معرفی ماژول های پایتون — ۱۰ ماژول پرکاربرد برای هر برنامه نویس

پایتون یکی از محبوب‌ترین زبان‌های برنامه‌نویسی است، چون مجموعه‌ای گسترده از ماژول‌ها دارد که کار برنامه‌نویسان را آسان کرده و آن‌ها را از نوشتن کد برای وظایف خاص در برنامه‌شان بی‌نیاز می‌کند. پایتون انواع مختلفی از ماژول‌ها را دارد که شامل ماژول‌ های داخلی «Internal modules» و ماژول‌ های خارجی «External modules» است. در این مقاله، ما درباره ماژول های پایتون «Python modules» و نحوه استفاده از آن‌ها صحبت خواهیم کرد و در ادامه ۱۰ ماژول پرکاربرد را همراه با مثال و کد تشریح خواهیم کرد.

ماژول پایتون چیست؟

ماژول های پایتون مجموعه‌ای از کتابخانه‌ها هستند که به‌صورت پیش‌فرض همراه با نصب پایتون ارائه می‌شوند. نصب ماژول‌های موردنیاز در حین فرآیند توسعه می‌تواند کاری وقت‌گیر باشد، به همین دلیل پایتون برخی از پرکاربردترین ماژول‌های موردنیاز را از قبل در خود دارد.

این ماژول‌ها امکانات متنوعی از جمله عملیات فایل «File operations»، وظایف مرتبط با سیستم، محاسبات ریاضی «Mathematical calculations» و خدمات وب را ارائه می‌دهند. استفاده از این ماژول‌ها فرآیند توسعه را ساده‌تر می‌کند، زیرا برنامه‌نویسان می‌توانند از توابع «Functions» و کلاس‌های داخلی «Internal classes» برای وظایف معمول استفاده کنند که باعث افزایش کارایی و قابلیت استفاده مجدد از کد می‌شود. برخی نمونه‌های ماژول‌های داخلی پایتون عبارت‌اند از: «os»،«sys»، «math» و «datetime».

ما می‌توانیم با اجرای فرمان زیر، لیست تمامی ماژول‌های موجود در پایتون را دریافت کنیم:

help('modules')

مزایای ماژول های پایتون

ماژول های پایتون با فراهم کردن ابزارهای از پیش ساخته‌شده، امکان نوشتن کدهای ساده‌تر و کارآمدتر را بدون نیاز به نصب کتابخانه‌های خارجی فراهم می‌کنند.

• کاهش زمان توسعه: ماژول های پایتون به‌گونه‌ای طراحی شده‌اند که می‌توانند وظایف مختلفی را بدون نیاز به نصب ماژول‌های خارجی یا نوشتن کد طولانی برای انجام آن کار خاص انجام دهند. بنابراین، برنامه‌نویسان می‌توانند از این ماژول‌ها بر اساس راحتی خود استفاده کنند تا در زمان صرفه‌جویی کنند.
• عملکرد بهینه‌ شده: برخی از ماژول های پایتون برای عملکرد بهینه طراحی شده‌اند و از کد سطح پایین یا اتصال‌های بومی برای انجام کارها به‌طور کارآمد استفاده می‌کنند.
• قابلیت اطمینان: این ماژول‌ها به‌طور دقیق آزمایش شده‌اند و سال‌هاست که توسط جامعه پایتون استفاده می‌شوند. به همین دلیل، معمولا پایدار بوده و در مقایسه با کتابخانه‌های شخص ثالث جدید یا کمتر شناخته‌شده، اشکالات کمتری دارند.
• سازگاری: ماژول های پایتون یک روش ثابت برای حل مشکلات فراهم می‌کنند. برنامه‌نویسانی که با این ماژول‌ها آشنا هستند، می‌توانند به راحتی کدهای پروژه‌های مختلف را درک کرده و با یکدیگر همکاری کنند.
• استانداردسازی: از آنجا که این ماژول‌ها بخشی از کتابخانه استاندارد پایتون هستند، روش استانداردی برای انجام کارها ارائه می‌دهند.
• مستندسازی: مستندات رسمی پایتون جامع است و شامل توضیحات و مثال‌های مفصل برای ماژول‌های داخلی پایتون می‌شود. این امر یادگیری و استفاده از آن‌ها را آسان‌تر می‌کند.
• نگهداری آسان: ماژول های پایتون توسط تیم اصلی پایتون و جامعه نگهداری می‌شوند و به‌طور منظم بروزرسانی‌ها، رفع اشکالات و بهبودهایی در انتظار است که تضمین‌کننده ماندگاری طولانی‌مدت آن‌ها هستند.
• کاهش ریسک: استفاده از کتابخانه‌های شخص ثالث می‌تواند خطراتی مانند پشتیبانی قطع‌شده یا آسیب‌پذیری‌های امنیتی را به همراه داشته باشد.

