Python程序设计现代方法（第2版） 课件 第7章 常用库的使用

第7章常用库的使用《Python程序设计现代方法（第2版）》学习目标/Target

掌握random库的使用，能够使用random库生成随机数

掌握turtle库的使用，能够使用turtle库绘制不同图形

掌握time库的使用，能够使用time库处理时间掌握jieba库的使用，能够使用jieba库对中文文本实现分词掌握WordCloud库的使用，能够使用WordCloud库制作词云图章节概述/Summary在Python中，库（Library）是一种涵盖了特定功能集合的说法，而非严格定义。Python库提供了大量的函数或方法，可以帮助开发人员更有效地解决各种任务和问题，从而更轻松地开发程序。Python中的库通常分为两种类型，分别是标准库（StandardLibrary）和第三方库（Third-PartyLibrary），其中标准库会随Python解释器一同被安装，导入程序后直接使用，包括random、turtle、time等；第三方库是由Python使用者编写和分享的，使用前需要额外安装，比如jieba、wordcloud等。本章将介绍一些常用库的基本用法。目录/Contents01随机数工具：random库实例：验证码绘图工具：turtle库0203实例：绘制几何图形04时期时间工具：time库05目录/Contents06实例：二十四节气倒计时中文分词工具：jieba库实例：出场人物统计0708词云工具：WordCloud库09实例：生成词云图10随机数工具：random库7.17.1随机数工具：random库random库是Python标准库中的一部分，它提供了一系列的随机数生成函数，可以用于生成随机数和随机序列等。函数功能说明random()用于生成一个随机浮点数n，n的取值范围是0<=n<1.0uniform(a,b)用于生成一个指定范围内的随机浮点数n，若a<b，则n的取值范围是a<=n<=b；若a>b，则n的取值范围是b<=n<=arandint(a,b)用于生成一个指定范围内的整数n，n的取值范围是a<=n<=b7.1随机数工具：random库函数功能说明randrange([start,]stop[,step])生成一个按指定基数递增的序列，再从该序列中获取一个随机数。start参数表示范围的起始值，包含在范围内；stop参数表示范围的结束值，不包含在范围内；step参数是可选的，表示基数，默认值为1choice(sequence)从序列中获取一个随机元素，参数sequence接收一个序列类型shuffle(x[,random])将序列x中的元素随机排列sample(sequence,k)从指定序列中获取长度为k的片段，随机排列后返回新的序列random库是Python标准库中的一部分，它提供了一系列的随机数生成函数，可以用于生成随机数和随机序列等。7.1随机数工具：random库生成随机数的示例代码如下：importrandomprint(random.random())#生成0~1.0之间的随机浮点数，包含0print(random.uniform(3,5))#生成3.0~5.0之间的随机浮点数，包含3.0和5.0print(random.randint(2,8))#生成2~8之间的的随机整数，包含2和8print(random.randrange(10))#生成0~9的序列，从该序列中获取随机数print(random.randrange(1,10,2))#生成序列[1,3,5,7,9]，从中获取一个元素7.1随机数工具：random库importrandomresult=random.choice(['勤','而','行','之'])print(result)word_li=['勤','而','行','之']#随机排列列表里面的元素random.shuffle(word_li)print(word_li)#从元组中获取长度为3的片段，对这个片段随机排列后返回新的序列result=random.sample(('勤','而','行','之'),k=3)print(result)生成随机数的示例代码如下：实例：验证码7.27.2

实例：验证码当前互联网时代，为了保护用户信息和安全，许多网站都设置了验证码。这样做的目的是为了识别用户是否为机器人，防止机器人自动注册账号、发送垃圾信息等行为。常见的验证码由数字和字母组成，长度通常为4位或6位。7.2

实例：验证码本实例要求编写一个程序，用于生成一个6位验证码。6位验证码有6个字符，每位字符都有3种可能，分别是大写字母、小写字母、数字，具体的类型和取值都无法确定。

7.2

实例：验证码实现思路可以分为以下步骤：（1）定义一个函数，用于生成6位验证码。（2）在函数内部定义一个用于保存验证码字符的变量，变量的初始值为空字符串。（3）通过for语句和range()函数循环生成验证码的每一个字符。（4）在循环内部，随机生成一个代表字符类型的数字，并且随机生成一个该类型的字符。绘图工具：turtle库7.37.3.1

