Python进阶与常用库：探索高效编程的奥秘

一、文件与目录操作：`os`模块

os模块是Python标准库中用于与操作系统交互的核心工具，提供了丰富的文件和目录操作方法。通过os，开发者可以轻松实现文件路径处理、环境变量获取、目录管理等功能。

1.1 核心功能与方法

以下是os模块中常用的方法及其功能：

路径操作：
- os.path.abspath(path)：返回给定路径的绝对路径。例如，os.path.abspath('.')可以获取当前工作目录的完整路径。
- os.path.exists(path)：检查路径是否存在，返回布尔值。
- os.path.isfile(path) 和 os.path.isdir(path)：分别判断路径是否为文件或目录。
- os.path.join(*paths)：拼接路径，自动适配不同操作系统的路径分隔符，例如os.path.join("just", "do", "python")生成just/do/python（Linux）或just\do\python（Windows）。
文件属性：
- os.path.getatime(path)、os.path.getmtime(path)、os.path.getctime(path)：分别返回文件的最后访问时间、修改时间和创建时间（时间戳格式）。
- os.path.getsize(path)：获取文件大小（字节为单位）。
目录与文件管理：
- os.mkdir(dirname)：创建目录，目录已存在时会抛出异常。
- os.rmdir(dirname)：删除空目录。
- os.listdir(path)：列出指定目录下的所有文件和子目录。
- os.rename(src, dst)：重命名文件或目录。
- os.remove(path)：删除文件。
系统交互：
- os.system(command)：执行系统命令，如os.system('pwd')在Linux中打印当前工作目录。
- os.getcwd()：获取当前工作目录路径。
- os.environ：获取系统环境变量，如os.environ['PATH']。

1.2 应用示例：批量重命名文件

假设你有一个目录，包含多个文件，需要将所有.txt文件重命名为.bak后缀。以下是一个使用os模块的实现：

import os

def rename_txt_to_bak(directory):
    for filename in os.listdir(directory):
        if filename.endswith('.txt'):
            old_path = os.path.join(directory, filename)
            new_path = os.path.join(directory, filename.replace('.txt', '.bak'))
            os.rename(old_path, new_path)
            print(f'Renamed: {old_path} -> {new_path}')

# 示例调用
rename_txt_to_bak('./my_folder')

这个脚本通过os.listdir遍历目录，检查文件后缀并使用os.rename进行重命名，展示了os模块在文件管理中的强大能力。

二、数据加密与哈希：`hashlib`模块

hashlib模块提供了多种哈希算法（如MD5、SHA1、SHA256），用于数据加密、校验和安全验证。哈希算法将任意长度的数据映射为固定长度的摘要，常用于文件完整性校验、密码存储等场景。

2.1 常用哈希算法

MD5：快速但安全性较低，适用于文件校验。
SHA1：比MD5更安全，但仍不推荐用于高安全场景。
SHA256：更安全的算法，广泛用于现代应用。

2.2 示例：计算字符串和文件的哈希值

以下代码展示如何使用hashlib计算字符串和文件的MD5值：

import hashlib

# 计算字符串MD5
text = "hello".encode('utf-8')
md5_hash = hashlib.md5(text).hexdigest()
print(f"MD5 of 'hello': {md5_hash}")

# 计算文件MD5
def get_file_md5(filename):
    md5 = hashlib.md5()
    with open(filename, 'rb') as f:
        md5.update(f.read())
    return md5.hexdigest()

print(f"MD5 of 'example.txt': {get_file_md5('example.txt')}")

2.3 应用场景

文件完整性校验：在文件传输后，比较文件的MD5值以确保未被篡改。
密码存储：将用户密码哈希后存储，避免明文泄露（建议结合盐值和更安全的算法如bcrypt）。

三、数据编码：`base64`模块

base64模块用于将二进制数据编码为可打印的ASCII字符，常用于数据传输（如邮件附件）或存储。base64编码将二进制数据转换为由64个字符（A-Z、a-z、0-9、+、/）组成的字符串。

3.1 示例：编码与解码

import base64

# 编码
data = b'hello'
encoded = base64.b64encode(data)
print(f"Encoded: {encoded.decode()}")  # 输出：aGVsbG8=

# 解码
decoded = base64.b64decode(encoded)
print(f"Decoded: {decoded.decode()}")  # 输出：hello

3.2 应用场景

邮件附件：将图片或文件编码为Base64后嵌入邮件。
API数据传输：在JSON中传输二进制数据时，使用Base64编码。

四、日志记录：`logging`模块

logging模块是Python标准库中用于日志记录的强大工具，支持灵活的日志输出（控制台、文件等）和多种日志级别（DEBUG、INFO、WARNING、ERROR、CRITICAL）。

