Python 課程 – 模組與套件（Modules & Packages）

主題：標準函式庫介紹（os、sys、math、random、datetime 等）

簡介

在 Python 的開發生態系中，標準函式庫（Standard Library） 是最直接、最可靠的資源。它隨 Python 本體一起安裝，提供了檔案操作、系統資訊、數學計算、隨機數產生、時間與日期處理等常見需求的完整實作。對於 初學者 來說，熟悉這些模組能讓你快速完成日常腳本與小型專案；對於 中級開發者，則能減少外部套件的依賴、提升程式的可移植性與效能。

本篇文章將以 os、sys、math、random、datetime 為例，說明它們的核心功能、常見用法與實務應用，並提供可直接執行的程式碼範例，協助你在實際開發中即時上手。

核心概念

1️⃣ `os` – 與作業系統互動的橋樑

os 模組提供了檔案系統、環境變數、執行緒等與作業系統相關的 API。常見功能包括：

功能	常用函式	說明
取得當前工作目錄	`os.getcwd()`	回傳目前程式執行所在的目錄路徑
切換目錄	`os.chdir(path)`	改變工作目錄至 `path`
列出目錄內容	`os.listdir(path)`	取得 `path` 下所有檔案與子目錄名稱
建立/刪除目錄	`os.mkdir(path)`, `os.rmdir(path)`	建立或移除單一目錄
路徑拼接	`os.path.join(a, b, ...)`	自動依作業系統使用正確的分隔符號

程式碼範例 1：遍歷目錄並列出所有 `.txt` 檔案

import os

def list_txt_files(root_dir):
    """列出 root_dir 及其子目錄下所有 .txt 檔案的絕對路徑"""
    txt_files = []
    for dirpath, dirnames, filenames in os.walk(root_dir):
        for fname in filenames:
            if fname.lower().endswith('.txt'):
                txt_files.append(os.path.join(dirpath, fname))
    return txt_files

# 示範執行
if __name__ == "__main__":
    for f in list_txt_files('.'):
        print(f)

這段程式使用 os.walk 深度遍歷，不需要自行處理子目錄的遞迴，非常適合快速搜尋檔案。

2️⃣ `sys` – 取得直屬 Python 直譯器資訊

sys 模組讓你掌握程式執行環境、命令列參數、模組搜尋路徑等資訊。

功能	常用屬性/函式	說明
命令列參數	`sys.argv`	以 list 形式提供執行程式時傳入的參數
Python 版本	`sys.version`	完整的版本字串
模組搜尋路徑	`sys.path`	`import` 時會依序搜尋的目錄清單
結束程式	`sys.exit([code])`	立即終止執行，`code` 為返回值 (0 為成功)

程式碼範例 2：簡易的命令列參數解析器

import sys

def main():
    if len(sys.argv) < 2:
        print("使用方式: python script.py <name>")
        sys.exit(1)

    name = sys.argv[1]
    print(f"Hello, {name}! (Python {sys.version.split()[0]})")

if __name__ == "__main__":
    main()

只要在終端機執行 python script.py Alice，程式就會顯示歡迎訊息與目前 Python 版本。

3️⃣ `math` – 高精度數學運算

math 提供了常見的數學函式（三角、指數、對數、常數等），所有運算皆使用 浮點數（float）且效能優於自行實作的 Python 迴圈。

常用函式	說明
`math.sqrt(x)`	平方根
`math.sin(x)`, `math.cos(x)`, `math.tan(x)`	三角函式（參數為弧度）
`math.log(x, base=math.e)`	對數，預設自然對數
`math.factorial(n)`	階乘（`n` 必須是非負整數）
`math.pi`, `math.e`	常用常數

程式碼範例 3：計算正多邊形的內角和

import math

def interior_angle_sum(sides: int) -> float:
    """
    正 n 邊形的內角總和（度數）。
    公式： (n - 2) * 180
    """
    if sides < 3:
        raise ValueError("邊數必須大於等於 3")
    return (sides - 2) * 180

def circumradius(side: float, sides: int) -> float:
    """
    計算正多邊形的外接圓半徑。
    公式： r = a / (2 * sin(π / n))
    """
    return side / (2 * math.sin(math.pi / sides))

# 示範
if __name__ == "__main__":
    n = 6          # 六邊形
    a = 5.0        # 每邊長 5 單位
    print(f"{n} 邊形的內角總和: {interior_angle_sum(n)}°")
    print(f"外接圓半徑: {circumradius(a, n):.3f}")

透過 math.pi 與 math.sin，我們可以在 不到 10 行程式 內完成幾何計算，且精度符合科學需求。

4️⃣ `random` – 隨機數與抽樣工具

random 為產生 偽隨機 數值的標準模組，常用於模擬、測試資料、遊戲等情境。

功能	常用函式	說明
產生 0~1 之間的浮點數	`random.random()`	包含 0 但不含 1
產生指定範圍的整數	`random.randint(a, b)`	包含兩端
隨機抽樣（不重複）	`random.sample(population, k)`	從序列中抽取 `k` 個不重複元素
隨機排列	`random.shuffle(seq)`	原地打亂序列
設定種子	`random.seed(a=None)`	讓結果可重現