创建图形窗口图形窗口也称为画布（canvas）。控制台无法绘制图形，使用turtle库绘制图形化界面可以先使用setup()函数创建图形窗口，该函数的语法格式如下。setup(width,height,startx=None,starty=None)例如，使用turtle的setup()函数创建一个宽800像素、高600像素的图形窗口，代码如下：turtle.setup(800,600)需要说明的是，使用turtle库实现图形化界面时setup()函数并不是必须的，如果程序中没有调用setup()函数，程序执行时会生成一个默认窗口。另外，通过turtle库的title()函数可以为窗口设置标题，如此每次打开的窗口左上角都会显示指定的标题。7.3.1

创建图形窗口使用turtle库绘制图形完毕后，应调用turtle库的done()函数通知图形窗口绘制结束，不过图形窗口仍然处于打开状态，直到用户手动关闭图形窗口时才会退出，示例如下：importturtleturtle.setup(800,600)#创建图形窗口turtle.done()#绘制结束7.3.2

设置画笔1.设置画笔属性的相关函数turtle库中用于设置画笔属性的函数主要有3个，语法格式如下。pensize(<width>) #设置画笔尺寸speed(speed) #设置画笔移动的速度color(color) #设置画笔颜色7.3.2

设置画笔（1）pensize()函数参数width表示画笔的尺寸，即画笔绘制出线条的宽度，若该参数为空，则pensize()函数返回画笔当前的尺寸。（2）speed()函数参数speed表示画笔移动的速度，该参数的取值为0~10的整数，包括0和10在内，整数越大，速度越快。1.设置画笔属性的相关函数7.3.2

设置画笔（3）color()函数color()函数的参数color表示画笔的颜色，该参数的值有以下几种表示方式：字符串。例如red、orange、yellow、green等。RGB颜色。这种表示方式又分为RGB整数值和RGB小数值两种，RGB整数值如(255,255,255)、(190,213,98)，RGB小数值如(1,1,1)、(0.65,0.7,0.9)。十六进制颜色，如#FFFFFF、#0060F6。1.设置画笔属性的相关函数7.3.2

设置画笔颜色字符串RGB整数值RGB小数值十六进制白色white(255,255,255)(1,1,1)#FFFFFF黄色yellow(255,255,0)(1,1,0)#FFFF00洋红magenta(255,0,255)(1,0,1)#FF00FF青色cyan(0,255,255)(0,1,1)#00FFFF蓝色blue(0,0,255)(0,0,1)#0000FF黑色black(0,0,0)(0,0,0)#000000海贝色seashell(255,245,238)(1,0.96,0.93)#FFF5EE金色gold(255,215,0)(1,0.84.0)#FFD700粉红色pink(255,192,203)(1,0.75,0.80)#FFC0CB棕色brown(165,42,42)(0.65,0.16,0.16)#A22A2A紫色purple(160,32,240)(0.63,0.13,0.94)#A020F0番茄色tomato(255,99,71)(1,0.39,0.28)#FF6347常见颜色的表现形式1.设置画笔属性的相关函数7.3.2

设置画笔设置画笔颜色的示例代码如下。importturtleturtle.color('pink')#使用字符串方式表示的颜色turtle.color('#A22A2A')#使用十六进制方式表示的颜色turtle.colormode(1.0) #使RGB小数值模式turtle.color((1,1,0))turtle.colormode(255) #使用RGB整数值模式turtle.color((165,42,42))turtle.done()1.设置画笔属性的相关函数7.3.2

设置画笔2.设置画笔状态的相关函数turtle库中的画笔分为提起（UP）和放下（DOWN）两种状态。只有画笔为放下状态时，移动画笔，画布上才会留下痕迹。使用penup()和pendown()函数可以设置画笔状态，示例如下：importturtleturtle.penup() #提起画笔turtle.pendown() #放下画笔turtle.done()7.3.3

