08 · 常用模块（Standard Library）

📅 预计 60 分钟　|　⭐ 按考点掌握即可
✍️ 本讲配套练习：本地 python grader.py 08，或网页练习

Python 自带一套「家用工具箱」，import 就能用，这就是标准库。前面学的 print、len 是内置功能；今天的 math、random、json、datetime、re、collections 是工具箱里的常备工具。原则：别人造好的轮子别自己造。本讲 15 题，建议学一节练对应题。

8.1 导入方式

import 像从抽屉里拿工具，三种拿法：

import math                 # 整盒拿：用 math.sqrt(16)
from os import path         # 只拿一件：直接 path.join(...)
import random as r          # 起小名：r.randint(1, 100)

from collections import Counter 最常用——只拿要用的，代码更短。但注意命名冲突：自己定义了 sqrt 再 from math import sqrt，后者覆盖前者，全名导入最稳。

⚠️ 常见错误：import 时机
import 放文件顶部集中管理。别在函数内部 import——虽合法但每次调用重复加载。

8.2 math —— 随身计算器

math 就是计算器。** 能做乘方，但开方、取整、三角函数还得靠它：

import math
math.sqrt(16)          # 开平方 → 4.0（结果一定是 float）
math.pow(2, 10)        # 2 的 10 次方 → 1024.0
math.ceil(3.2)         # 向上取整 → 4（ceil 天花板）
math.floor(3.7)        # 向下取整 → 3（floor 地板）
math.hypot(3, 4)       # 直角边 3、4 的斜边 → 5.0
math.pi, math.e        # 圆周率、自然常数

ceil/floor 就是天花板/地板：快递费 2.01 按 3 元收是 ceil，跑 2.9 公里按 2 公里算是 floor。

练习： ex01（圆面积）、ex07（斜边）。

⚠️ 常见错误：float 干扰显示
sqrt 返回 float，f"{math.sqrt(16)}" 得到 4.0。判分对 float 有容差，展示时记得 round。

8.3 random —— 抽签盒

random 是抽签盒，做游戏、抽样都靠它。核心记住：它是伪随机——由种子（seed）决定，同一种子结果一样，因此可复现。

import random
random.random()               # [0,1) 浮点数
random.randint(1, 100)        # 1~100 整数，含两端 ⭐
random.choice(["a","b","c"])  # 随机抽一个
random.sample(range(100), 5)  # 不重复抽 5 个
random.shuffle(lst)           # 原地打乱（返回 None！）

random.seed(2026)             # 固定种子，之后结果可复现
random.randint(1, 6)          # 每次跑都一样

测试、判分时固定 seed 就能得到稳定输出。

练习： ex06（掷骰子，判分靠固定 seed）。

⚠️ 常见错误：随机不可测、shuffle 返回 None
① 随机输出不可预测，别写依赖随机结果的测试（除非固定 seed）。② shuffle 原地修改并返回 None，lst = random.shuffle(lst) 会把列表变成 None。③ 不重复抽用 sample，允许重复用 choices。

8.4 datetime —— 日历与闹钟

datetime 管时间。两个核心操作：格式化（时间变字符串）和解析（字符串变时间）。

from datetime import datetime, timedelta

now = datetime.now()                       # 当前时间
now.strftime("%Y-%m-%d %H:%M:%S")          # → '2026-08-02 09:50:00' ⭐
d = datetime(2027, 12, 25)                 # 构造具体时间
diff = d - now                             # 时间差 timedelta
diff.days                                  # 相差天数

格式串常见符：%Y 四位年、%m 月、%d 日、%H 时、%M 分、%S 秒。大小写敏感：%Y(年) vs %y(两位年)、%m(月) vs %M(分)。

t = datetime.strptime("2027-12-25", "%Y-%m-%d")   # 字符串→时间 ⭐
s = now.strftime("%Y年%m月%d日")                   # 时间→字符串 '2026年08月02日'

口诀：strptime 是 p 进 str 出，strftime 是 f 出 str。now + timedelta(days=7) 就是下周。

练习： ex04（日期差）。

⚠️ 常见错误：格式串大小写、strptime 严格匹配
① %m 是月、%M 是分钟，写错不报错但结果错。② strptime 要求字符串和格式串严格一致，多空格或 0 就 ValueError。③ 别把参数顺序记反，格式串永远在前。