ماژول های پرکاربرد پایتون

ما یاد گرفتیم که ماژول های پایتون چه هستند و چه مزایایی دارند. حالا بیایید به مثال کد ماژول‌های داخلی در پایتون نگاهی بیندازیم و ببینیم چگونه می‌توانیم از آن‌ها در کد پایتون خود استفاده کنیم.

۱- ماژول JSON در پایتون

ماژول json در پایتون برای رمزگذاری و رمزگشایی داده‌های JSON استفاده می‌شود. فرمت JSON به‌طور گسترده‌ای در وب برای تبادل اطلاعات استفاده می‌شود. این ماژول برای خواندن و نوشتن داده‌ها در فرمت JSON بسیار مفید است.

در مثال زیر، ما از ماژول json برای تبدیل دیکشنری پایتون به فرمت JSON استفاده کرده‌ایم. ابتدا ماژول «json» را وارد می‌کنیم، سپس دیکشنری پایتون را تعریف کرده و پس از آن دیکشنری پایتون را با استفاده از متد ()json.dumps در ماژول json به فرمت JSON تبدیل کرده و در نهایت داده‌های JSON را چاپ می‌کنیم.

import json  
data = {
    "name": "Jonny",
    "age": 30,
    "is_student": True,
    "courses": ["Web Dev", "CP"]
}
json_string = json.dumps(data, indent=4)
print(json_string)  

خروجی:

{
    "Name": "Jonny",
    "Alter": 30,
    "is_student": wahr,
    "Kurse": [
        "Web-Entwicklung",
        "CP"
    ]
}

۲- ماژول Tkinter در پایتون

tkinter کتابخانه استاندارد رابط گرافیکی کاربر (GUI) در پایتون است. از ماژول tkinter برای ایجاد پنجره‌ها، دکمه‌ها، فیلدهای متنی و سایر عناصر رابط کاربری برای برنامه‌های دسکتاپ استفاده می‌شود.

مثال: ابتدا ماژول tkinter را به‌عنوان tk وارد کرده و یک تابع on_button_click تعریف می‌کنیم که متن یک برچسب را به‌روزرسانی می‌کند. یک پنجره اصلی GUI با عنوان مثال Tkinter ایجاد می‌شود که شامل یک برچسب و یک دکمه است. برچسب نمایش می‌دهد „لطفا دکمه زیر را فشار دهید و دکمه‌ای با برچسب مرا کلیک کن که با فشردن آن تابع تعریف‌شده قبلی را فعال می‌کند. این برنامه همچنان به تعاملات کاربر پاسخ می‌دهد و با استفاده از حلقه رویداد ()root.mainloop، متن برچسب در صورت کلیک بر روی دکمه تغییر می‌کند.

import tkinter as tk  
def on_button_click():  
    label.config(text="Hello, Program!")

root = tk.Tk()
root.title("Tkinter Example")  
label = tk.Label(root, text="Click the button below")  
label.pack(pady=40)  
button = tk.Button(root, text="Click Me", command=on_button_click) 
button.pack(pady=40)  
root.mainloop()  

خروجی:
در خروجی زیر، می‌توانیم ببینیم که وقتی دکمه «click me» را فشار می‌دهیم، متن تغییر می‌کند.

۳- ماژول رندوم در پایتون

ماژول random در پایتون برای تولید اعداد تصادفی و انجام عملیات مختلف تصادفی استفاده می‌شود. این ماژول امکاناتی مانند ()random.randint()، random.choice()، random.random()، random.shuffle و بسیاری دیگر را فراهم می‌کند.

مثال: در کد زیر، ابتدا ماژول random را وارد می‌کنیم. سپس یک عدد تصادفی بین «۱ تا ۱۰» و یک آیتم تصادفی از یک لیست را به ترتیب با استفاده از متدهای ()random.randint و ()random.choice چاپ می‌کنیم.

import random  
num = random.randint(1, 10)
print(f"Random integer between 1 and 10: {num}")
fruits = ["Java", "C", "C++", "Python"]
chosen_fruit = random.choice(fruits)
print(f"Randomly chosen language: {chosen_fruit}")

خروجی:

Random integer between 1 and 10: 9
Randomly chosen language: Python

۴- ماژول ریاضی در پایتون

ماژول math در پایتون توابع ریاضی برای انجام عملیات محاسباتی پیشرفته را ارائه می‌دهد. این توابع شامل توابع مثلثاتی، لگاریتمی و ثوابت ریاضی مانند π (پی) و e هستند. این ماژول برای انجام محاسبات پیچیده در برنامه‌های پایتون استفاده می‌شود.