绘制图形在画笔状态为放下时，通过移动画笔可以在画布上绘制图形。此时可以将画笔想象成一只海龟：海龟落在画布上，它可以向前、向后、向左、向右移动，海龟爬动时在画布上留下痕迹，痕迹即为所绘图形。7.3.3

绘制图形为了使图形出现在理想的位置，需要了解turtle的坐标体系。turtle的坐标体系以窗口中心为原点，右方为默认朝向，原点右侧为x轴正方向，原点上方为y轴正方向。7.3.3

绘制图形1.移动控制函数移动控制函数包括forward()、backward()和goto()函数，分别用于控制画笔向前、向后或者向指定位置移动，这些函数的语法格式如下。forward(distance) #向前移动backward(distance) #向后移动goto(x,y=None) #移动到指定位置函数forward()和backward()的参数distance用于指定画笔移动的距离，单位为像素；函数goto()的参数x、y分别表示目标位置的横坐标和纵坐标。7.3.3

绘制图形2.角度控制函数角度控制函数用于更改画笔朝向，包括right()、left()和seth()，这些函数的语法格式如下。right(degree) #向右转动left(degree) #向左转动seth(angle) #向某个方向转动函数right()和left()的参数degree用于指定画笔向右与向左的角度。7.3.3

绘制图形函数seth()的参数angle用于设置画笔在坐标系中的角度。angle以x轴正向为0°，以逆时针方向为正，角度从0°逐渐增大；以顺时针方向为负，角度从0°逐渐减小，角度与坐标系的关系如图所示。2.角度控制函数7.3.3

绘制图形例如，绘制边长为200像素的正方形，具体代码如下。importturtleturtle.forward(200) #向前移动200像素turtle.seth(-90) #调整画笔朝向，使画笔朝向-90°方向turtle.forward(200) #向前移动200像素turtle.right(90) #调整画笔朝向，向右转动90°turtle.forward(200) #向前移动200像素turtle.left(-90) #调整画笔朝向，向左转动-90°turtle.forward(200) #向前移动200像素turtle.right(90) #调整画笔朝向，向右转动90°turtle.done()2.角度控制函数7.3.3

绘制图形3.图形绘制函数turtle库中提供了circle()函数，使用该函数可绘制以当前坐标为圆心，以指定像素值为半径的圆或弧。circle()函数的语法格式如下。circle(radius,extent=None,steps=None)参数radius用于设置半径；extent用于设置弧的角度。7.3.3

绘制图形3.图形绘制函数radius和extent的取值可以是正数，也可以是负数，具体可以分成以下几种情况：当radius为正数时，画笔以原点为起点向上绘制弧线；radius为负数时，画笔以原点为起点向下绘制弧线。当extent为正数时，画笔以原点为起点向右绘制弧线；extent为负数时，画笔以原点为起点向左绘制弧线。7.3.3

绘制图形3.图形绘制函数假设绘制半径为90或-90、角度为60°或-60°的弧线，绘制效果如图所示。7.3.3

绘制图形3.图形绘制函数参数steps用于设置步长，它的取值可以是整数或None。默认值为None，表示该参数无效。若参数steps的值为正数，则使用circle()函数可以绘制一个有N条边的正多边形；若参数steps的值为负数，则使用circle()函数不会绘制图形。实例：绘制几何图形7.47.4实例：绘制几何图形本实例要求编写程序，借助turtle库绘制一些几何图形，效果如图所示。7.4实例：绘制几何图形这里以正三角形为例，分析每个图形的具体绘制过程，具体内容如下。（1）移动画笔的位置。（2）绘制图形。时期时间工具：time库7.57.5

时期时间工具：time库1.

time()函数time()函数用于返回一个浮点数表示的时间戳，其中时间戳是指从世界标准时间的1970年1月1日00:00:00到当前时间的总秒数。例如，使用time()函数获取当前时间的时间戳，示例如下：importtimeprint(time.time())需要注意的是，time()函数返回的时间戳与系统时间相关，每次运行以上代码后得到的时间戳可能会有所出入，因此以上结果仅作参考。同样地，后续提到的与时间相关的函数，也需要格外关注其与系统时间的关联性，以获得更加准确的结果。7.5

