只叫哈哈的英短猫咪。

from cat import Cat, EdCatmy_cat= Cat("咪咪","胖胖")
print("My cat's name is " + my_cat.name + ".")
print("我的小猫咪身村" + my_cat.身材 + "的。")
my_cat.踩奶()print("\n")my_edcat = EdCat("哈哈","健硕")
print("我的英短的名字是" + my_edcat.name + "。")
my_edcat.踩奶()
my_edcat.描述_英短特点()

3. 导入整个模块
   （1）导入整个模块

导入整个模块之后，使用句点表示法访问需要的类。

import cat
my_cat = cat.Cat("咪咪","胖胖")
my_cat.踩奶()
print("\n")
my_edcat = cat.EdCat("哈哈","健硕")
my_edcat.踩奶()

（2）导入模块中的所有类

与之前的导入模块中的所有函数相同，使用语法为：

这种方式不推荐，因此不列举具体示例。
不推荐的原因有两点：一是不能清除地知道程序使用了哪些类，二是有可能会出现相同命名的名称。

模块与库

概念

1. 模块
   模块即一组函数或者一组类，它的作用是将函数或者类成组地保存为独立文件，方便我们更专注于程序编写的更高层逻辑。
2. 库
   库即一组模块，它的作用是将模块成组地保存为独立文件，方便我们更专注于程序编写的更更高层逻辑。

前面 4 讲所学的普通程序语句是最底层，后面的函数和类算是平级（但是类中可以包含多个方法，类中方法即函数），类稍大一级，都归于中层，再后面的模块是高层，最后是超高层——库。

标准库

库分为标准库和第三方库，标准库是 Python 内置的，无需安装；第三方库则是由国内外大神自己开发的开源使用的库，需要安装。

1. turtle 库
   turtle（海龟）是一个能够进行图形绘制的库，它的绘制概念非常直观——turtle 小海龟在笛卡尔直角坐标系中爬行，其爬行轨迹形成了图形。小海龟最初位于坐标系原点（0, 0），前进方向为 X 轴正向，小海龟有有“前进”、“旋转”、“后退”等爬行操作，如，输入以下代码，“小海龟”正在向前爬 1000个像素。

import turtle
turtle.forward(1000)

下面介绍一道 Python 二级真题，让我们来看看具体如何考察？
考生文件夹下存在一个文件 PY201.py，请写代码替换横线，不修改其他代码，实现以下功能：【10 分】
使用turtle库的turt1e.right()函数和turt1e.fd()函数绘制一个正方形，
边长为 200 像素，效果如图所示。

import turtle#方法一
d = 0
for i in range(4):turtle.fd(200)d += 90turtle.seth(d)#方法二
for i in range(1,5):turtle.fd(200)turtle.seth(90*i)#方法三
for i in range(4):turtle.fd(200)turtle.seth(90)

turtle.fd()是前进函数，turtle.seth()函数可以改变海龟的行进方向（角度按逆时针）。方法二是一个 for 循环，不做过多解释；方法三中turtle.left()函数也可以改变海龟的行进方向（角度按逆时针）。

2. random 库
   Python 提供的 random 库可用于产生各种分布的伪随机数序列。在random 库中，最基本的函数random.random()，它能够胜出一个[0.0, 1.0)之间的随机小数。
   
   下面是一道 Python 二级真题，让我们来看看具体如何考察？
   考生文件夹下存在一个文件 PY103.py，请写代码替换横线，不修改其他代码，题目要求如图 5.36，实现以下功能：【5 分】

• 以 123 为随机数种子，随机生成 10 个在 1（含）到 999（含）之间的随机数，每个随机数后跟随一个逗号进行分隔，屏幕输出这 10 个随机数
• random.seed()是产生随机数种子的函数，random.randint()函数可以在某个数字范围内产生随机数，end 参数可以在每个输出结果后面进行逗号分隔。

第三方库

从 Python 实用性角度来讲，随着我们对 Python 的理解更深、应用更广，肯定会安装各种各样的第三方库，这些库都是大神免费开发并提供给我们使用的宝贵财富。比如我们在处理 Excel 表格时，会用到 openpyxl 库、xlsxwriter 库、数据处理库 numpy 和 pandas、包括画图库 matplotlib；在开发网站时，会用到 Django库；在编写爬虫时，会用到 Scrapy 库、requests 库、re 库；在科学数据处理时，会用到 scipy 库等等。

1. 下载并安装（pip）
   如同 Python 编程之前需要安装 Python 编译器一样，使用第三方库之前首先要进行第三方库的下载与安装。在此仅提供一种最为简便、实用、好用的方法，即 pip 安装，使用方法是使用 win+R 键或者在开始菜单右键打开运行对话框，输入 cmd，打开命令提示符，然后输入一行命令：
   
   以安装 numpy 库为例
   
2. 更换服务器
   

（1）临时性地更换服务器
这个方法操作非常简便，适用于新手和下载库较少的学习者。在原来 pip install <库名>的基础上加上这么一行：

（2）永久更换服务器
以清华大学服务器为例，介绍如何永久更换，也比较简单，是个一劳永逸的办法，也是三部曲：
（a）进入自己的系统用户名文件夹
（b）创建 pip 文件夹
（c）创建 pip.ini 文件并进行编辑如下内容：

3. jieba 库
jieba（“结巴”）库是用于中文文本处理、对文本词语分割的库。

各个领域第三方库的名称进行了解