Python数据科学手册（1） IPython：超越Python

1.1 shell还是Notebook

Jupyter Notebook 是 IPython shell 基于浏览器的图形界面，提供了一系列丰富的动态展示功能。Jupyter Notebook 不仅可以执行 Python/IPython 语句，还允许用户添加格式化文本、静态和动态的可视化图像、数学公式、JavaScript 插件，等等。不仅如此，这些 Notebook 文档还能以共享方式存储，以便其他人可以打开这些 Notebook，并且在他们自己的系统中执行这些 Notebook 代码。

> jupyter notebook  

1.2 IPython的帮助和文档

符号 ? 用于浏览文档，符号 ?? 用于浏览源代码，而 Tab 键可以用于自动补全。

每一个 Python 对象都有一个字符串的引用，该字符串即 docstring。大多数情况下，该字符串包含对象的简要介绍和使用方法。

help(len)
Help on built-in function len in module builtins:

len(obj, /)
    Return the number of items in a container.

len?
Signature: len(obj, /)
Docstring: Return the number of items in a container.
Type:      builtin_function_or_method

这种方法也适用于你自己创建的函数或者其他对象！

def square(a):
    """Return the square of a."""
    return a ** 2

square?
Signature: square(a)
Docstring: Return the square of a.
Type:      function

square??
Signature: square(a)
Source:
def square(a):
    """Return the square of a."""
    return a ** 2
Type:      function

有时 ?? 不能显示源代码。这是因为该对象并不是用 Python 实现的，而是用 C 语言或其他编译扩展语言实现的。在这种情况下，?? 后缀将等同于 ? 后缀。

使用TAB补全对象或命令。

使用TAB可以查看系统中可导入的包或者包中可导入的对象。

使用*进行通配符匹配。

str.*find*?
str.find
str.rfind

*Warning?
BytesWarning
DeprecationWarning
FutureWarning
ImportWarning
PendingDeprecationWarning
ResourceWarning
RuntimeWarning
SyntaxWarning
UnicodeWarning
UserWarning
Warning

1.3 快捷键

用上下方向键查找历史，如果输入 def 然后按下上方向键，则会在命令历史中找到以 def 开头的最近的命令（如果有的话）。

• Ctrl + a 将光标移到本行的开始处
• Ctrl + e 将光标移到本行的结尾处
• Ctrl + l 清除终端屏幕的内容
• Ctrl + c 中断正在执行的 Python 命令
• Ctrl + d 退出当前 IPython 会话

1.4 IPython魔法命令

魔法命令有两种形式：行魔法（line magic）和单元魔法（cell magic）。行魔法以单个 % 字符作为前缀，作用于单行输入；单元魔法以两个 %% 作为前缀，作用于多行输入。

• %paste：将剪切板中的代码完整粘贴并且自动执行代码输入结果。

%paste
def f(x, y, z):
    return (x+y)/z
a = 5
b = 6
c = 7
result = f(a, b, c)
print(result)

## -- End pasted text --
1.5714285714285714

• %cpaste也是粘贴文本的，可以粘贴任何一条代码，在输入结束命令之前都不会执行代码，输入‘--’按回车或者使用‘Ctrl-D’停止粘贴代码，停止粘贴代码后会执行代码。
• %run myscript.py：执行脚本内容，或者使用runfile命令。

#-------------------------------------
# file: myscript.py
def square(x):
    """求平方"""
    return x ** 2
for N in range(1, 4):
    print(N, "squared is", square(N))

• %timeit：计算一行Python语句执行的时间。

%timeit L = [n ** 2 for n in range(1000)]
416 µs ± 58.6 µs per loop (mean ± std. dev. of 7 runs, 1000 loops each)

• 对于多行语句，可以加入第二个 % 符号将其转变成单元魔法，以处理多行输入。
• %reset：指删除interactive命名空间中全部的变量名。

• %xdel variable：删除单个变量的引用。

• %magic：获取可用魔法函数的通用描述以及一些示例。
• %lsmagic：获取所有魔法函数的列表。

1.5 输入和输出历史

In[1]:/Out[1]:给出了在当前会话中如何获取输入和输出历史的线索。
In 对象是一个列表，按照顺序记录所有的命令（列表中的第一项是一个占位符，以便 In[1] 可以表示第一条命令）。
Out 对象不是一个列表，而是一个字典。它将输入数字映射到相应的输出（如果有的话）。
任何返回值是 None 的命令都不会加到 Out 变量中。

变量 _（单下划线）用于更新以前的输出，双下划线获得倒数第二个历史输出，三下划线获得倒数第三个历史输出，仅止于此。

Out[X]的简写是_X。

要禁止一个命令的输出，最简单的方式就是在行末尾处添加一个分号。

使用%history魔法命令输出历史记录。

1.6 IPython和shell命令

使用 ! 符号作为前缀在 IPython 中执行任何shell命令行命令。

shell 命令不仅可以从 IPython 中调用，还可以和 IPython 命名空间进行交互。通过一个赋值操纵符可以将任何 shell 命令的输出保存到 Python 中。

需要注意的是这些结果并不以列表的形式返回，而是以 IPython 中定义的一个特殊 shell 返回类型的形式返回。这看上去和 Python 列表很像，并且可以像列表一样操作。但是这种类型还有其他功能，例如 grep 和 fields 方法以及 s、n 和 p 属性，允许我们轻松地搜索、过滤和显示结果。

1.7 与shell相关的魔法命令

自动魔法（automagic）函数：%cd、%cat、%cp、%env、%ls、%man、%mkdir、%more、%mv、%pwd、%rm 和 %rmdir。如果 automagic 被打开，以上任何一个魔法命令都可以省略 % 符号，这使得 IPython 提示符可以被当做当作普通 shell 一样使用。

1.8 错误和调试

改变错误打印信息：

• %xmode Context：普通（默认）。
• %xmode Plain：更加紧凑。
• %xmode Verbose：加入了一些额外的信息，包括任何被调用的函数的参数。

使用%debug开启调试模式。

使用%pbd函数在发生错误时自动打开调试界面。

使用%run -d交互式地运行脚本。

1.9 代码的分析和计时

• %time：对单个语句的执行时间进行计时。
• %timeit：对单个语句的重复执行进行计时，以获得更高的准确度。

有时候重复一个操作并不是最佳选择。例如，如果有一个列表需要排序，我们可能会被重复操作误导。对一个预先排好序的列表进行排序，比对一个无序的列表进行排序要快，所以重复运行将使结果出现偏差，对于这种情况，%time 魔法函数可能是更好的选择。

• %prun：利用分析器运行代码。
• %lprun：利用逐行分析器运行代码。
• %memit：测量单个语句的内存使用。
• %mprun：通过逐行的内存分析器运行代码。