4.1 基本用法

以下是一个简单的日志记录示例：

import logging

# 配置日志
logging.basicConfig(
    level=logging.DEBUG,
    format='%(asctime)s - %(name)s - %(levelname)s - %(message)s',
    filename='app.log',
    filemode='a'
)

# 记录不同级别的日志
logging.debug('Debug message')
logging.info('Info message')
logging.warning('Warning message')
logging.error('Error message')
logging.critical('Critical message')

4.2 彩色日志：结合`colorlog`

通过colorlog库，可以为控制台日志添加颜色，提升可读性：

import logging
import colorlog

# 创建日志器
logger = logging.getLogger('my_app')
logger.setLevel(logging.DEBUG)

# 创建控制台处理器
handler = logging.StreamHandler()
handler.setLevel(logging.DEBUG)

# 设置彩色格式
formatter = colorlog.ColoredFormatter(
    "%(log_color)s%(levelname)s:%(name)s:%(message)s",
    log_colors=colorlog.default_log_colors
)
handler.setFormatter(formatter)
logger.addHandler(handler)

# 测试日志
logger.debug('Debug message')
logger.info('Info message')
logger.warning('Warning message')
logger.error('Error message')
logger.critical('Critical message')

4.3 应用场景

调试与监控：记录程序运行状态，便于排查问题。
生产环境：将日志写入文件，用于事后分析。

五、装饰器：增强函数功能

装饰器是Python中用于扩展函数行为的强大工具，允许在不修改原函数代码的情况下添加新功能。装饰器常用于日志记录、权限验证、性能分析等场景。

5.1 简单装饰器示例

以下是一个用于记录函数执行时间的装饰器：

import time
from functools import wraps

def timing_decorator(func):
    @wraps(func)
    def wrapper(*args, **kwargs):
        start = time.time()
        result = func(*args, **kwargs)
        end = time.time()
        print(f"{func.__name__} took {end - start:.2f} seconds")
        return result
    return wrapper

@timing_decorator
def slow_function(x, y):
    time.sleep(2)
    return x + y

print(slow_function(10, 20))  # 输出执行时间和结果

5.2 复杂示例：权限验证与日志记录

以下是一个结合权限验证和操作日志记录的装饰器示例：

from functools import wraps
from datetime import datetime

# 模拟用户数据库
users_db = {
    1: {"username": "zhangsan", "password": "zhangsan", "role": "admin"},
    2: {"username": "lisi", "password": "lisi", "role": "user"}
}

# 操作日志
operation_logs = []

# 权限验证装饰器
def require_admin(func):
    @wraps(func)
    def wrapper(user_id, *args, **kwargs):
        if users_db.get(user_id, {}).get("role") != "admin":
            print("Unauthorized access")
            return {"error": "Unauthorized access"}
        return func(user_id, *args, **kwargs)
    return wrapper

# 日志记录装饰器
def log_operation(func):
    @wraps(func)
    def wrapper(user_id, *args, **kwargs):
        result = func(user_id, *args, **kwargs)
        action_time = datetime.now().strftime("%Y-%m-%d %H:%M:%S")
        log_entry = {
            "user_id": user_id,
            "action_time": action_time,
            "action": f"Called {func.__name__} with args {args}, kwargs {kwargs}"
        }
        operation_logs.append(log_entry)
        print("Logged operation")
        return result
    return wrapper

@require_admin
@log_operation
def edit_user_info(user_id, new_email, new_username, new_password):
    print(f"Editing user {new_username} with email {new_email}")
    return {"status": "success"}

# 测试
print(edit_user_info(1, "new@admin.com", "newuser", "newpass"))  # 成功
print(edit_user_info(2, "new@admin.com", "newuser", "newpass"))  # 无权限
print(operation_logs)

六、系统交互与监控：`sys`和`psutil`

6.1 `sys`模块

sys模块提供了与Python解释器交互的功能，适用于获取系统信息或控制程序行为。

常用功能：
- sys.argv：获取命令行参数，sys.argv[0]为脚本路径。
- sys.version：获取Python解释器版本。
- sys.exit()：中断程序执行。

示例：获取命令行参数

import sys

print(f"Script name: {sys.argv[0]}")
if len(sys.argv) > 1:
    print(f"Arguments: {sys.argv[1:]}")

6.2 `psutil`模块

psutil是一个跨平台的系统监控库，可获取CPU、内存、磁盘、网络等信息，适用于性能分析和进程管理。

安装：pip install psutil
功能：监控系统资源、进程管理（如psutil.cpu_percent()、psutil.Process().memory_info()）。

示例：监控CPU使用率

import psutil

print(f"CPU Usage: {psutil.cpu_percent(interval=1)}%")
print(f"Memory Usage: {psutil.virtual_memory().percent}%")

