Python數據分析學習筆記02：Python語言基礎、IPython與Jupyter筆記本

在2012年，現在大家習以為常的許多庫，比如pandas、scikit-learn和statsmodels，那時都相對不成熟。在2017年，有日益增長的關于數據科學、數據分析和機器學習的文獻資料，補充了先前關于通用科學計算的工作，主要針對計算科學家、物理學家和其它研究領域的專業人員。

學習Python編程成為高效軟件工程師的好書確實不少。建議采用IPython控制臺與Jupyter筆記本來做樣例代碼的實驗，查看文檔了解各種類型、函數和方法。

一、Python解釋器

Python是一種解釋性語言。Python解釋器通過一次執行一條語句來運行程序。在命令行鍵入python命令可以調用標準交互Python解釋器：

>>>是python提示符，其后可以鍵入表達式或語句。

鍵入exit()或按組合鍵Ctrl+Z（Windows系統）返回命令行提示符。

運行python程序很簡單，調用python，用一個.py文件作為其第一個參數。

編寫一個python程序hello_world.py：

運行上述python程序：

一些Python程序員以這種方式來執行他們的Python代碼，而那些做數據分析和科學計算的程序員利用IPython或Jupyter筆記本。

• IPython 是一個 for Humans 的 Python 交互式 shell，用了它之后你就不想再用自帶的 Python shell 了，IPython 支持變量自動補全，自動縮進，支持 bash shell 命令，內置了許多實用功能和函數，同時它也是科學計算和交互可視化的最佳平臺。
• Jupyter Notebook 就像一個草稿本，能將文本注釋、數學方程、代碼和可視化內容全部組合到一個易于共享的文檔中，以 Web 頁面的方式展示。它是數據分析、機器學習的必備工具。

在IPython里，使用%run命令執行指定的Python程序。

使用Spyder自帶的IPython控制臺操作：

IPython提示符是 In [數字] ，跟Python提示符 >>> 相對應。

注意：在IPython里，可以按組合鍵 + 來清屏。

二、IPython基礎

1、運行IPython外殼

你可以通過鍵入并按回車來執行任意Python語句。如果僅僅鍵入一個變量，IPython會呈現這個對象的字符串表示。

前兩行是Python代碼語句；第二條語句創建一個名叫data的變量，指向一個新建的Python詞典。最后一行在控制臺打印變量data的值。

很多種Python對象格式化后更有可讀性，或漂亮打印（pretty-printed），與通常用print函數來打印有所不同。

利用pprint實現漂亮打印效果：

IPython也提供了通過復制粘貼來執行任意代碼塊或完整Python腳本的手段。當然，你也可以用Jupyter筆記本來處理更大的代碼塊。

            
              mydict = {'students': [{'name':'Tom', 'age': 18},{'name':'Jerry', 'age': 19}]}
pprint.pprint(mydict)
# 未超長：
{'students': [{'age': 18, 'name': 'Tom'}, {'age': 19, 'name': 'Jerry'}]}
pprint.pprint(mydict, width=20)
            
          

將上述代碼塊全部選中，復制粘貼到IPython控制臺，敲回車執行：

            
              step = 0

def move(p1, p2):
	global step
	step = step + 1
	print('Step ' + str(step) + ': ', p1, '->', p2)

def hanoi(n, x, y, z):
	if n == 1:
		move(x, z)
	else:
		hanoi(n-1, x, z, y)
		move(x, z)
		hanoi(n-1, y, x, z)

hanoi(3, 'A', 'B', 'C')
            
          

將上述代碼塊全部選中，復制粘貼到IPython控制臺，敲回車執行：

大家可以看到，在IPython里執行代碼塊還是挺方便的，對于已有的Python程序，簡單的復制粘貼敲回車就可以執行。

2、運行Jupyter筆記本

Jupyter項目主要組件之一就是notebook，一種用于代碼、文本（有或無標簽），數據可視化和其它輸出的交互式文檔。

Jupyter筆記本與內核交互，內核以任何數量的編程語言實現了Jupyter交互計算協議。Python的Jupyter內核采用IPython系統作為其底層行為。

要啟動Jupyter，在終端運行jupyter notebook命令：

在很多平臺上，Jupyter會自動在你默認瀏覽器里打開（除非你啟動時帶了--no-browser參數）。或者，當你啟動了notebook，你可以導航到它給出的http地址，這里是http://localhost:8888/?token=2b9cd7470d199f917f01de16df40907c57c0afc2013e69f6，下圖就是在Chrome瀏覽里Jupyter的登錄頁面。

