【Python】常见模块及其用法

1. 什么是模块和包？

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• 模块是一个包含python代码的文件（后缀名.py），内容可以包括函数、类、变量等

# 文件名为hello.py
def func():print("hello world!")
func()

使用模块

import hello

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• 包是包含多个模块的目录，它通过__init__.py文件(可以是空文件)来标识这是一个Python包。

mypackage/
│── __init__.py
│── module1.py
│── module2.py
└── subpackage/│── __init__.py│── module3.py

使用包

from mypackage import module1,module2
from mypackage.subpackage import module3

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2. 常见的模块及其用法

本文主要讲解模块有：time random os sys json

1. time 时间处理
2. random 生成随机数和实现随机选择功能
3. os 操作系统交互
4. sys 系统相关功能
5. json JSON 数据处理

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2.1 time

时间处理

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概览

方法	功能	示例
time()	时间戳，1970年1月1日00:00:00 UTC至今的秒数	1753161307.4428105
ctime()	获取可读的时间字符串	“Tue Jul 22 13:15:07 2025"
localtime()	获取结构化时间对象（包含年、月、日等字段）	time.struct_time(tm_year=2025, tm_mon=7, tm_mday=22, tm_hour=13, tm_min=15, tm_sec=7, tm_wday=1, tm_yday=203, tm_isdst=0)
strftime("%Y-%m-%d %H:%M:%S",struct_time)	时间格式化（字符串）	“2025-07-22 13:33:09”
strptime(“2025-07-22”)	时间解析	“time.struct_time(tm_year=2025, tm_mon=7, tm_mday=22, tm_hour=0, tm_min=0, tm_sec=0, tm_wday=1, tm_yday=203, tm_isdst=-1)”
perf_counter())	精确计时（性能测试）	耗时时间
sleep(2.5)	程序暂停	停顿2.5秒
localtime()	时间戳 -> struct_time	时间类型转化
mktime()	struct_time -> 时间戳	时间类型转化

2.1.1 时间获取方法

1. time.time()

• 功能：获取当前的时间戳（1970年1月1日00:00:00 UTC至今的秒数）
• 示例：

  import time
  print(time.time())  # 输出：1753161307.4428105（当前时间）
  

2. time.ctime()

• 功能：获取可读的时间字符串
• 示例：

print(time.ctime()) 
# 输出：“Tue Jul 22 13:15:07 2025”

3. time.localtime()

• 功能：获取结构化时间对象（包含年、月、日等字段）
• 示例：

struct_time = time.localtime()
print(struct_time.tm_year, struct_time.tm_mon,struct_time.tm_mday) 
# 输出：2025 7 22

2.1.2 时间格式化与解析

1. time.strftime()

• 功能：时间格式化
• 示例：

struct_time = time.localtime()
formatted = time.strftime("%Y-%m-%d %H:%M:%S",struct_time)
# 输出 2025-07-22 13:33:09

2. time.strptime()

• 功能：时间解析（字符串 -> struct_time）
• 示例：

parsed_time = time.strptime("2025-07-22", "%Y-%m-%d") 
print(parsed_time)
# 输出:
# time.struct_time(tm_year=2025, tm_mon=7, tm_mday=22, tm_hour=0, tm_min=0, tm_sec=0, tm_wday=1, tm_yday=203, tm_isdst=-1)

2.1.3 程序计时与延迟

1. time.pref_counter()

• 功能：精确计时（性能测试）
• 示例：

start = time.perf_counter()
time.sleep(2)
end = time.perf_counter()
print(f"执行耗时：{end - start:.4f}秒")
# 输出:
# 执行耗时：2.0003秒

2. time.sleep()

• 功能：程序暂停
• 示例：

start = int(time.time())
time.sleep(2)
end = int(time.time())
print(f"停顿{end - start:.2f}秒")# 输出:
# 停顿2.00秒

2.1.4 时间转换

1. 时间戳 -> struct_time

• 方法：time.localtime()
• 示例：

timestamp = time.time()
ts_to_struct = time.localtime(timestamp)
print(ts_to_struct)# 输出:
# time.struct_time(tm_year=2025, tm_mon=7, tm_mday=22, tm_hour=13, tm_min=50, tm_sec=49, tm_wday=1, tm_yday=203, tm_isdst=0)

