可視化運行Python的神器Jupyter Notebook的介紹以及結構使用

可視化運行Python的神器Jupyter Notebook的介紹以及結構，很多新手對此不是很清楚，為了幫助大家解決這個難題，下面小編將為大家詳細講解，有這方面需求的人可以來學習下，希望你能有所收獲。

簡介

如果我們想要運行Python，通常有兩種方式，第一種方式就是在Python或者IPython的解釋器環境中進行交互式運行，還有一種方式就是程序員最喜歡的編寫.py文件，在文件中編寫python代碼，然后運行。

如果我們想寫一篇關于Python的文章，文章里面有代碼，還希望代碼能夠在當前頁面運行，可不可以做到呢？

可以的，那就是使用我們今天要介紹的Jupyter Notebook。

Jupyter Notebook

Jupyter項目是從Ipython項目中分出去的，在Ipython3.x之前，他們兩個是在一起發布的。在Ipython4.x之后，Jupyter作為一個單獨的項目進行開發和管理。因為Jupyter不僅僅可以運行Python程序，它還可以執行其他流程編程語言的運行。

Jupyter Notebook包括三個部分，第一個部分是一個web應用程序，提供交互式界面，可以在交互式界面中運行相應的代碼。

上圖是NoteBook的交互界面，我們可以對文檔進行編輯，運行等操作。

主要的功能如下：

• 在瀏覽器中進行代碼編輯，自動語法突出顯示，縮進和制表符完成/自檢功能。

   

• 從瀏覽器執行代碼的能力，并將計算結果附加到生成它們的代碼上。

• 使用諸如HTML，LaTeX，PNG，SVG等富媒體表示來顯示計算結果。例如，可以內嵌包含matplotlib庫渲染的具有出版質量的圖形。

• 使用Markdown標記語言在瀏覽器中對富文本進行的編輯（可以為代碼提供注釋）不僅限于純文本。

• 使用LaTeX輕松在markdown單元中包含數學符號的能力，并由MathJax本地呈現。

第二個部分就是NoteBook的文檔了，這個文檔存儲了要運行的代碼和一些描述信息。一般這個文檔是以.ipynb的后綴進行存儲的。

notebook文檔是以json的形式存儲的，并用base64進行編碼。使用json的好處就是可以在不同的服務器中方便的進行數據的交互。

Notebook documents中除了可運行的代碼文件，還可以存儲說明等解釋性內容，從而將代碼和解釋內容完美結合，尤其適合做學習筆記使用。

筆記本可以通過nbconvert命令導出為多種靜態格式，包括HTML，reStructuredText，LaTeX，PDF等多種格式。

另外文檔還可以方便的在網絡上進行共享。

第三個部分就是代碼運行的核心Kernels，通過不同的Kernels搭配，notebook可以支持運行多種程序。比如：Python，java，go，R，ruby，nodejs等等。

這些Kernels和notebook之間是以Json的形式通過MQ來進行通信的。

啟動notebook server

有了文檔之后，如果我們想要運行文檔，需要啟動notebook server。

jupyter notebook

默認情況下會開啟下面的URL： http://127.0.0.1:8888

啟動的時候還可指定要打開的.ipynb文件：

jupyter notebook my_notebook.ipynb

具體的notebook界面的操作這里就不多介紹了，基本上和普通的編譯器差不多。大家可以自行探索。

notebook document 的結構

notebook中包含了多個cells，每個cell中包含了多行文本輸入字段，可以通過Shift-Enter 或者工具欄中的播放按鈕來執行其中的代碼。

這里的cell有三種類型，分別是code cells，markdown cells和raw cells。

code cells

代碼單元允許您編輯和編寫新代碼，并突出顯示完整的語法和制表符。 您使用的編程語言取決于內核，默認內核（IPython）運行Python代碼。

執行代碼單元時，它包含的代碼將發送到與筆記本關聯的內核。 然后，從該計算返回的結果將在筆記本中顯示為單元格的輸出。 輸出不僅限于文本，還有許多其他可能的輸出形式，包括matplotlib圖形和HTML表格（例如，在pandas數據分析包中使用的表格）。

我們看一個code cells的例子：

#%%import numpy as np
my_arr = np.arange(1000000)my_list = list(range(1000000))

