漫谈 module caching——PyCharm jupyter notebook 在导入模块被更新后无法及时同步问题

引子：问题的发现

近日笔者用 PyCharm 创建了一个项目时不经意间发现了这个问题：事情发生在调试 Jupyter Notebook 的过程中。当笔者修改了自己编写的某个库函数后，重新运行代码时却发现，Notebook 仍然调用的是修改前的旧版本库函数。经过查阅大量资料和反复测试，终于弄清楚，问题的根源在于 Python 自带的模块缓存机制。笔者也发现，国内资源中对于这一问题也没有过多详细的解释，因此决定写下此文，以供遇到相同问题的读者们参考，也欢迎大家提出建议。

何为 module caching

（这一部分可以在 PyCharm 中动手实验，本人所用版本为 2024.3 专业版。）

我们新建一个项目，其中创建两个文件：

```a.py```
def echo():
    print(1)

```b.ipynb```
from EM.a import echo
echo()

运行 b.ipynb, 如我们所料，程序正常输出了 1. 但假如我们改动 a.py 中函数的输出，将打印的 1 改为 2 并保存，照理来说重新运行 b.ipynb 应该会重新导入一遍这个新的函数吧？但实际运行发现，调用的函数仍然是老版本的，其输出为 1.
这便是所谓的，‘module caching’（模块缓存），即当 kernel 尚未重启时，重新运行所有的 cell 并不会从文件目录（硬盘）中再调用一遍改动后的模块函数。相反，系统会优先使用内存中已有的一份缓存副本。这种机制的设计极大地提高了模块调用的效率，因为避免了频繁的文件 I/O 操作。然而，也正是这个机制导致了上文中提到的模块未完全更新的问题，在此需要多多注意。经过笔者的反复搜寻，发现有这么两种解决方案：

1. 每次运行所有 cell 之前先重启 kernel
   其实如果读者熟悉浏览器形式的 jupyter notebook, 会发现工具栏的 >> 按钮和 PyCharm 含义有且仅有一点差别——jupyter notebook 上是 ‘restart the kernel and run all cells’, 而 PyCharm 上则只是 ‘run all cells’。虽然 PyCharm 自身也有 ‘restart kernel’ 的按钮，但如果不想按两次，可以点击右上角的浏览器图标，在浏览器中打开 .ipynb 文件。当然，由于笔者对 PyCharm 的 UI 并不是那么熟悉，如果有读者知道更改按钮设定 / 一次性快捷完成这两项操作的方法，欢迎在评论区留言分享。
2. 使用 importlib 中的 reload 函数
   当然，万能的 Python 总是能给我们提供奇妙的库函数来解决问题。这里用到的函数是 importlib 库中的 reload 函数，能够强制在同一进程下从硬盘中重新获取更新后的库文件，并在下一次调用时使用更新后的函数。具体操作方法如下：

   ```b.ipynb```
   from importlib import reload
   import EM.a
   reload(EM.a)	# 重新加载模块
   from EM.a import echo	# 加载后导入需要的函数
   echo()
   

见微知著：Python 中的缓存机制

事实上，上述所说的缓存机制只是 python 中的一种。而 python 的缓存按范围可以分为两类：单进程中的缓存机制和进程之间的缓存机制。虽然我们平时只需一下 Ctrl+F5 就能保存并重新运行一个 .py 文件，但前后两次运行是两个不同的进程。而到了 .ipynb 的 notebook 文件中，重新运行 cell 而不重启 kernel 实际上还是留在原来的老进程中（这点从我们在 cmd 输入 jupyter notebook 后只要不重启 kernel 命令行就不会断这一事实也不难看出）。这一分类下，其实我们刚才提到的缓存属于第一类。

• 单进程：具体来说，每当你在同一进程中使用 import 语句导入某个模块时，Python 不会重复加载该模块的内容，而是直接从全局字典（sys.modules）中获取对应的模块对象。这种设计不仅提升了运行效率，避免了重复的磁盘 I/O 操作，还确保了模块在进程中的状态得以持久化。
• 进程间：多个解释器进程加载相同的 Python 模块时，在第一次加载时，Python 会将 .py 源代码编译为包含字节码的 .pyc 文件。这一操作只需进行一次，因此后续的进程无需重新解析 .py 文件，加载速度会快上不少。这种机制在安装新库时尤为显著。例如，当我们使用工具安装一个 Python 库时，系统会自动生成 .pyc 文件，从而优化后续的模块调用效率。

参考链接

• https://stackoverflow.com/questions/2918898/prevent-python-from-caching-the-imported-modules
• https://stackoverflow.com/questions/29353600/ipython-notebook-caching-issue
• https://www.reddit.com/r/Python/comments/140c9z9/does_python_cache_package_imports/

---

欢迎关注我的博客！
Find me on GitHub: GitHub profile page
Gitee account (under construction): Gitee site
GitLab account (under construction): GitLab site
Also find me on Luogu：Luogu profile

欢迎大家关注我，在项目上与我协作哦！