2. struct_time -> 时间戳

• 方法：time.mktime()
• 示例：

struct_time = time.localtime()
struct_to_ts = time.mktime(struct_time)
print(struct_to_ts)# 输出:
# 1753163493.0

2.2 random

生成随机数和实现随机选择功能

概览

方法	功能	示例
random()	[0.0, 1.0) 的随机浮点数	0.374501
uniform(a, b)	[a, b] 的随机浮点数	7.823
randint(a, b)	[a, b] 的随机整数	4
randrange(start, stop, step)	指定范围的随机整数	45
choice(seq)	序列中的随机元素	“green”
choices(population, k)	有放回抽样	[‘B’, ‘C’]
sample(population, k)	无放回抽样	[3, 1, 5]
shuffle(seq)	原地打乱序列	[‘K’, ‘A’, ‘J’, ‘Q’]
gauss(mu, sigma)	高斯分布随机数	0.735
seed(a)	初始化随机种子	固定随机序列
getstate() / setstate()	保存/恢复状态	重现随机序列

2.2.1 基本随机数

1. random.random()

• 功能：生成 [0.0, 1.0) 之间的随机浮点数。
• 示例：

  import random
  print(random.random())  # 输出：0.374501（随机值）
  

控制小数位数

1. 内置函数/四舍五入
   round(random.random(), 3) # 默认 3 位小数
2. 格式化
   formatted = f{random.random():.3f} # 默认 3 位小数

2. random.uniform(a, b)

• 功能：生成 [a, b] 之间的随机浮点数。
• 示例：

  print(random.uniform(2, 10))  # 输出：7.342（随机浮点数）
  

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2.2.2 随机整数

1. random.randint(a, b)

• 功能：生成 [a, b] 之间的随机整数（包含两端）。
• 示例：

  print(random.randint(1, 10))  # 输出：3
  

2. random.randrange(start, stop, step)

• 功能：从 range(start, stop, step) 中随机选择一个整数 [start, stop) 左开右闭。
• 示例：

  print(random.randrange(0, 100, 5))  # 输出：45（0,5,10,...,95 中的随机数）
  

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2.2.3 序列操作

1. random.choice(seq)

• 功能：从非空序列中随机选择一个元素。
• 示例：

  colors = ['red', 'green', 'blue']
  print(random.choice(colors))  # 输出：'green'（随机颜色）
  

2. random.choices(population, weights=None, k=1)

• 功能：从序列中有放回地随机抽取 k 个元素（可设置权重）。
• 示例：

  result = random.choices(['A', 'B', 'C'], weights=[0.2, 0.5, 0.3], k=2)
  print(result)  # 输出：['B', 'C']（权重越高越可能被选中）
  

3. random.sample(population, k)

• 功能：从序列中无放回地随机抽取 k 个唯一元素。
• 示例：

  numbers = [1, 2, 3, 4, 5]
  print(random.sample(numbers, 3))  # 输出：[3, 1, 5]（随机不重复的3个数）
  

4. random.shuffle(seq)

• 功能：将序列原地随机打乱（修改原序列）。
• 示例：

  cards = ['A', 'K', 'Q', 'J']
  random.shuffle(cards)
  print(cards)  # 输出：['K', 'A', 'J', 'Q']（顺序随机）
  

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2.2.4 概率分布

1. random.gauss(mu, sigma)

• 功能：生成高斯分布（正态分布）的随机数，mu 为均值，sigma 为标准差。
• 示例：

  print(random.gauss(0, 1))  # 输出：0.735（标准正态分布中的随机值）
  

2. random.expovariate(lambd)

• 功能：生成指数分布的随机数，lambd 是事件发生率的倒数。
• 用途： 多用于建模随机事件之间的时间间隔，尤其适合那些平均间隔已知但具体时间不确定的场景。
• 示例：

  print(random.expovariate(1.0/5))  # 输出：3.2（模拟平均每5秒发生一次的事件间隔）
  

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2.2.5 随机种子

1. random.seed(a=None)