时期时间工具：time库2.localtime()和gmtime()函数localtime()和gmtime()，用于获取结构化时间，从而帮助我们更直观地了解时间的各个部分。localtime()和gmtime()函数的语法格式如下：localtime([secs])gmtime([secs])localtime()和gmtime()函数都能将时间戳转换为以元组表示的时间对象（struct_time），不过localtime()得到的是本地时间，而gmtime()得到的是世界统一时间（UniversalTimeCoordinated，缩写为UTC）。7.5

时期时间工具：time库使用localtime()函数获取结构化时间，示例如下：importtimeprint(time.localtime())#获取结构化时间，默认使用当前时间的时间戳print(time.localtime(36.36))#获取结构化时间，使用指定的时间戳使用gmtime()函数获取结构化时间，示例如下：importtimeprint(time.gmtime())print(time.gmtime(34.54))2.localtime()和gmtime()函数7.5

时期时间工具：time库元素含义取值tm_year年4位数字tm_mon月1~12tm_mday日1~31tm_hour时0~23tm_min分0~59tm_sec秒0~61，60或61是闰秒tm_wday一周的第几日0~6，0为周一，其他数字依此类推tm_yday一年的第几日1~366tm_isdst夏令时1表示夏令时，0表示非夏令时，-1表示不确定时间对象元组中元素的含义与取值

2.localtime()和gmtime()函数7.5

时期时间工具：time库3.strftime()和asctime()函数（1）strftime()函数用于将时间对象按照指定格式转换为可读性强的时间字符串，该函数的语法格式如下：strftime(format,p_tuple=None)参数format表示时间格式的字符串，字符串中包含一些时间格式控制符；参数p_tuple为时间对象，默认值为当前时间，即localtime()函数返回的时间对象。7.5

时期时间工具：time库（1）strftime()函数时间格式控制符是time库预定义的，用于控制不同时间或时间成分，time库中常用的时间格式控制符及其功能说明如表所示。时间格式控制符功能说明%Y四位数的年份，取值范围为0001～9999%m月份，取值范围为01～12%d月中的一天%B本地完整的月份名称，比如January%b本地简化的月份名称，比如Jan%a本地简化的周日期%A本地完整周日期%H24小时制小时数，取值范围为0～23%l12小时制小时数，取值范围为01～12%p上午或下午，取值分别为AM或PM%M分钟数，取值范围为00～59%S秒，取值范围为00～593.strftime()和asctime()函数7.5

时期时间工具：time库（1）strftime()函数例如，使用strftime()格式化时间字符串，将当前时间对应的时间对象按照“年-月-日时:分:秒”格式输出，示例如下：importtimenow_string=time.strftime("%Y-%m-%d%H:%M:%S")print(now_string)3.strftime()和asctime()函数7.5

时期时间工具：time库（1）strftime()函数若只使用部分时间格式控制符，可仅对时间信息中的相关部分进行格式化与输出。例如只设定控制时分秒的3个格式符，则只输出24小时制的时分秒，示例代码如下：importtimenow_string=time.strftime('%H:%M:%S')#格式化部分时间信息print(now_string)3.strftime()和asctime()函数7.5

时期时间工具：time库（2）asctime()函数asctime()函数同样用于将时间对象转换为可读性强的时间字符串，但它只能转换为“SatJan1321:56:342018”这种形式。asctime()函数的语法格式如下：asctime(p_tuple=None)3.strftime()和asctime()函数7.5

时期时间工具：time库（2）asctime()函数使用asctime()函数返回格式化的时间字符串，示例如下：importtimenow_string=time.asctime()#将本地时间对应的时间对象转换为时间字符串print(now_string)gmtime=time.gmtime()#将世界统一时间对应的时间对象转换为时间字符串print(time.asctime(gmtime))3.strftime()和asctime()函数7.5

时期时间工具：time库4.

ctime()函数ctime()函数用于将一个时间戳转换为“SatJan1321:56:342018”这种形式的时间字符串，结果等同于time.asctime()函数，若ctime()函数没有传入任何参数，则默认使用time()函数的结果作为参数。示例如下：importtimeprint(time.ctime())#将当前时间的时间戳转换为时间字符串print(time.ctime(36.36))#将指定的时间戳转换为时间字符串7.5