要創建一個筆記本，單擊【New】按鈕，選擇Python 3選項。在代碼單元格里鍵入Python代碼，然后按組合鍵Shift-Enter執行，如下圖所示：

當你保存筆記本，會創建一個擴展名為.ipynb的文件。這是一種自包含文件格式，包含當前在筆記本里的所有內容（包括任何計算的代碼輸出）。這些東西可以被其他Jupyter用戶加載并編輯。為了加載一個已有的筆記本，將文件放在啟動筆記本的同一個目錄里，或者其子目錄里，然后從Jupyter登錄頁面雙擊那個文件名。

剛才，我保存了筆記本，并且重命名為“demo001”，于是在Jupyter當前目錄下就有了demo001.ipynb文件。

在啟動Jupyter的目錄里保存了demo001.ipynb文件：

內容如下所示：

            
              {
 "cells": [
  {
   "cell_type": "code",
   "execution_count": 1,
   "metadata": {},
   "outputs": [
    {
     "name": "stdout",
     "output_type": "stream",
     "text": [
      "hello python world!\n"
     ]
    }
   ],
   "source": [
    "print(\"hello python world!\")"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "code",
   "execution_count": 2,
   "metadata": {},
   "outputs": [
    {
     "name": "stdout",
     "output_type": "stream",
     "text": [
      "250\n"
     ]
    }
   ],
   "source": [
    "a = 100\n",
    "b = 150\n",
    "sum = a + b\n",
    "print(sum)"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "code",
   "execution_count": null,
   "metadata": {},
   "outputs": [],
   "source": []
  }
 ],
 "metadata": {
  "kernelspec": {
   "display_name": "Python 3",
   "language": "python",
   "name": "python3"
  },
  "language_info": {
   "codemirror_mode": {
    "name": "ipython",
    "version": 3
   },
   "file_extension": ".py",
   "mimetype": "text/x-python",
   "name": "python",
   "nbconvert_exporter": "python",
   "pygments_lexer": "ipython3",
   "version": "3.7.3"
  }
 },
 "nbformat": 4,
 "nbformat_minor": 2
}
            
          

打開已有的Jupyter筆記本文件：

3、Tab補全功能

跟標準的Python外殼相比，IPython外殼具有tab補全功能，現在很多集成開發環境或交互式計算分析環境都提供了此功能。

定義了兩個變量an_apple與an_example，輸入an，按tab鍵，IPython會提示an_apple any an_example Anaconda3。

在一個對象后面鍵入英文句點，按tab鍵會自動提示其方法與屬性：

同理，在模塊后面鍵入英文句點，按tab鍵也會自動提示其函數或常量：

利用tab鍵也可以自動提示模塊的私有屬性和方法，但是必須加上一個下劃線再按tab鍵：

結合%run命令，tab鍵自動補全功能可以為你節省不少敲鍵次數。

4、對象自省功能

在變量或方法名后加一個?，會顯示一些相關信息：

定義一個函數，添加文檔字符串；使用?可以顯示文檔字符串。

用??可以顯示函數的源代碼：

?還可以結合通配符*搜索IPython的命名空間：

注意，python shell不具有對象自省功能：

5、%run命令——運行Python腳本

6、%load命令——加載Python腳本

7、執行剪貼板里的代碼

將上述代碼全部選中，然后復制到剪貼板里。

在IPython里，利用魔法命令%paste，可以執行剪貼板里的代碼：

8、終端鍵盤快捷鍵

Ctrl-L，清屏快捷鍵，在前面我們就已經提到過。

9、關于魔法命令

IPython提供了一些特殊命令，不是Python內置的，命令以%打頭。

魔法命令之后加?也可以自省：

利用%automagic命令可以設置自動魔法命令是ON還是OFF，當設置為ON時，魔法命令可以省掉前面的%；當設置為OFF時，魔法命令不能省掉前面的%。默認情況下，automagic是ON狀態，如下圖所示：

一些魔法命令執行的結果還可以保存到變量里，如下圖所示：

但是有些魔法命令執行的結果無法保存到變量里，只能直接顯示在屏幕上，如下圖所示：