每個單元格是以 #%% 來進行分隔的。

Ipython本身還支持多種富文本的展示格式，包括HTML，JSON，PNG，JPEG，SVG，LaTeX等。

Ipython提供了一個display方法，我們可以使用display來展示要呈現的對象：

from IPython.display import display

display(obj) 將會尋找這個對象所有可能的展示類型，并從中挑選一個最適合的類型進行展示，并將結果存儲在Notebook文檔里面。

如果你想展示特定類型的對象，那么可以這樣：

from IPython.display import (display_pretty, display_html, display_jpeg,display_png, display_json, display_latex, display_svg)

舉個展示圖片的例子：

from IPython.display import Image
i = Image(filename='../images/ipython_logo.png')i
display(i)

上面的例子中i包含了一個Image對象，直接調用i即可展示，我們也可以顯示的調用display(i)。

其他的富文本類型可以參考Image，使用方法都是類似的。

markdown cells

markdown是一種簡介的標記語言，使用起來非常簡單，使用范圍非常廣泛，所以notebook document也支持markdown的語法。

先看一個markdown cell的例子：

#%% md```python
$ python
Python 3.6.0 | packaged by conda-forge | (default, Jan 13 2017, 23:17:12)[GCC 4.8.2 20140120 (Red Hat 4.8.2-15)] on linux
Type "help", "copyright", "credits" or "license" for more information.>>> a = 5>>> print(a)5```

markdown中的語法在notebook中都是可以用的。

還支持標準的LaTeX 和 AMS-LaTeX語法。

raw cells

原始單元格提供了一個可以直接寫入輸出的位置。 notebook不會對原始單元格中的內容進行計算。

以模塊的形式導入Jupyter Notebooks

有時候我們希望以模塊的形式導入Jupyter Notebooks，但是可惜的是，Jupyter Notebooks并不是一個標準的python程序，不過Python提供了一些鉤子程序，讓我們能夠方便的進行導入。

首先，我們需要導入一些基本的API ：

import io, os, sys, typesfrom IPython import get_ipythonfrom nbformat import readfrom IPython.core.interactiveshell import InteractiveShell

接下來需要注冊NotebookFinder到sys.meta_path：

sys.meta_path.append(NotebookFinder())

這個NotebookFinder就是定義的鉤子。

我們看下NotebookFinder的定義：

class NotebookFinder(object):"""Module finder that locates Jupyter Notebooks"""def __init__(self):self.loaders = {}def find_module(self, fullname, path=None):nb_path = find_notebook(fullname, path)if not nb_path:returnkey = pathif path:# lists aren't hashablekey = os.path.sep.join(path)if key not in self.loaders:self.loaders[key] = NotebookLoader(path)return self.loaders[key]

里面使用了兩個重要的方法，find_notebook用來找到notebook，和NotebookLoader，用來加載notebook。

看下find_notebook的定義：

def find_notebook(fullname, path=None):
    """find a notebook, given its fully qualified name and an optional path

    This turns "foo.bar">

看下NotebookLoader的定義：

class NotebookLoader(object):
    """Module Loader for Jupyter Notebooks"""
    def __init__(self, path=None):
        self.shell = InteractiveShell.instance()
        self.path = path

    def load_module(self, fullname):
        """import a notebook as a module"""
        path = find_notebook(fullname, self.path)

        print ("importing Jupyter notebook from %s" % path)

        # load the notebook object
        with io.open(path, 'r', encoding='utf-8') as f:
            nb = read(f, 4)


        # create the module and add it to sys.modules
        # if name in sys.modules:
        #    return sys.modules[name]
        mod = types.ModuleType(fullname)
        mod.__file__ = path
        mod.__loader__ = self
        mod.__dict__['get_ipython'] = get_ipython
        sys.modules[fullname] = mod

        # extra work to ensure that magics that would affect the user_ns
        # actually affect the notebook module's ns
        save_user_ns = self.shell.user_ns
        self.shell.user_ns = mod.__dict__

        try:
          for cell in nb.cells:
            if cell.cell_type == 'code':
                # transform the input to executable Python
                code = self.shell.input_transformer_manager.transform_cell(cell.source)
                # run the code in themodule
                exec(code, mod.__dict__)
        finally:
            self.shell.user_ns = save_user_ns
        return mod

有了他們，我們就可以直接import我們自己編寫的notebook了。

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