时期时间工具：time库5.

strptime()函数strptime()函数用于将格式化的时间字符串转化为时间对象，该函数是strftime()函数的反向操作。strptime()函数的语法格式如下：strptime(string,format)使用strptime()函数将格式化的时间字符串转化为时间对象，示例如下：importtimeprint(time.strptime('Sat,11Apr202311:54:42','%a,%d%b%Y%H:%M:%S'))print(time.strptime('11:54:42','%H:%M:%S'))7.5

时期时间工具：time库6.

sleep()函数sleep()函数用于让程序进入睡眠状态，使程序暂时挂起，等待一定时间后再继续执行。sleep()函数接收一个以秒为单位的浮点数作为参数，使用该参数控制程序挂起的时长。例如，使用sleep()函数让程序睡眠3秒，代码如下：importtimeprint('开始')time.sleep(3)print('结束')实例：二十四节气倒计时7.6本实例要求运用前面所学的知识，编写一个二十四节气倒计时程序，整个程序主要分为引导语和倒计时两部分，引导语部分用于展示中文和英文的引导语，倒计时部分用于展示倒计时数字、某个节气的名称以及的古诗词，每隔一秒会切换到下一个节气的名称以及对应的古诗词。7.6实例：二十四节气倒计时引导语与倒计时的效果如图所示。7.6实例：二十四节气倒计时本实例的实现思路可以分成以下步骤：1.

展示引导语2.

展示倒计时（1）准备二十四节气用到的数据。（2）绘制倒计时画面。（3）实现倒计时的功能。7.6实例：二十四节气倒计时中文分词工具：jieba库7.77.7中文分词工具：jieba库jieba是一款用于实现中文分词的第三方库。中文分词指的是将中文语句或语段拆成若干汉语词汇。例如，“我是一个学生”经分词系统处理之后，该语句被分成“我”“是”“一个”“学生”这4个中文词汇。jieba库支持以下三种分词模式。（1）精确模式：试图将句子最精准地切开。（2）全模式：将句子中所有可以成词的词语都扫描出来，速度非常快。（3）搜索引擎模式：在精确模式的基础上对长词再次切分，适用于建立搜索引擎的索引。7.7中文分词工具：jieba库函数功能说明cut(s)以精准模式对文本s进行分词，返回一个可迭代对象cut(s,cut_all=True)默认以全模式对文本s进行分词，返回文本s中出现的所有词cut_for_search(s)以搜索引擎模式对文本s进行分词lcut(s)以精准模式对文本s进行分词，分词结果以列表形式返回lcut(s,cut_all=True)以全模式对文本s进行分词，分词结果以列表形式返回lcut_for_search(s)以搜索引擎模式对文本s进行分词，分词结果以列表形式返回jieba库的分词函数7.7中文分词工具：jieba库下面演示采用三种模式对中文语句进行分词的效果，示例如下：importjiebaseg_list=jieba.cut("我打算到中国科学研究院图书馆学习",cut_all=True)print("【全模式】:"+"/".join(seg_list))#全模式seg_list=jieba.lcut("我打算到中国科学研究院图书馆学习")print("【精确模式】:"+"/".join(seg_list))#精确模式#搜索引擎模式seg_list=jieba.cut_for_search("我打算到中国科学研究院图书馆学习")print("【搜索引擎模式】:"+",".join(seg_list))7.7中文分词工具：jieba库jieba实现分词的基础是词库，jieba的词库存储在jieba库下的dict文件中，该文件中存储了中文词库以及每个词的词频、词性等信息。利用jieba库的add_word()函数可以向词库中增加新词。新词添加之后，进行分词时不会对该词进行切分。例如：jieba.add_word("好天气")#向词库增加新词seg_list=jieba.lcut("今天真是个好天气")print(seg_list)多学一招：安装第三方库第三方库不能直接在程序中导入与使用，而是需要提前安装到当前的开发环境中。第三方库的安装需要借助pip工具，pip工具是一个通用的Python

包或库的管理工具，它提供了查找、下载、安装、卸载Python包或库的功能。默认情况下，安装Python解释器时会自动安装pip工具。多学一招：安装第三方库使用pip工具安装库的命令如下。pipinstall库名