程式碼範例 4：簡易的抽獎系統

import random

participants = [
    "Alice", "Bob", "Charlie", "Diana",
    "Ethan", "Fiona", "George", "Hannah"
]

def draw_winners(num_winners: int, seed: int = None):
    """抽出不重複的得獎者，若提供 seed 則結果可重現"""
    if seed is not None:
        random.seed(seed)
    return random.sample(participants, k=num_winners)

# 抽出 3 位得獎者
winners = draw_winners(3, seed=2025)
print("恭喜以下得獎者：", ", ".join(winners))

只要改變 seed，抽獎結果就會改變；若去除 seed，每次執行都會得到不同的組合。

5️⃣ `datetime` – 日期與時間的處理神器

datetime 允許你 建立、運算、格式化 日期與時間物件，支援時區（timezone）與時間差（timedelta）。

類別	常用屬性/方法	說明
`datetime.datetime`	`.now()`, `.utcnow()`, `.fromtimestamp(ts)`	代表「年、月、日、時、分、秒」的完整時間
`datetime.date`	`.today()`, `.fromisoformat(str)`	僅包含日期（年、月、日）
`datetime.time`	`.hour`, `.minute` 等	僅包含時間
`datetime.timedelta`	`days`, `seconds`, `total_seconds()`	時間差，支援加減運算
`datetime.timezone`	`datetime.timezone.utc`	建立具時區資訊的 datetime 物件

程式碼範例 5：計算兩個日期之間的工作天數（排除週末）

from datetime import datetime, timedelta

def business_days(start: str, end: str) -> int:
    """
    計算 start 與 end 之間的工作天數（含 start、end）。
    日期字串格式: 'YYYY-MM-DD'
    """
    start_dt = datetime.strptime(start, "%Y-%m-%d")
    end_dt   = datetime.strptime(end, "%Y-%m-%d")
    if start_dt > end_dt:
        start_dt, end_dt = end_dt, start_dt

    total_days = (end_dt - start_dt).days + 1
    work_days = 0
    for i in range(total_days):
        day = start_dt + timedelta(days=i)
        if day.weekday() < 5:      # 0=Mon, 4=Fri 為工作日
            work_days += 1
    return work_days

# 範例
print(business_days("2025-01-01", "2025-01-31"))  # 23 個工作天

透過 datetime.strptime 解析字串，再利用 timedelta 迭代每一天，簡潔且易讀。

常見陷阱與最佳實踐

陷阱	說明	建議的最佳實踐
未處理檔案路徑分隔符	直接使用 `'C:\\folder\\file.txt'` 會在不同作業系統上失效。	使用 `os.path.join` 或 `pathlib.Path`（Python 3.4+）統一路徑操作。
`sys.argv` 直接取值	當參數不足時會拋出 `IndexError`。	使用 `argparse` 或自行檢查 `len(sys.argv)`，提供友善錯誤訊息。
`math` 與 `cmath` 混用	`math` 只接受實數，若傳入負數的平方根會拋 `ValueError`。	需要複數運算時改用 `cmath`；或在呼叫前先檢查數值範圍。
`random` 種子未重置	在測試時忘記設 seed，導致結果不一致。	在單元測試或可重現的模擬中，必須在每次測試前呼叫 `random.seed()`。
`datetime` 時區處理不當	直接使用 `datetime.now()` 產生本地時間，跨時區比較時會出錯。	使用 `datetime.now(tz=timezone.utc)` 或 `pytz`/`zoneinfo` 取得帶時區的時間物件。

實際應用場景

自動化資料備份
使用 os 讀取目錄、shutil（同屬標準庫）搬移檔案、datetime 產生時間戳記，組合成每日備份腳本。
命令列工具
透過 sys.argv 或 argparse 解析參數，結合 random 產生測試資料，快速建立 CLI 程式。
科學計算與圖形
math 提供高精度的三角、對數與常數，配合 matplotlib（第三方）繪製函式圖形，適合教學與報告。
遊戲與模擬
random 用於隨機事件、怪物掉落機率；datetime 計算冷卻時間與每日任務重置。
日志與排程
datetime 產生檔名或日志頭部，os 判斷檔案大小、輪替（log rotation），形成完整的日誌管理系統。

總結

標準函式庫是 Python 最強大的基礎建設，掌握 os、sys、math、random、datetime 等核心模組，你就能：

快速完成檔案與系統操作（os、sys）
進行精準的數學與統計計算（math、random）
處理時間與日期的各種需求（datetime）

在寫程式的過程中，記得遵守 最佳實踐（如使用 os.path.join、檢查參數、設定隨機種子、正確處理時區），即可減少錯誤、提升程式可讀性與可維護性。未來若有更進階的需求，Python 仍提供了豐富的第三方套件，但 標準函式庫永遠是最可靠的第一選擇。祝你在 Python 的道路上，玩得開心、寫得順手！