مثال: در مثال زیر، از ماژول math برای یافتن جذر یک عدد با استفاده از متد ()math.sqrt و مقدار عدد π (پی) با استفاده از متد math.pi استفاده کرده‌ایم و سپس نتیجه را با استفاده از تابع ()print پایتون چاپ کرده‌ایم.

import math
sqrt_val = math.sqrt(64)
pi_const = math.pi
print(sqrt_val)
print(pi_const)

خروجی:

۸.۰
۳.۱۴۱۵۹۲۶۵۳۵۸۹۷۹۳

۵- ماژول datetime در پایتون

ماژول datetime امکان کار با مقادیر تاریخ و زمان را فراهم می‌کند. برخی از روش‌های اصلی این ماژول شامل datetime.date، datetime.time، datetime.datetime و datetime.timedelta هستند.

مثال: در مثال زیر، با استفاده از متد ()datetime.date.today تاریخ امروز و با متد datetime.datetime.now().time زمان فعلی را از ماژول «datetime» در پایتون چاپ کرده‌ایم.

import datetime
date_today = datetime.date.today()
time_now = datetime.datetime.now().time()
print(date_today)
print(time_now)

خروجی:

/home/guest/sandbox

۶- ماژول sys در پایتون

ماژول sys در پایتون توابع و متغیرهایی را ارائه می‌دهد که با محیط اجرایی پایتون تعامل دارند. این ماژول به توسعه‌دهندگان امکان دسترسی و مدیریت ویژگی‌های مفسر پایتون را می‌دهد. همچنین امکاناتی مانند دسترسی به جریان ورودی/خروجی، اطلاعات حافظه و موارد دیگر را فراهم می‌کند.

مثال: در مثال زیر، از ماژول sys برای چاپ نسخه فعلی زبان برنامه‌نویسی پایتون و همچنین چاپ لیستی از آرگومان‌های خط فرمان که هنگام اجرای برنامه پایتون ارسال شده‌اند، استفاده کرده‌ایم.

import sys
print("Python version:", sys.version)
print("Command line arguments:", sys.argv)
sys.exit(1)

در خروجی زیر، می‌توانیم ببینیم که نسخه فعلی پایتون چاپ شده است و آرگومان‌های خط فرمان به‌صورت یک لیست، همراه با نام برنامه پایتون، نمایش داده می‌شوند.

۷- ماژول regex در پایتون

ماژول regex در پایتون از کار با عبارات منظم «regular expressions» پشتیبانی می‌کند. عبارات منظم (که اغلب به عنوان «regex» شناخته می‌شوند) ابزارهای قدرتمندی برای تطبیق رشته‌ها یا گروه‌هایی از رشته‌ها با استفاده از یک نحو خاص هستند که امکان تطبیق الگوهای انعطاف‌پذیر را فراهم می‌کند.

مثال: در مثال زیر، یک نمونه ساده برای جستجوی رشته‌های مطابق با استفاده از ماژول «re» در پایتون نوشته‌ایم. پس از وارد کردن ماژول «re»، یک الگو و یک متن تعریف می‌کنیم. با استفاده از تابع ()search به دنبال الگوی ایمیل در متن می‌گردیم و اولین ایمیل یافت‌شده در متن را چاپ می‌کنیم. سپس تمام موارد یافت‌شده از ایمیل‌ها را در متن جستجو کرده و آنها را چاپ می‌کنید

import re
pattern = r"[a-zA-Z0-9._%+-]+@[a-zA-Z0-9.-]+\.[a-zA-Z]{2,4}"

text = "Contact us at info@example.com and support@example.org for more details."
match = re.search(pattern, text)
if match:
    print("First found email:", match.group())

emails = re.findall(pattern, text)
print("All found emails:", emails)

خروجی:

First found email: info@example.com
All found emails: ['info@example.com', 'support@example.org']

۸- ماژول hashlib در پایتون

ماژول hashlib در پایتون الگوریتم‌هایی برای ایجاد هش یا پیام‌های خلاصه ارائه می‌دهد. این ماژول برای بررسی یکپارچگی داده‌ها از الگوریتم‌هایی مانند SHA-256، MD5 و دیگر الگوریتم‌های هش استفاده می‌کند.