• 功能：初始化随机数生成器，相同种子生成相同随机序列（用于可重复性）。
• 示例：

  random.seed(42)  # 固定种子
  print(random.random())  # 输出：0.6394（每次运行结果相同）
  

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2.2.6 状态管理

1. random.getstate() 和 random.setstate(state)

• 功能：保存/恢复随机数生成器的内部状态。
• 原理： 这是伪随机数生成器的典型行为，用于保证生成的随机数序列具有不可预测性和多样性
• 示例：

  state = random.getstate()  # 保存当前状态
  print(random.random())     # 随机数1
  random.setstate(state)     # 恢复状态
  print(random.random())     # 再次输出相同的随机数1
  

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2.3 os

操作系统交互

概览

方法	功能	备注
mkdir()	创建单级目录	存在时创建的目录会报错
makedirs()	创建多级目录	exist_ok = True 已存在创建的目录不会报错
rename()	重命名
remove()	删除文件
scandir()	目录遍历
walk()	递归遍历目录
os.path.join()	路径拼接
os.path.dirname() 、os.path.basename()、os.path.splitext()	路径分解
os.path.exists、os.path.isfile()、os.path.isdir()	路径检查
os.getcwd()	获取当前路径
os.chdir()	修改工作目录
os.environ.get()	获取环境变量
os.system()	执行系统命令

2.3.1 文件与目录操作

1. 创建目录

• 方法：os.mkdir() / os.makedirs()
• 示例：

import os
os.mkdir("1") # 创建单级目录 | 文件已存在会报错
os.makedirs("test/1", exist_ok=True) # 创建多级目录，exist_ok=True，当文件已存在时不报错

2. 文件操作

• 方法：os.rename() / os.remove()
• 示例：

import os
os.rename("old.txt","new.txt") # 重命名
os.remove("test/1.txt") # 删除文件

3. 目录遍历

• 方法：os.scandir()
• 示例：

import os
for entry in os.scandir("."): # . 遍历当前目录下的所有 文件 和 子目录 if entry.is_file():print("文件：",entry)
# 输出：
# 文件： <DirEntry '1.py'>

2.3.2 路径处理

1. 路径分解

• 方法：os.path.dirname() | os.path.basename() | os.path.splitext()
• 示例：

import ospath = "/home/user/documents/report.txt"# 获取路径组成部分
dir_path = os.path.dirname(path)  # 目录路径: "/home/user/documents"
file_name = os.path.basename(path)  # 完整文件名: "report.txt"
file_root, file_ext = os.path.splitext(file_name)  # 分离主名和扩展名: ("report", ".txt")# 完整路径拆分
head, tail = os.path.split(path)  # ("/home/user/documents", "report.txt")

2. 路径拼接

• 方法：os.path.join()
• 示例：

full_path = os.path.join("dir","subdir","file.txt")

3. 路径检查

• 方法：os.path.exists() | os.path.isfile() | os.path.isdir()
• 示例：

print(os.path.exists("1.txt"))  # 是否存在
print(os.path.isfile("1.txt"))  # 是否是文件
print(os.path.isdir("1.txt"))  # 是否是目录# 输出答案（根据个人本地要查询的文件为主）
# True
# True
# False

2.3.3 系统信息与环境

1. os.getcwd()

• 功能：获取当前工作目录
• 示例：

 cwd = os.getcwd()

2. os.chdir()

• 功能：修改工作目录
• 示例：

 cwd = os.chdir("/new/path")

3. os.environ.get()

• 功能：获取环境变量
• 示例：

home_dir = os.enciron.get("HOME","default") # 查找 HOME 值，没有则返回默认值 default
print(home_dir)

4. os.system()

• 功能：执行系统命令
• 示例：

os.system("ls -l")

2.4 sys

系统相关功能

概览

方法	功能	备注
sys.argv	获取命令行参数
sys.stdout	重定向输出
sys.stdin.readline().strip()	读取标准输入
sys.version	获取Python版本信息
sys.path	获取模块搜索路径
sys.exit(1)	退出程序并返回状态码	非0状态码表示异常退出
sys.stdout.flush()	刷新输出缓冲区	确保立即显示