8.5 collections —— 工具箱的升级配件

① Counter —— 计数器，统计次数一行顶十行：

from collections import Counter
c = Counter(["a","b","a","c","a","b"])   # Counter({'a': 3, 'b': 2, 'c': 1})
c.most_common(1)                         # [('a', 3)] ⭐

② defaultdict —— 带默认值的字典。普通字典访问不存在的键会 KeyError，它有"初始装备"：

from collections import defaultdict
c = defaultdict(int)                     # 默认值 0
for ch in "hello":
    c[ch] += 1                           # 键不存在也敢直接加
print(dict(c))                           # {'h': 1, 'e': 1, 'l': 2, 'o': 1}

defaultdict(list) 默认空列表，defaultdict(set) 默认空集合。

③ namedtuple —— 带名字的元组。普通元组 (3,4) 只能 p[0]、p[1]，命名元组能用名字取：

from collections import namedtuple
Point = namedtuple('Point', ['x', 'y'])
p = Point(3, 4)
p.x, p.y                                 # 3 4，比 p[0] 好读

仍是元组不可修改，适合坐标、成绩这类固定几项的数据。

④ deque —— 双端队列，两头快速进出，还有轮转 rotate：

from collections import deque
d = deque([1, 2, 3, 4, 5])
d.rotate(-2)                             # 整体左移 2 位
print(list(d))                           # [3, 4, 5, 1, 2] ⭐

rotate(2) 右移、rotate(-2) 左移。轮播、循环队列一行搞定。

练习： ex03（Counter）、ex09（defaultdict）、ex10（deque.rotate）、ex11（namedtuple）、ex15（defaultdict+排序）。

⚠️ 常见错误：defaultdict 传工厂函数、namedtuple 不可改
① defaultdict(int) 传工厂函数（不带括号），写 defaultdict(0) 会 TypeError。② namedtuple 不可变，p.x = 5 报 AttributeError，要改就重建。③ Counter 是字典子类，能比较、能加减。

8.6 json —— 快递打包与拆包

json 是程序间交换数据的标准快递箱。JSON 文本长得像 Python 字典，但它是纯字符串。

打包（Python → JSON 字符串）：json.dumps
拆包（JSON 字符串 → Python）：json.loads

import json
data = json.loads('{"title": "哪吒", "rate": 9.0}')   # → {'title': '哪吒', 'rate': 9.0}
s = json.dumps({'name': '哪吒', 'rate': 9.0}, ensure_ascii=False)
print(s)                            # → {"name": "哪吒", "rate": 9.0}

默认 json.dumps 会把中文转成 \uXXXX，写中文应用务必加 ensure_ascii=False。

练习： ex02（loads）、ex08（dumps）。

⚠️ 常见错误：中文变 \uXXXX、类型不支持
① 忘了 ensure_ascii=False，中文全变 \uXXXX。② JSON 只支持基本类型，set、datetime 直接 dumps 会 TypeError。③ loads 格式不合法抛 JSONDecodeError，解析外部数据要 try。

8.7 re —— 找规律

re 是"找规律"的终极工具：写一个模式，让程序按模式匹配文本，就像在电话簿里搜"所有 138 开头的 11 位号码"。

常用元字符：

元字符	含义	例子
`\d`	一个数字	`a1b` 匹配 `1`
`\w`	字母/数字/下划线	`a_1`
`\s`	空白	空格/Tab
`.`	任意一个字符	`a.c` 匹配 `abc`
`*`	前一个出现 0 次或多次	`a*` 匹配空/`a`/`aaa`
`+`	前一个出现 1 次或多次	`a+` 不匹配空
`?`	前一个出现 0 次或 1 次	`colou?r`
`{2,4}`	前一个出现 2~4 次	`\d{11}`
`^` `$`	开头 / 结尾	`^abc`、`xyz$`
`[a-z]`	字符集任一个	`[0-9]` 等价 `\d`

import re
re.findall(r"\d+", "a1b22c333")     # ['1', '22', '333'] 找所有 ⭐
re.search(r"\d+", "abc123")         # 找第一个，返回 match 对象
re.match(r"\d+", "123abc")          # 只匹配开头，开头不是数字则 None
re.sub(r"\d", "#", "a1b2")          # 替换 → 'a#b#'