مثال: در این مثال، ابتدا ماژول hashlib را وارد می‌کنیم. سپس یک رشته نمونه تعریف کرده و آن را با استفاده از تابع ()hashlib.sha256 به نمایه هش SHA-256 تبدیل می‌کنیم. در نهایت، هش ایجاد شده را چاپ می‌کنیم.

import hashlib
message = "Hello, World!"
hashed = hashlib.sha256(message.encode()).hexdigest()
print(hashed)

خروجی:

dffd6021bb2bd5b0af676290809ec3a53191dd81c7f70a4b28688a362182986f

۹- ماژول تقویم در پایتون

ماژول calendar در پایتون امکان انجام عملیات و دستکاری‌های مرتبط با تقویم را فراهم می‌کند.

مثال: در این مثال، تقویم ماه اکتبر سال ۲۰۲۳ را چاپ می‌کنیم. ابتدا ماژول calendar را وارد می‌کنیم. سپس با استفاده از تابع ()month یک نمایه رشته‌ای از تقویم ماه اکتبر ۲۰۲۳ ایجاد می‌کنیم و آن را چاپ می‌کنیم.

import calendar
cal_october = calendar.month(2023, 10)
print(cal_october)

خروجی:

 October 2023
Mo Tu We Th Fr Sa Su
                   ۱
 ۲  ۳  ۴  ۵  ۶  ۷  ۸
 ۹ ۱۰ ۱۱ ۱۲ ۱۳ ۱۴ ۱۵
۱۶ ۱۷ ۱۸ ۱۹ ۲۰ ۲۱ ۲۲
۲۳ ۲۴ ۲۵ ۲۶ ۲۷ ۲۸ ۲۹
۳۰ ۳۱

۱۰- ماژول heapq در پایتون

ماژول heapq در پایتون مجموعه‌ای از توابع را برای پیاده‌سازی هیپ‌ها بر اساس لیست‌های معمولی فراهم می‌کند. هیپ یک ساختار داده درختی خاص است که خاصیت هیپ را برآورده می‌کند و معمولا برای پیاده‌سازی صف‌های اولویت «priority queues» استفاده می‌شود.

مثال: در مثال زیر، ما ساختار داده هیپ را با استفاده از ماژول «heapq» در پایتون پیاده‌سازی کرده‌ایم و روش‌های مختلف هیپ مانند ()heapify()، heappush و ()heappop را بر روی هیپ اعمال کرده‌ایم.

import heapq
numbers = [3, 1, 4, 1, 5, 9, 2, 6, 5, 3, 5]

heapq.heapify(numbers)
heapq.heappush(numbers, 7)
print(heapq.heappop(numbers)) 
print(heapq.heappushpop(numbers, 8)) 
print(heapq.nlargest(3, numbers))  
print(heapq.nsmallest(3, numbers)) 

خروجی:

۱
۱
[۹, ۸, ۷]
[۲, ۳, ۳]

نتیجه‌ گیری

زبان برنامه‌نویسی پایتون به عنوان یکی از محبوب‌ترین و قدرتمندترین زبان‌های برنامه‌نویسی در جهان، مجموعه وسیعی از ماژول های پایتون  و کتابخانه‌ها را در اختیار کاربران خود قرار می‌دهد. ماژول های پایتون، که بخشی از کتابخانه استاندارد پایتون هستند یا به‌صورت شخص ثالث ارائه می‌شوند، طیف گسترده‌ای از قابلیت‌ها را پوشش می‌دهند و نیازهای مختلفی را برطرف می‌کنند.

پایتون با ارائه این مجموعه گسترده از ماژول‌ها، نیاز به نصب و راه‌اندازی دستی بسیاری از ابزارها و توابع را کاهش داده و به کاربران این امکان را می‌دهد که به‌سرعت پروژه‌های خود را آغاز کرده و توسعه دهند. همچنین، ماژول های پایتون بهینه‌سازی فرآیندهای برنامه‌نویسی را تسهیل کرده و به کاربران کمک می‌کنند تا تمرکز خود را به جای مسائل پیش‌پاافتاده روی حل مشکلات اصلی معطوف کنند.

مزیت دیگر این ماژول‌ها، جامعه بزرگ و فعال پایتون است که به‌صورت مداوم به توسعه، بهبود و پشتیبانی از ماژول های پایتون کمک می‌کند. این جامعه به اشتراک‌گذاری دانش، رفع اشکالات و افزودن قابلیت‌های جدید می‌پردازد، که این امر پایتون را به ابزاری بسیار انعطاف‌پذیر و مقیاس‌پذیر برای طیف گسترده‌ای از کاربردها تبدیل کرده است.