操作系統和系統相關的Python模塊

一、os模塊

Python的os模塊是操作系統相關的函數庫，可以實現操作系統的許多功能。常用的功能包括文件處理、進程管理、系統參數和環境變量等。

文件操作是os模塊最常用的功能之一。可以使用os模塊中的函數來創建、刪除、複製、移動文件或目錄等。例如，使用os模塊中的rename()函數可以重命名一個文件：

import os

os.rename('old.txt', 'new.txt')

進程管理是另一個常用的功能。可以使用os模塊中的函數來獲取系統資源和運行進程的信息。例如，使用os模塊中的getpid()函數可以獲取當前運行Python程序的進程ID：

import os

pid = os.getpid()
print('Current process ID:', pid)

系統參數和環境變量是操作系統中一些重要的配置信息。可以使用os模塊中的函數來獲取這些配置信息。例如，使用os模塊中的environ()函數可以獲取當前環境變量：

import os

env = os.environ
print('Environment variables:', env)

二、sys模塊

Python的sys模塊是與Python解釋器相關的函數庫，可以控制Python解釋器的行為。常用的功能包括命令行參數、標準輸入輸出和異常處理等。

命令行參數是指在運行Python程序時傳遞給程序的參數。可以使用sys模塊中的argv變量來獲取這些參數。例如，在命令行執行“python test.py arg1 arg2 arg3”時，可以使用以下代碼來獲取這些參數：

import sys

args = sys.argv
print('Command line arguments:', args)

標準輸入輸出是Python程序與命令行交互的主要方式。可以使用sys模塊中的stdin和stdout變量來控制標準輸入輸出。例如，在命令行中輸入文本時，可以使用以下代碼來獲取這些輸入：

import sys

input_data = sys.stdin.readline()
print('User input:', input_data)

異常處理是程序設計中非常重要的一部分，可以使用sys模塊中的相關函數來處理異常。例如，使用sys模塊中的exc_info()函數可以獲取當前異常的類型、值和跟蹤信息：

import sys

try:
    result = 1 / 0
except:
    exc_type, exc_value, exc_traceback = sys.exc_info()
    print('Exception type:', exc_type)
    print('Exception value:', exc_value)
    print('Traceback:', exc_traceback)

三、subprocess模塊

Python的subprocess模塊是一個強大的子進程管理模塊，可以方便地啟動和控制子進程。常用的功能包括執行外部命令、在不同的Shell環境中執行命令和管道操作等。

執行外部命令是subprocess模塊最常用的功能之一。可以使用subprocess模塊中的run()函數來執行外部命令，並獲取命令的輸出和返回值。例如，執行“ls -l”命令並獲取輸出結果：

import subprocess

result = subprocess.run(['ls', '-l'], stdout=subprocess.PIPE)
output = result.stdout.decode('utf-8')
print('Command output:', output)

管道操作是另一個常用的功能。可以使用subprocess模塊中的Popen()函數來啟動多個進程，並通過管道連接它們。例如，啟動一個進程來生成隨機數，並通過管道將輸出傳遞給另一個進程：

import subprocess

p1 = subprocess.Popen(['python', 'randint.py'], stdout=subprocess.PIPE)
p2 = subprocess.Popen(['python', 'sum.py'], stdin=p1.stdout, stdout=subprocess.PIPE)
output = p2.communicate()[0].decode('utf-8')
print('Command output:', output)

在不同的Shell環境中執行命令是另一個常用的功能。可以使用subprocess模塊中的shell參數來指定要執行命令的Shell環境。例如，執行“echo $HOME”命令並獲取輸出結果：

import subprocess

result = subprocess.run('echo $HOME', shell=True, stdout=subprocess.PIPE)
output = result.stdout.decode('utf-8')
print('Command output:', output)

四、threading模塊

Python的threading模塊是一個多線程管理模塊，可以方便地實現並發編程。常用的功能包括創建線程、線程同步和線程間通信等。

創建線程是threading模塊最基本的功能。可以使用threading模塊中的Thread類來創建線程，並指定要執行的函數。例如，創建一個簡單的線程：

import threading

def thread_func():
    print('Thread started')
    print('Thread finished')

t = threading.Thread(target=thread_func)
t.start()

線程同步是多線程編程中非常重要的一部分，可以使用threading模塊中的Lock類來實現線程同步。例如，創建一個共享變量，並在多個線程之間對它進行加鎖和解鎖：

import threading

total = 0
lock = threading.Lock()

def thread_func():
    global total
    with lock:
        for i in range(1000000):
            total += 1

threads = []
for i in range(10):
    t = threading.Thread(target=thread_func)
    threads.append(t)

for t in threads:
    t.start()

for t in threads:
    t.join()

print('Total:', total)

線程間通信是多線程編程中另一個重要的一部分，可以使用threading模塊中的Queue類來實現線程間通信。例如，創建一個隊列，並在兩個線程之間傳遞數據：

import queue
import threading

q = queue.Queue()

def producer_func():
    for i in range(10):
        q.put(i)

def consumer_func():
    while True:
        item = q.get()
        if item is None:
            break
        print(item)

threads = []
t1 = threading.Thread(target=producer_func)
t2 = threading.Thread(target=consumer_func)
threads.append(t1)
threads.append(t2)

for t in threads:
    t.start()

for t in threads:
    t.join()

q.put(None)

五、concurrent.futures模塊

Python的concurrent.futures模塊是一個高級的並發編程模塊，可以方便地實現異步編程和並行計算。常用的功能包括線程池、進程池和異步執行等。

線程池是concurrent.futures模塊中最基本的功能之一。可以使用concurrent.futures模塊中的ThreadPoolExecutor類來創建線程池，並在池中執行任務。例如，使用線程池計算斐波那契數列：

import concurrent.futures

def fib(n):
    if n < 2:
        return n
    return fib(n-1) + fib(n-2)

with concurrent.futures.ThreadPoolExecutor(max_workers=10) as executor:
    future_list = [executor.submit(fib, i) for i in range(10)]

for future in concurrent.futures.as_completed(future_list):
    print(future.result())

進程池是concurrent.futures模塊中另一個常用的功能。可以使用concurrent.futures模塊中的ProcessPoolExecutor類來創建進程池，並在池中執行任務。例如，使用進程池計算素數：

import concurrent.futures

def is_prime(n):
    if n <= 1:
        return False
    for i in range(2, n):
        if n % i == 0:
            return False
    return True

with concurrent.futures.ProcessPoolExecutor(max_workers=10) as executor:
    future_list = [executor.submit(is_prime, i) for i in range(100)]

for future in concurrent.futures.as_completed(future_list):
    if future.result():
        print(future.args[0], 'is prime')

異步執行是concurrent.futures模塊中另一個高級的功能。可以使用concurrent.futures模塊中的asyncio庫來實現非阻塞式的異步執行。例如，使用asyncio庫實現HTTP客戶端：

import asyncio

async def fetch_url(url):
    async with aiohttp.request('GET', url) as response:
        assert response.status == 200
        return await response.read()

async def main():
    urls = ['http://example.com', 'http://google.com', 'http://python.org']
    tasks = [fetch_url(url) for url in urls]
    completed, pending = await asyncio.wait(tasks)
    for task in completed:
        print(task.result())

loop = asyncio.get_event_loop()
loop.run_until_complete(main())

六、總結

本文介紹了Python中與操作系統和系統相關的四個模塊：os、sys、subprocess和threading。這些模塊提供了強大的功能，可以方便地實現文件操作、進程管理、系統參數和環境變量、命令行傳參、標準輸入輸出、異常處理、子進程管理、多線程編程、異步編程和並行計算等。