Python案例1：安装和使用面向科学计算的Anaconda

文/江红  本文来源《Python程序设计与算法基础教程（第2版）-微课版》

本案例通过安装和使用Anaconda，帮助读者了解其它常用Python运行环境。

Anaconda是Python的一个开源发行版本，主要面向科学计算。Anaconda附带了conda（包管理器）、Python和150多个科学包及其依赖项。使用Anaconda，无需花费大量时间安装众多的第三方Python包，可以立即开始处理数据。

安装Anaconda后，就相当于安装了Python、IPython、集成开发环境Spyder以及一些常用的科学计算包。

CS1.1 安装和使用面向科学计算的Anaconda

如果计算机上已经安装了Python，安装Anaconda不会有任何影响。实际上，脚本和程序使用的默认Python是Anaconda附带的Python。

【例CS.1】下载和安装Anaconda应用程序。

（1）打开Anaconda官网下载页面（网址为https://www.anaconda.com/download/）。如图CS-1所示。注意：如果网速太慢，也可以从国内清华大学开源软件镜像站（https://mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/anaconda/archive/）中去下载Anaconda3-5.2.0-Windows-x86_64.exe（位于页面最底部）。

                      图CS-1  下载Anaconda

（2）下载Anaconda安装程序。单击图CS-1中的（Windows图标）超链接，以下载目前最新版本Windows版本的安装程序Anaconda3-5.2.0-Windows-x86_64.exe（64位版本，Python3.6，631M）。

（3）以管理员身份运行Anaconda安装程序。鼠标右击Anaconda3-5.2.0-Windows-x86_64.exe，选择“以管理员身份运行”，打开安装程序向导。

（4）安装Anaconda应用程序。在“用户账户控制”对话框中，单击“是”按钮。然后根据安装向导，按照默认选项，安装Anaconda应用程序。

安装好Anaconda应用程序之后，Windows开始菜单包括如图CS-2所示的菜单：

图CS-2  安装好Anaconda之后的Windows开始菜单

其中Anaconda Prompt是设置了Anaconda路径环境变量的命令提示行，建议相关命令行操作在该命令行窗口中运行。

在Anaconda Prompt窗口中输入python、ipython、spyder、jupyter notebook等命令，分别进入python交互命令行、ipython交互命令行、spyder IDE、启动Web端的ipython notebook。也可以使用conda命令行配置Anaconda。

CS1.2 使用conda管理Anaconda

Anaconda中包含了环境管理器和包管理器conda，可以方便在计算机上为不同的项目建立不同的运行环境（环境是特定Python版本及相关版本包的集合），以及管理特定环境下的包（包括安装、卸载和更新包）。其命令行的基本语法如下：

（1）查看conda的版本。

conda--version 或 conda -V

（2）查看conda的帮助信息。

conda–help 或 conda –h

（3）修改修改其包管理镜像为国内源。

condaconfig --add channels https://mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/anaconda/pkgs/free/

condaconfig --set show_channel_urls yes

（4）更新conda。

condaupdate conda

（5）创建环境（创建名为env_name的环境，并安装包package_names）。

condacreate -n env_name package_names

例如，创建名为py3的环境，并安装最新版本的Python 3：

condacreate -n py3 python=3

（6）列出创建的环境

condaenv list

（7）删除环境。

condaenv remove -n env_name

（8）共享环境。

先把当前环境输出到一个文件，然后通过update参数设置共享环境：

condaenv export > py3.yaml

condaenv update -f=py3.yaml

（9）进入环境。

activateenv_name

（10）离开环境。

deactivate

（11）查看当前环境中的包列表。

condalist

（12）查看可用包版本信息。

condasearch beautifulsoup4

（13）安装包。

condainstall package_names

例如，安装numpy和pandas的最新版本：

condainstall numpy pandas

例如，安装beautifulsoup4的4.60版本：

condainstall beautifulsoup4=4.6.0

（15）更新安装包（例如，更新SomeProject到最新版本）。

condaupdate package_name

（16）卸载包（例如，更新SomeProject到最新版本）。

condaremove package_names

【例CS.2】创建、查看环境及其安装包的列表。

（1）执行Windows菜单命令“开始”|“所有应用”|Anaconda3(64-bit)|Anaconda Prompt，打开Anaconda命令行窗口。如图CS-3所示。其中，“(base)”表示当前环境。

图CS-3  打开Anaconda命令行窗口

（2）创建环境py3。输入命令：conda create -n py3。

（3）查看环境列表。输入命令：condaenv list。如图CS-4所示。其中，*表示当前环境为base。

图CS-4  查看环境列表

（4）查看当前环境的安装包列表。输入命令：condalist。如图CS-5所示。

图CS-5  查看当前环境的安装包列表

CS1.3  使用IPython进行交互式科学计算

IPython是一个基于Python Shell的交互式解释器，比默认Shell增加了强大的编辑和交互功能，主要包括：Tab键自动补全、获得对象信息、调用系统Shell命令、历史记录等。

