Python零基础入门（四）：函数与模块——让代码更简洁、复用性更强-优快云博客

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1. 引言

在《Python零基础入门（三）：掌握流程控制与条件判断-优快云博客》中，我们了解了如何使用条件判断和循环来控制程序的执行流程。然而在编程中，我们经常会遇到一些重复的任务，比如计算数字的和、做数学运算等。如果每次都写一遍相同的代码，程序会变得臃肿而难以维护。为了让我们的代码更加简洁、清晰且可复用，我们需要使用函数和模块。

函数可以将常用的代码组织成一个“工具”，当需要时，我们可以随时调用这个工具。
模块则是将相关的函数和变量组织成一个文件或文件夹，方便管理和调用。

2. 函数

2.1 函数的定义与使用

函数是程序设计中用来封装一段可重复使用的代码块。当我们需要执行某项操作时，只需要调用函数，省去了重复编写相同代码的麻烦。

在Python中，定义一个函数使用 def 关键字。函数可以接受参数并返回结果。

示例：定义一个简单的加法函数

def add(a, b):
    return a + b

result = add(3, 5)
print(result)  # 输出：8

解释：

def add(a, b):：这是定义函数的部分。add 是函数名，a 和 b 是函数的参数，我们将这两个参数传入函数，执行加法操作。
return a + b：return 用来返回函数的结果。这里，a + b 计算两个数字的和，并返回结果。
add(3, 5)：调用函数，传入 3 和 5 作为参数，返回值 8。

通过这个函数，我们可以避免每次都写 3 + 5，只需要调用 add(3, 5) 就可以得到结果。

2.2 参数与返回值

函数可以接受一个或多个参数，这些参数可以是任何数据类型。通过 return 语句，函数可以返回一个或多个结果。

示例：计算两个数字的乘积

def multiply(x, y):
    return x * y

result = multiply(4, 6)
print(result)  # 输出：24

解释：

multiply(x, y) 定义了一个接受两个参数 x 和 y 的函数，返回它们的乘积。

2.3 多个参数传递

我们可以在一个函数中传递多个参数，进行更加复杂的操作。

示例：计算两个数的和、差、积、商

def calculator(a, b):
    sum_result = a + b
    diff_result = a - b
    return sum_result, diff_result

sum_result, diff_result = calculator(8, 3)
print(f"和：{sum_result}, 差：{diff_result}")

解释：

return sum_result, diff_result：函数返回两个结果，分别是加法和减法的结果。返回多个值时，Python会自动将它们打包成一个元组。
sum_result, diff_result = calculator(8, 3)：通过多个变量接收函数返回的多个值。

2.4 默认参数

有时，我们可以给函数的参数设置默认值，这样在调用函数时如果没有传入参数，函数会使用默认值。

示例：计算一个数的平方，默认底数为2

def power(base, exponent=2):
    return base ** exponent

print(power(3))  # 输出：9  (默认指数为2)
print(power(3, 3))  # 输出：27 (指数为3)

解释：

exponent=2：给参数 exponent 设置默认值 2，如果调用时没有传入 exponent，就会使用默认值 2。
power(3) 使用默认指数2，power(3, 3) 使用传入的指数3。

2.5 返回多个值

函数可以返回多个值，返回的值会以元组的形式存储，可以一次性接收多个返回值。

示例：返回两个数字的和与差

def calculate(a, b):
    return a + b, a - b

sum, diff = calculate(8, 3)
print(f"和：{sum}, 差：{diff}")  # 输出：和：11, 差：5

解释：

函数 calculate 返回两个值：和与差。通过元组的方式返回，我们可以在调用时接收这两个值并分别使用。

3. 模块与包

3.1 什么是模块？

模块是一个包含Python代码的文件，可以是一个简单的 .py 文件，也可以是一个包含多个文件的文件夹。模块帮助我们将代码组织成多个单元，方便管理和复用。

3.2 导入模块

我们可以通过 import 语句导入模块，并使用模块中的函数、变量等。

示例：导入 math 模块并使用它计算平方根

import math
result = math.sqrt(16)  # 计算16的平方根
print(result)  # 输出：4.0

解释：

import math：导入Python内置的 math 模块。
math.sqrt(16)：使用 math 模块中的 sqrt() 函数计算16的平方根。

3.3 自定义模块

你可以将一组相关的函数放在一个 .py 文件中，形成一个模块。在主程序中，我们可以通过 import 语句导入这个模块，并使用其中的函数。

示例：创建一个 calculator.py 模块

# calculator.py 文件
def add(a, b):
    return a + b

def subtract(a, b):
    return a - b

def multiply(a, b):
    return a * b

def divide(a, b):
    if b != 0:
        return a / b
    else:
        return "除数不能为零"

