Python入门基础之import机制

一、前言

本文基于开源项目：

github.com/pwwang/pyth…

补充扩展讲解，希望能够让读者一文搞懂 Python 的 import 机制。

1.1 什么是 import 机制？

通常来讲，在一段 Python 代码中去执行引用另一个模块中的代码，就需要使用 Python 的 import 机制。import 语句是触发 import 机制最常用的手段，但并不是唯一手段。

importlib.import_module 和 __import__ 函数也可以用来引入其他模块的代码。

1.2 import 是如何执行的？

import 语句会执行两步操作：

搜索需要引入的模块
将模块的名字做为变量绑定到局部变量中

搜索步骤实际上是通过 __import__ 函数完成的，而其返回值则会作为变量被绑定到局部变量中。下面我们会详细聊到 __import__ 函数是如果运作的。

二、import 机制概览

下图是 import 机制的概览图。不难看出，当 import 机制被触发时，Python 首先会去 sys.modules 中查找该模块是否已经被引入过，如果该模块已经被引入了，就直接调用它，否则再进行下一步。这里 sys.modules 可以看做是一个缓存容器。值得注意的是，如果 sys.modules 中对应的值是 None 那么就会抛出一个 ModuleNotFoundError 异常。下面是一个简单的实验：

In [1]: import sys

In [2]: sys.modules['os'] = None

In [3]: import os
---------------------------------------------------------------------------
ModuleNotFoundError   Traceback (most recent call last)
<ipython-input-3-543d7f3a58ae> in <module>
----> 1 import os

ModuleNotFoundError: import of os halted; None in sys.modules

如果在 sys.modules 找到了对应的 module，并且这个 import 是由 import 语句触发的，那么下一步将对把对应的变量绑定到局部变量中。

如果没有发现任何缓存，那么系统将进行一个全新的 import 过程。在这个过程中 Python 将遍历 sys.meta_path 来寻找是否有符合条件的元路径查找器（meta path finder）。sys.meta_path 是一个存放元路径查找器的列表。它有三个默认的查找器：

内置模块查找器
冻结模块（frozen module）查找器
基于路径的模块查找器。

In [1]: import sys

In [2]: sys.meta_path
Out[2]: 
[_frozen_importlib.BuiltinImporter,
 _frozen_importlib.FrozenImporter,
 _frozen_importlib_external.PathFinder]

查找器的 find_spec 方法决定了该查找器是否能处理要引入的模块并返回一个 ModeuleSpec 对象，这个对象包含了用来加载这个模块的相关信息。如果没有合适的 ModuleSpec 对象返回，那么系统将查看 sys.meta_path 的下一个元路径查找器。如果遍历 sys.meta_path 都没有找到合适的元路径查找器，将抛出 ModuleNotFoundError。引入一个不存在的模块就会发生这种情况，因为 sys.meta_path 中所有的查找器都无法处理这种情况：

In [1]: import nosuchmodule
---------------------------------------------------------------------------
ModuleNotFoundError      Traceback (most recent call last)
<ipython-input-1-40c387f4d718> in <module>
----> 1 import nosuchmodule

ModuleNotFoundError: No module named 'nosuchmodule'

但是，如果这个手动添加一个可以处理这个模块的查找器，那么它也是可以被引入的：

In [1]: import sys
 ...: 
 ...: from importlib.abc import MetaPathFinder
 ...: from importlib.machinery import ModuleSpec
 ...: 
 ...: class NoSuchModuleFinder(MetaPathFinder):
 ...:  def find_spec(self, fullname, path, target=None):
 ...:   return ModuleSpec('nosuchmodule', None)
 ...: 
 ...: # don't do this in your script
 ...: sys.meta_path = [NoSuchModuleFinder()]
 ...: 
 ...: import nosuchmodule
---------------------------------------------------------------------------
ImportError        Traceback (most recent call last)
<ipython-input-6-b7cbf7e60adc> in <module>
  11 sys.meta_path = [NoSuchModuleFinder()]
  12 
---> 13 import nosuchmodule

ImportError: missing loader

可以看到，当我们告诉系统如何去 find_spec 的时候，是不会抛出 ModuleNotFound 异常的。但是要成功加载一个模块，还需要加载器 loader。

加载器是 ModuleSpec 对象的一个属性，它决定了如何加载和执行一个模块。如果说 ModuleSpec 对象是“师父领进门”的话，那么加载器就是“修行在个人”了。在加载器中，你完全可以决定如何来加载以及执行一个模块。这里的决定，不仅仅是加载和执行模块本身，你甚至可以修改一个模块：

In [1]: import sys
 ...: from types import ModuleType
 ...: h[^Θ*>KYyNK>zhYjYyB7E{NKh~.Zh.iYyNK>zizk9^h~*>K[KhX{'&[n^X[nKnYh~KN[[KhX{8#УJ~ZIi[h8^Xk^K^hY(YiKK[zx8^Xk^K^hyBf7V2ikk9^yBGV7V2ZyBFW"[~[nhY	Zz[{8#УKyJ7&VFUViXhX[KKjY.iRFzXX[KKjY8#У#>8h{3#У#УFBiXnx^kKZJ~8.K^KyNK{J~:Xni&VcGG372F&rVfW&VF"&V&WFW&r"F&vWCikih~j3^XikyBFxi8.yKK~[^i[I{n.[nk*iXY
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