IPython还提供了功能强大、内建的Magic函数：任何第一个字母为%的行视为Magic函数的特殊调用，可以控制IPython，为其增加许多系统功能。

【例CS.3】IPython使用示例。

（1）打开IPython。执行Windows菜单命令 “开始”|“所有应用”|Anaconda3(64-bit)|Anaconda Prompt，打开Anaconda命令行窗口。输入命令ipython，打开IPython命令行交互界面；或者输入命令“jupyter qtconsole”（以前的命令“ipython qtconsole”已被淘汰），进入IPython图形交互界面。

（2）Tab键自动补全。输入'abc'，按Tab键，显示可用字符串对象的所有方法。按Tab键或者上下方向键选择，按回车键确认。如图CS-6所示。

图CS-6  Tab键自动补全

（3）获取对象信息。在名称的前面或者后面加上一个问号“?”，可以显示有关该对象的一些通用信息（对象的内省）；在名称的前面或者后面加上两个问号“??”，可以直接显示源代码。使用通配符可以列出所有匹配的名称。示例如图CS-7所示。

图CS-7  获取对象信息

（4）调用系统命令。在命令前加感叹号“!”，可以调用操作系统命令。示例如图CS-8所示。

图CS-8  调用系统命令

（5）历史记录。在交互会话中，输入历史和输出历史被保存在In和Out变量中，并使用序号进行索引，例如，Ins[1]、Out[1]等。_、__、___以及_i、_ii、_iii变量保存着最后三个输出和输入对象。_n和_in（n表示具体的数字，例如_1、_i1）变量保存第n个输出和输入的历史命令。使用快捷键Ctrl+p（Previous）和Ctrl+n（Next），可以调用上一条或者下一条历史命令。使用Ctrl+r可以查找历史命令。

（5）历史记录列表和调用。使用hist -n命令可以查看历史命令记录列表。使用%rerun、%recall可以重新执行或者调用历史记录命令。

【例CS.4】IPython Magic函数使用示例。

（1）打开IPython。

（2）查看Magic函数列表。输入“%lsmagic”，可以查看Magic函数列表。结果如图CS-9所示：

图CS-9  查看Magic函数列表

（3）使用%timeit命令快速测量代码运行时间。示例如图CS-10所示：

图CS-10  使用%timeit命令快速测量代码运行时间

（4）使用%run命令运行脚本。示例如图CS-11所示：

图CS-11  使用使用%run命令运行脚本

（5）使用%pylab进行交互式计算。%pylab可以使得umpy和matplotlib中的科学计算功能生效（支持基于向量和矩阵的高效操作、交互可视化），从而可以在控制台进行交互式计算和动态绘图。示例如图CS-12和图CS-13所示：

图CS-12  使用%pylab进行交互式计算

图CS-13  使用%pylab在控制台动态绘图结果

CS1.4 使用集成开发环境Spyder

Spyder是使用Python进行科学计算和编程的开源集成开发环境，其界面与Matlab的“工作空间”相似。

【例CS.5】Spyder使用示例。

（1）打开Spyder。执行Windows菜单命令“开始”|“所有应用”|Anaconda3(64-bit)|Spyder，打开Spyder窗口。如图CS-14所示。

图CS-14  Spyder窗口

（2）创建项目。通过菜单命令Projects | New Project，打开“Create new project”对话框，输入项目名称，选择项目位置，单击“Create”创建项目。如图CS-15所示。

图CS-15  创建Spyder项目

（3）新建模块文件。按快捷键【Ctrl+N】或者菜单命令File |New file新建模块文件untiled1.py（默认文件名，保存时可以指定文件名）。

（4）使用代码提示（Tab键）输入和编辑代码。Spyder提供代码提示功能，输入名称的前几个字母后，按Tab键，可以弹出代码提示框。如图CS-16所示。

图CS-16  使用代码提示输入和编辑代码

（5）运行和调试程序。输入如图CS-7中所示代码，按快捷键【Ctrl+S】将程序保存为np.plt.py。按快捷键【F5】运行程序，结果如图CS-17所示。

图CS-17  程序运行结果

（6）使用“Variable explorer”查看变量。运行程序后，可以在如图CS-17右上部的“Variableexplorer”面板中查看其变量。双击变量x，查看其运行结果，如图CS-18所示。

图CS-18  查看变量x运行结果

（7）调试程序。在程序编辑窗口的代码左侧双击可以设置断点。按快捷键【Ctrl+F5】可以调试运行程序。另外，运行程序结束后，在右侧的IPython Console面板中，可以输入代码，进一步在当前程序变量环境中运行代码。

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