2.4.1 命令行参数处理

1. sys.argv

• 功能：获取命令行参数
• 示例：

# 假设执行：python scripts.py arg1 arg2 --option=value
print(sys.argv) # ['script.py', 'arg1', 'arg2', '--option=value']
# 实际应用：处理命令行选项
if len()sys.argv) > 1:action = sys.argv[1] # arg1if action == "start":print("")elif action == "stop":print("")

2.4.2 标准输入/输出控制

1. sys.stdout

• 功能：重定向输出
• 示例：

with open('1.txt','w',encoding="utf-8-sig") as f:sys.stdout = f # 重定向标准输出到文件print("这条信息将写入文件")sys.stdout = sys._stdout__ # 恢复标准输出
# 会将print中的内容写进 1.txt文件内

2. sys.stdin.readline().strip()

• 功能：读取标准输入
• 示例：

print("请输入内容：")
user_input = sys.stdin.readline().strip()
print(f"您输入了：{user_input}")# 输出：
"""
请输入内容：
1 2 3 
您输入了：1 2 3
"""

2.4.3 系统信息与配置

1. sys.version

• 功能：获取Python版本信息
• 示例：

print(sys.version)
# 输出
"""
3.11.9 (tags/v3.11.9:de54cf5, Apr  2 2024, 10:12:12) [MSC v.1938 64 bit (AMD64)]
"""

2. sys.path

• 功能：获取模块搜索路径
• 示例：

print(sys.path) # 输出列表形式，包含Python查找模块的路径

3. sys.platform

• 功能：获取操作系统平台
• 示例：

print(sys.platform) # 'win32', 'linux', 'darwin' (macOS)
# 输出 
"""
win32
"""

2.4.4 程序流程控制

1. sys.exit(n)

• 功能：退出程序并返回状态码（n=0时，正常退出；n=1《或是其它数字》时表示异常退出）
• 场景：通常用于脚本或程序中发生错误时提前退出，表示异常终止
• 示例：

if error_occurred:sys.exit(1) # 非0状态码表示异常退出

2. sys.stdout.flush()

print("处理中...", end="")
sys.stdout.flush()
# 执行耗时操作...
print("完成！")

2.5 json

JSON 数据处理

概览

方法	功能
json.dumps()	Python -> JSON字符串
json.loads()	JSON字符串 -> Python
json.dump	写入JSON文件
json.load()	读取JSON文件

2.5.1 基本序列化与反序列化

1. Python -> JSON字符串

• 方法：json.dumps()
• 示例：

import json
data = {"name": "Alice","age": 30,"hobbies": ["reading"],"is_student": False,
}
json_str = json.dumps(data, indent=2)
print(json_str)# 输出：
"""
{"name": "Alice","age": 30,"hobbies": ["reading","hiking"],"is_student": false
}
"""

2. JSON字符串 -> Python

• 方法：json.loads()
• 示例：

restored_data = json.loads(json_str)
print(restored_data["name"]) # "Alice"

2.5.2 文件读写操作

1. json.dump()

• 功能：写入JSON文件
• 示例：

with open("data.json", "w") as f:json.dump(data, f, indent=4) # 控制为 4 缩进空格

2. json.load()

• 功能：读取JSON文件
• 示例：

with open("data.json") as f:loaded_data = json.load(f)

2.5.3 高级序列化控制

# 处理自定义对象
class User:def __init__(self, name, age):self.name = nameself.age = age# 自定义序列化方法
def user_encoder(obj):if isinstance(obj, User): # 判断 obj 是否是 User 的实例return {"name": obj.name, "age": obj.age}raise TypeError(f"Object of type {obj.__class__.__name__} is not JSON serializable")user = User("Bob", 40)
user_json = json.dumps(user, default=user_encoder)  # {"name": "Bob", "age": 40}# 自定义反序列化方法
def user_decoder(dct):if "name" in dct and "age" in dct:return User(dct["name"], dct["age"])return dctrestored_user = json.loads(user_json, object_hook=user_decoder)
print(restored_user.name)  # "Bob"
```