#安装最新版本的库pipinstall库名==版本号#安装指定版本的库

例如，打开命令行工具，安装最新版本的jieba和wordcloud库，具体命令如下。pipinstalljieba#安装最新版本的jieba库pipinstallwordcloud#安装最新版本的wordcloud库多学一招：安装第三方库如果想验证开发环境中是否有这两个库，那么可以在命令行窗口中输入piplist命令进行查看。例如，使用piplist命令查看当前开发环境中已经安装的库，命令及执行结果如下所示。C:\Users\itcast>piplistPackageVersion----------------------……jieba 0.42.1wordcloud 1.8.1多学一招：安装第三方库需要注意的是，pip是在线工具，它只有在联网的状态下才可以下载相应的库资源，若网络未连接或网络环境不佳，则pip工具将无法顺利安装第三方库。实例：出场人物统计7.87.8

实例：出场人物统计《西游记》是我国古代第一部浪漫主义章回体长篇神魔小说，也是我国古典四大名著之一。全书主要描写了孙悟空、唐僧、猪八戒、沙僧和白龙马一同西行取经，历经九九八十一难到达西天见到如来佛祖，最终五圣成真的故事。《西游记》篇幅巨大、出场人物繁多。7.8

实例：出场人物统计本实例要求读者编写程序，读取xiyouji.txt文件并统计《西游记》小说中的关键人物（指出场次数排在前10名的人物的出场次数。7.8

实例：出场人物统计本实例的实现思路可以分为以下步骤：（1）获取小说的全部内容（2）统计中文词语及数量（3）删除无意义的词语（4）输出中文词语及数量词云工具：WordCloud库7.97.9词云工具：WordCloud库WordCloud是Python的第三方库之一，专门用于生成词云图。词云图是一种可视化方式，可以将文本中出现频率高的关键词制作成不同形状的图形，例如云朵、圆形、矩形、心形、星形等。在生成词云图的过程中，通常会根据词频自动调整每个词的大小，让词频高的词汇展示的更大，词频低的展示的较小，使人们更加直观地了解文本的主题和重点。WordCloud库以文本中词语出现的频率作为参数来绘制词云图，并支持对词云图的形状、颜色和大小等属性进行设置。利用WordCloud库生成词云图主要包含以下三个步骤：（1）利用WordCloud()方法创建词云对象。（2）利用WordCloud对象的generate()方法加载词云图用到的文本。（3）利用WordCloud对象的to_file()方法生成词云图。7.9词云工具：WordCloud库参数功能说明width指定词云对象生成图片的宽度，默认为400像素height指定词云对象生成图片的高度，默认为200像素min_font_size指定词云中字体的最小字号，默认为4号max_font_size指定词云中字体的最大字号，默认根据高度自动调节font_step指定词云中字体字号的步间隔，默认为1WordCloud()方法在创建词云对象时可通过参数设置词云的属性。WordCloud()方法的常用参数

7.9词云工具：WordCloud库参数功能说明font_path指定字体文件的路径，默认为当前路径max_words指定词云显示的最大单词数量，默认为200stop_words指定词云的排除词列表，即不显示的单词列表background_color指定词云图片的背景颜色，默认为黑色mask指定词云形状，默认为长方形WordCloud()方法在创建词云对象时可通过参数设置词云的属性。WordCloud()方法的常用参数

7.9词云工具：WordCloud库generate()方法需要接收一个字符串作为参数，字符串中的内容便是词云图用到的文本。若字符串中的内容全部为汉字，那么在创建词云对象时必须通过font_path参数指定字体文件的路径，不指定的话将无法正常显示汉字。7.9词云工具：WordCloud库to_file()方法用于以图片形式输出词云图，该方法接收一个表示图片文件名的字符串作为参数，图片的格式可以为PNG或JPEG格式。7.9词云工具：WordCloud库以xiyouji.txt文件和孙悟空图片wukong.png为例，演示如何通过wordcloud库生成其他形状的词云图片，代码如下：

importwordcloud#创建词云对象w=wordcloud.WordCloud(font_path='AdobeHeitiStd-Regular.otf',max_