然后，在主程序中导入并使用这个模块：

import calculator

a = 10
b = 5

print("加法结果：", calculator.add(a, b))
print("减法结果：", calculator.subtract(a, b))
print("乘法结果：", calculator.multiply(a, b))
print("除法结果：", calculator.divide(a, b))

解释：

我们将相关的数学运算封装到 calculator.py 模块中，然后在主程序中通过 import calculator 导入这个模块，调用其中的函数。

3.4 什么是包？

包是一个包含多个模块的文件夹。包帮助我们管理多个模块，尤其是在项目较大时，能够清晰地将功能划分到不同的模块中。

4. 函数与模块的实际应用

4.1 构建一个“温度转换器”模块

为了更好地理解函数和模块的应用，我们将使用函数来进行温度的转换，比如从摄氏度（Celsius）转换为华氏度（Fahrenheit），以及从华氏度转换为摄氏度。通过这个小项目，可以看到如何使用函数来封装不同的功能，并且如何将功能拆分到模块中，方便管理和调用。

4.1.1 创建模块

创建temperature_converter.py模块

# temperature_converter.py
def celsius_to_fahrenheit(celsius):
    """将摄氏度转换为华氏度"""
    return (celsius * 9/5) + 32

def fahrenheit_to_celsius(fahrenheit):
    """将华氏度转换为摄氏度"""
    return (fahrenheit - 32) * 5/9

解释：

celsius_to_fahrenheit(celsius)：这个函数接受摄氏度作为参数，将其转换为华氏度。
fahrenheit_to_celsius(fahrenheit)：这个函数接受华氏度作为参数，将其转换为摄氏度。

4.1.2 导入并使用模块

在主程序中导入并使用 temperature_converter.py 模块

# 主程序
import temperature_converter

# 用户输入温度
celsius = float(input("请输入摄氏度："))
fahrenheit = float(input("请输入华氏度："))

# 使用模块中的函数进行转换
fahrenheit_result = temperature_converter.celsius_to_fahrenheit(celsius)
celsius_result = temperature_converter.fahrenheit_to_celsius(fahrenheit)

# 输出结果
print(f"{celsius} 摄氏度 = {fahrenheit_result} 华氏度")
print(f"{fahrenheit} 华氏度 = {celsius_result} 摄氏度")

解释：

我们首先导入了 temperature_converter 模块，然后通过 celsius_to_fahrenheit 和 fahrenheit_to_celsius 函数分别进行摄氏度和华氏度的转换。
用户输入温度后，程序计算并输出转换结果。

好的！为了帮助学者更好地理解并完成练习，我会提供更具体的代码示例，以便他们在遇到困难时能够参考。以下是优化后的第5点，包括两个具体的练习代码示例：

5. 实践与练习

练习1. 计算最大公约数（GCD）

最大公约数（GCD）是指能够同时整除两个数的最大整数。一个常用的方法是使用欧几里得算法，它基于以下两个事实：

如果 a 除以 b 余数为 r，则 gcd(a, b) = gcd(b, r)。
如果 b 为0，那么 gcd(a, 0) = a。

示例代码：使用欧几里得算法计算最大公约数

def gcd(a, b):
    while b != 0:
        a, b = b, a % b
    return a

# 测试
num1 = 56
num2 = 98
result = gcd(num1, num2)
print(f"{num1} 和 {num2} 的最大公约数是：{result}")

解释：

while b != 0:：只要 b 不为0，就继续计算。
a, b = b, a % b：使用欧几里得算法，将 a 赋值为 b，b 赋值为 a % b（即 a 除以 b 的余数）。
return a：当 b 为0时，返回 a，即最大公约数。

练习2. 计算圆的面积和周长

圆的面积计算公式：

面积 = π * 半径²

圆的周长计算公式：

周长 = 2 * π * 半径

第一步：创建模块：创建一个自定义circle.py 模块，包含计算圆的面积和周长的函数

# circle.py
import math

def area(radius):
    return math.pi * radius ** 2  # π * 半径²

def circumference(radius):
    return 2 * math.pi * radius  # 2 * π * 半径

第二步：导入模块：在主程序中导入并使用 circle.py 模块

# 主程序
import circle

radius = 5

# 计算面积
circle_area = circle.area(radius)
print(f"半径为 {radius} 的圆的面积是：{circle_area}")

# 计算周长
circle_circumference = circle.circumference(radius)
print(f"半径为 {radius} 的圆的周长是：{circle_circumference}")

解释：

在 circle.py 模块中，area(radius) 计算圆的面积，circumference(radius) 计算圆的周长，使用了 math.pi 来获取圆周率。
在主程序中，我们导入了 circle 模块，传递半径值，分别调用 area 和 circumference 函数计算圆的面积和周长，并打印结果。