七、时间处理：`time`模块

time模块用于处理时间相关操作，如获取时间戳、格式化日期等。

7.1 常用功能

time.time()：返回当前时间戳。
time.strftime(format, time_tuple)：格式化时间，如%Y-%m-%d %H:%M:%S。
time.mktime(time_tuple)：将格式化时间转换为时间戳。

示例：时间格式化

import time

# 当前时间
print(time.strftime("%Y-%m-%d %H:%M:%S", time.localtime()))

# 时间戳转格式化时间
timestamp = time.time()
print(time.strftime("%Y-%m-%d %H:%M:%S", time.localtime(timestamp)))

八、邮件发送：`smtplib`模块

smtplib模块用于发送邮件，支持SMTP协议。结合email模块，可以构造复杂的邮件内容。

8.1 示例：发送简单邮件

import smtplib
from email.mime.text import MIMEText
from email.header import Header

# 邮件服务器配置
mail_host = "smtp.163.com"
mail_user = "your_email@163.com"
mail_pass = "your_password"
sender = "your_email@163.com"
receivers = ["recipient@admin.com"]

# 创建邮件
message = MIMEText("Hello, this is a test email!", "plain", "utf-8")
message["From"] = Header("Python Bot", "utf-8")
message["To"] = Header("User", "utf-8")
message["Subject"] = Header("Test Email", "utf-8")

# 发送邮件
try:
    smtp_obj = smtplib.SMTP()
    smtp_obj.connect(mail_host, 25)
    smtp_obj.login(mail_user, mail_pass)
    smtp_obj.sendmail(sender, receivers, message.as_string())
    print("Email sent successfully")
except smtplib.SMTPException as e:
    print(f"Error: {e}")

九、高效数据结构：`collections`模块

collections模块提供了多种扩展数据结构，优化了内置容器（如dict、list）的性能和使用体验。

9.1 常用数据结构

namedtuple：创建带有命名字段的元组，便于访问。
deque：双端队列，支持高效的头尾操作。
Counter：统计元素出现次数。
defaultdict：为不存在的键提供默认值。
ChainMap：链式合并多个字典。

示例：使用Counter统计字符频率

from collections import Counter

text = "aaadminad67uyghijknm"
counter = Counter(text)
print(counter)  # 输出：Counter({'a': 4, 'd': 3, ...})
print(counter.most_common(2))  # 输出：[('a', 4), ('d', 3)]

十、终端美化：`rich`模块

rich是一个强大的终端美化库，支持彩色文本、表格、进度条和Markdown渲染。

安装：pip install rich
功能：彩色输出、表格、进度条、Markdown渲染等。

示例：创建进度条

from rich.progress import Progress
import time

with Progress() as progress:
    task = progress.add_task("Downloading...", total=100)
    for _ in range(100):
        progress.update(task, advance=1)
        time.sleep(0.1)

十一、数据库操作：`pymysql`与`sqlite3`

11.1 MySQL操作：`pymysql`

pymysql是Python操作MySQL数据库的常用库。

示例：创建表并插入数据

import pymysql

db = pymysql.connect(host='localhost', user='root', password='', database='python', port=3306)
cursor = db.cursor()

# 创建表
cursor.execute("DROP TABLE IF EXISTS users")
cursor.execute("""
    CREATE TABLE users (
        id INT NOT NULL,
        username CHAR(20),
        pwd CHAR(255)
    )
""")

# 插入数据
cursor.execute("INSERT INTO users (id, username, pwd) VALUES (111, 'zhangsan', 'zhangsan')")
db.commit()
db.close()

11.2 SQLite操作：`sqlite3`

sqlite3是Python内置的轻量级数据库模块，适合小型项目。

示例：创建表并查询数据

import sqlite3

conn = sqlite3.connect('test.db')
cursor = conn.cursor()

# 创建表
cursor.execute("DROP TABLE IF EXISTS users")
cursor.execute("""
    CREATE TABLE users (
        id INT NOT NULL,
        username CHAR(20),
        pwd CHAR(255)
    )
""")

# 插入数据
cursor.execute("INSERT INTO users (id, username, pwd) VALUES (111, 'zhangsan', 'zhangsan')")
conn.commit()

# 查询数据
cursor.execute("SELECT * FROM users")
for row in cursor.fetchall():
    print(row)
conn.close()

十二、调试利器：`pdb`模块

pdb是Python内置的调试工具，支持交互式调试、断点管理等。

12.1 调试方法

代码内调试：在代码中插入pdb.set_trace()。
命令行调试：运行python -m pdb script.py。
异常调试：捕获异常后调用pdb.post_mortem()。

示例：设置断点调试

import pdb

def add(a, b):
    pdb.set_trace()  # 设置断点
    return a + b

print(add(1, 2))

12.2 常用命令

n：执行下一行。
s：步入函数。
c：继续执行到下一个断点。
b <line>：设置断点。
p <variable>：查看变量值。