分工：findall 找全部返回列表、search 找第一个、match 只匹配开头、sub 替换。字符串前加 r（原始字符串），否则 \d 被当转义符。

分组提取——括号圈出要留的部分：

m = re.search(r"(\w+)@\w+\.\w+", "contact: tom@example.com")
m.group(1)                          # 'tom' ⭐

手机号验证——fullmatch 要求整串匹配：

re.fullmatch(r"1\d{10}", "13812345678")   # 非 None 即合法

替换打码——保留前 3 后 4：

re.sub(r"(1\d{2})\d{4}(\d{4})", r"\1****\2", "联系 13812345678 尽快")
# → '联系 138****5678 尽快'

\1、\2 在替换串里引用第 1、2 分组。

练习： ex05（findall）、ex12（sub+分组）、ex15（findall）。

⚠️ 常见错误：贪婪、忘 r、group 索引
① 正则默认贪婪，r"a.*c" 匹配 a...c...c 会吞到最后一个 c，想要最短用非贪婪 r"a.*?c"。② 忘了 r 前缀，\d 报错。③ search 返回 None 时调 group(1) 会崩，先 if m:。④ 分组从 1 编号，group(0) 是整体。

8.8 os.path / sys / time / hashlib —— 系统与文件

① os.path —— 路径小助手。拼、拆、查路径，跨平台自动适配分隔符：

import os
os.path.join("data", "report.txt")     # 'data/report.txt' ⭐
os.path.exists("a.txt")                # 是否存在
os.path.isfile("a.txt")                # 是否文件
os.path.basename("data/report.txt")    # 'report.txt' ⭐
os.path.splitext("report.txt")         # ('report', '.txt') ⭐
os.path.dirname("data/report.txt")     # 'data'

② sys —— 命令行参数。argv[0] 是程序文件名，argv[1:] 才是参数：

import sys
# 命令行：python my.py 2026 08 02
sys.argv                    # ['my.py', '2026', '08', '02']，全是字符串！

要用数字先 int() 转换。

③ time —— 时间戳。time.time() 返回 1970 年 1 月 1 日至今的秒数，用来计时：

import time
time.strftime("%Y-%m-%d", time.gmtime(0))       # '1970-01-01' ⭐
time.strftime("%Y-%m-%d", time.gmtime(86400))   # '1970-01-02'

用 gmtime（UTC）避免本地时区干扰。

④ hashlib —— 哈希指纹。文本算成一串固定长度"指纹"，同样输入永远同样输出，几乎无法反推，常用于存密码：

import hashlib
hashlib.sha256("hello".encode()).hexdigest()
# 2cf24dba5fb0a30e26e83b2ac5b9e29e1b161e5c1fa7425e73043362938b9824

sha256() 收字节，字符串要先 .encode()。

练习： ex13（os.path）、ex14（hashlib）、ex15（综合，sys.argv）。

⚠️ 常见错误：路径拼接、argv 索引、hashlib 忘 encode
① 手写 "data/" + "report.txt" 在 Windows 会出问题，永远用 os.path.join。② sys.argv 从 0 开始且全是字符串，没传参访问 argv[1] 索引越界。③ sha256("hello") 报 TypeError，必须 .encode()。④ time.localtime 依赖时区，判分验证用 gmtime 更稳。

💡 记忆口诀

strptime p 进 str 出，strftime f 出 str
\d 数字、\w 字母、+ 一个以上
dumps 出字符串、loads 进字典
defaultdict(int) 传工厂函数不带括号
shuffle 原地改返回 None

📌 双语术语表（本讲）

中文	English
模块	module
导入	import
标准库	standard library
正则表达式	regular expression
时间戳	timestamp
计数	counter
随机数	random number
序列化	serialize
哈希	hash
双端队列	deque

⭐ 本讲考点清单

os.path.join / exists / basename / splitext
正则 \d+、findall / search / sub、分组与 \1 引用、fullmatch 手机号验证
random.randint / choice / sample / shuffle，seed 复现
datetime.now() + strftime / strptime，timedelta 日期差
Counter.most_common、defaultdict、namedtuple、deque.rotate
math.sqrt / floor / ceil / pow
json.loads / dumps(ensure_ascii=False)
sys.argv、hashlib.sha256、time.gmtime / strftime