模块与导入

当程序只有几十行时，把代码写在一个文件里通常没有问题。随着功能增加，函数、类和数据会越来越多，一个文件就会变得难以阅读和维护。如何在不改变功能的前提下拆分代码，并让不同文件中的功能可以复用？

这时可以按照功能拆分代码：学生数据放在一个文件中，菜单功能放在另一个文件中，程序入口只负责组织调用。这些独立的 Python 文件，就是模块。本节先完成一个多文件程序，再比较导入方式、导入机制和模块搜索路径。

模块定义

在 Python 中，一个 .py 文件就是一个模块。模块中可以定义：

• 变量
• 函数
• 类
• 可以直接执行的语句

例如，文件 student_tools.py 中定义了学生列表和两个函数：

print("student_tools 模块开始加载")

student_list = []


def add_student(name):
    student_list.append(name)
    print(f"已添加学生：{name}")


def show_students():
    print("学生列表：")
    for index, name in enumerate(student_list, start=1):
        print(f"{index}. {name}")

另一个文件可以导入并使用这个模块。

案例：学生工具模块拆分

需求：把学生数据和操作拆分到 student_tools.py，由 main.py 作为程序入口完成调用。

功能分析：先定义可复用的学生操作，再在入口文件中导入模块并运行，观察两个文件如何分工。

新建一个目录，并创建下面两个文件：

01-student-tools/
├── main.py
└── student_tools.py

student_tools.py 保存学生数据和学生操作，代码使用上一节的内容。

在 main.py 中导入模块：

import student_tools

student_tools.add_student("张三")
student_tools.add_student("李四")
student_tools.show_students()

进入示例目录后运行：

python3 main.py

运行结果：

student_tools 模块开始加载
已添加学生：张三
已添加学生：李四
学生列表：
1. 张三
2. 李四

两个文件承担的职责不同：

文件	职责
main.py	作为程序入口，组织功能的调用顺序
student_tools.py	保存数据并提供可以复用的功能

这种拆分不会减少代码量，但会让每个文件的职责更清楚。

导入方式

模块拆分后，如何选择导入写法？下面比较模块导入、指定名称导入、别名导入和星号导入的差异。

模块导入

import student_tools

student_tools.add_student("张三")

调用时需要写出模块名。代码稍长，但能清楚看出函数来自哪个模块，基础阶段优先使用这种方式。

指定名称导入

from student_tools import add_student, show_students

add_student("张三")
show_students()

这种写法调用更短，适合只使用模块中的少量内容。如果当前文件中也有同名函数，就要注意名称冲突。

别名导入

模块名较长，或者名称发生冲突时，可以使用 as 设置别名：

import student_tools as tools

tools.add_student("张三")

也可以给导入的函数设置别名：

from student_tools import add_student as create_student

create_student("张三")

别名应该简短且容易理解，不要为了少写几个字符使用含义不明的缩写。

星号导入风险

from student_tools import *

这种写法会把模块中可导入的名称一次性放入当前文件。代码很难看出名称来自哪里，也更容易覆盖已有名称，因此不建议在课程项目中使用。

模块导入机制

执行 import student_tools 时，Python 不只是找到这个文件，还会执行模块中的顶层代码。函数体只有在调用函数时才会执行，但模块最外层的语句会在导入过程中执行。理解这个过程，才能解释导入时的输出和重复导入行为。

因此，示例中的下面一行会在导入时输出：

print("student_tools 模块开始加载")

在同一次程序运行中，再次导入已经加载的模块，Python 通常会直接复用已加载的模块，不会重新执行模块代码：

import student_tools
import student_tools

运行时仍然只会看到一次“模块开始加载”。

这一点说明：模块顶层代码会影响导入它的文件。可复用模块通常以变量、函数和类的定义为主，不要随意在顶层放置业务流程。

模块搜索路径

导入模块时，Python 如何找到对应文件？Python 会根据模块搜索路径查找，搜索路径记录在 sys.path 中：

import sys

for path in sys.path:
    print(path)

搜索路径通常包含程序入口所在目录、Python 标准库目录和已经安装的第三方库目录。具体第一项会受到启动方式影响，因此不能简单理解为永远等于“当前工作目录”。

前面的示例能够直接导入 student_tools，是因为它和入口文件 main.py 位于同一个目录，这个目录在当前启动方式下可以被 Python 搜索到。

模块命名冲突

自定义模块为什么不能随意使用标准库或常用第三方库的名称？例如：

random.py
json.py
logging.py

假设当前目录中存在自己创建的 random.py，执行下面的代码时，Python 可能优先导入这个文件，而不是标准库中的 random：

import random

如果导入结果与预期不符，可以查看模块实际来自哪里：

import random

print(random.__file__)

发现名称冲突后，应修改自定义文件名，并清理同目录下对应的缓存文件，再重新运行程序。

小结

• 一个 .py 文件就是一个模块，可以保存变量、函数和类。
• import 模块名 能清楚标明内容来源，适合作为默认导入方式。
• from 模块名 import 名称 可以缩短调用代码，但需要注意名称冲突。
• 模块第一次被导入时会执行顶层代码，同一次运行中重复导入通常会复用已加载的模块。
• Python 根据模块搜索路径查找模块，自定义文件名应避免与现有模块冲突。

练习

1. 创建 calculator.py，在其中定义加法和减法函数，再从 main.py 中导入并调用。
2. 分别使用 import calculator 和 from calculator import add 完成调用，比较两种写法。
3. 在 calculator.py 顶层输出一行提示，连续导入两次，观察提示出现几次。
4. 输出 calculator.__file__，确认 Python 实际导入的是哪个文件。