IPython介绍

Posted 2020-08-18 KLeonard

1. IPython介绍

ipython是一个python的交互式shell，比默认的python shell好用得多，支持变量自动补全，自动缩进，支持bash shell命令，内置了许多很有用的功能和函数。学习ipython将会让我们以一种更高的效率来使用python。同时它也是利用Python进行科学计算和交互可视化的一个最佳的平台。

IPython提供了两个主要的组件：

1.一个强大的python交互式shell
2.供Jupyter notebooks使用的一个Jupyter内核（IPython notebook）

IPython的主要功能如下：

1.运行ipython控制台
2.使用ipython作为系统shell
3.使用历史输入(history)
4.Tab补全
5.使用%run命令运行脚本
6.使用%timeit命令快速测量时间
7.使用%pdb命令快速debug
8.使用pylab进行交互计算
9.使用IPython Notebook

2. 安装IPython

ipython支持Python2.7版本或者3.3以上的版本，我用的是windows下的python 3.4版本。

安装ipython很简单，可以直接使用pip管理工具即可:

pip install ipython

这条命令会自动安装IPython以及它的各种依赖包

如果我们也想在notebook中或者在Qt console中使用IPython，我们还需要安装Jupyter，如下命令：

pip install jupyter

另外我们还可能需要安装一些用到的库：

NumPy高性能多维数组矢量运算库：

pip install numpy

Matplotlib绘图以及交互式可视化：

pip install matplotlib

等等。

3. 交互式使用IPython

IPython支持所有python的标准输入输出，也就是我们在IDLE中或者Python shell中能用的，在IPython中都能够使用，唯一的不同之处使ipython会使用In [x]和Out [x]表示输入输出，并表示出相应的序号。

其实后面我们会知道，In和Out是两个保存历史信息的变量

进入IPython也非常简单，直接win + R打开运行，然后输入ipython即可进入IPython shell交互框；

或者输入ipython qtconsole进入ipython图形交互界面：

除此之外，ipython支持一些更高级的功能。

3.1 Tab键自动补全

在shell中输入表达式时，只要按下Tab键，当前命名空间中任何与输入的字符串相匹配的变量(对象或者函数等)就会被找出来：

这时可以通过键盘的向下翻页键找到自己需要的对象。

3.2 内省

在变量的前面或者后面加上一个问号?，就可以将有关该对象的一些通用信息显示出来，这就叫做对象的内省。

如果对象是一个函数或者实例方法，则它的docstring也会被显示出来：

定义方法如下：

这时查看该方法的内省信息：

如果使用两个问号??，那么还可以显示出该方法的源代码：

另外，我们可以使用通配符字符串查找出所有与该通配符字符串相匹配的名称，比如我们查找re模块下所有的包含find的函数：

3.3 使用历史命令history

在IPython shell中，使用历史命令可以简单地使用上下翻页键即可，另外我们也可以使用hist命令(或者history命令)查看所有的历史输入。（正确的做法是使用%hist，在这里，%hist也是一个魔法命令）

如果在hist命令之后加上-n，即hist -n也可以显示出输入的序号：

在任何的交互会话中，我们的输入历史和输出历史都会被保存在In和Out变量中，并被序号进行索引。

另外，_，__，___和_i，_ii，_iii变量保存着最后三个输出和输入对象。_n和_in(这里的n表示具体的数字)变量返回第n个输出和输入的历史命令。比如：

3.4 使用%run命令运行脚本

在ipython会话环境中，所有文件都可以通过%run命令当做Python程序来运行，输入%run 路径+python文件名称即可

3.5 使用%timeit命令快速测量代码运行时间

在一个交互式会话中，我们可以使用%timeit魔法命令快速测量代码运行时间。相同的命令会在一个循环中多次执行，多次运行时长的平均值作为该命令的最终评估时长。-n 选项可以控制命令在单词循环中执行的次数，-r选项控制执行循环的次数。

3.6 使用%debug命令进行快速debug

ipython带有一个强大的调试器。无论何时控制台抛出了一个异常，我们都可以使用%debug魔法命令在异常点启动调试器。接着你就能调试模式下访问所有的本地变量和整个栈回溯。使用u和d向上和向下访问栈，使用q退出调试器。在调试器中输入?可以查看所有的可用命令列表。

我们也可以使用%pdb魔法命令来激活IPython调试器，这样，每当异常抛出时，调试器就会自动运行。

3.7 使用Pylab进行交互式计算

%pylab魔法命令可以使Numpy和matplotlib中的科学计算功能生效，这些功能被称为基于向量和矩阵的高效操作，交互可视化特性。它能够让我们在控制台进行交互式计算和动态绘图。

在该示例中，我们首先定义了一个-10到10的线性空间中的1000个数值的向量，接着我们绘制了(x,sin(x))图像，这样我们就成功绘制出了sin(x)的函数图像：

3.8 在IPython中使用系统shell

我们可以在IPython中直接使用系统shell，并获取读取结果作为一个Python字符串列表。为了实现这种功能，我们需要使用感叹号!作为shell命令的前缀。比如现在在我的windows系统中，直接在IPython中ping百度：

一个有趣的事情是，在IPython中调用系统shell可以再次进入一个新的IPython shell中，如下：

当然，一般没人会这么干。

4.使用IPython Notebook

IPython Notebook使用浏览器作为界面，向后台的IPython服务器发送请求，并显示结果。在浏览器的界面中使用单元(Cell)保存各种信息。Cell有多种类型，需要强调的是，它也支持MarkDown语法，所以可以有MarkDown格式化文本单元，也可以有表示代码的Code单元。

IPython Notebook有一个重要的特点就是：可重复性的互动计算，这意味着我们可以重复更改并且执行曾经的输入记录。它可以保存成其他很多格式，比如Python脚本，HTML，PDF等，所以它可以记录我们的演算过程。很多课程，博客以及书籍都是用Notebook写的。

4.1 安装并运行

如果执行了上文中IPython的安装过程，IPython Notebook已经算是安装好了。怎么测试呢？Win + R打开运行窗口，输入ipython notebook，如果正确安装的话，这个命令就会默认在本地8888端口启动一个web服务，并自动打开浏览器，打开http://localhost:8888/tree页面，在这个页面我们可以看到当前目录下的所有文件夹以及ipynb文件。

当然，如果不想在当前默认目录启动该Web服务器的话，就在cmd窗口下切换目录之后再运行ipython notebook：

自动打开如下页面：

我们可以点击当前目录下的Notebook文件进行编辑，也可以新建Notebook:

编辑Notebook可以选择代码模式和文本编辑模式，也可以导出各种不同格式的文件:

由于IPython Notebook是基于Web服务模式的，所以我们可以在远程服务器打开IPython服务器，在本地客户端启动IPython Web交互界面，这样可以很方便地操作远程数据

4.2 操作

在一个输入框即Cell中使用回车即Enter键，表示换行，也就是说一个Cell中可以输入多条语句。

一个Cell中的命令可以由两种方式运行：

1. Shift + Enter小格内的所有代码将会在当前的IPython交互命名空间中运行，运行结果将会立即在输入框下面的输出区域显示，且一个新的输入框会出现。
2. Ctrl + Enter组合键只会显示运行结果而不会创建新的输入框

我们也可以使用上面的菜单栏和工具栏对Cell进行各种增删复制粘贴等操作。