1.6 文学化编程—Jupyter

对于初学者来说，可以采用Jupyter Notebook（以下简称Jupyter）来完成代码编写和文档说明。为什么要采用Jupyter呢？这里面大有讲究。

1.6.1 Jupyter的由来

在介绍Jupyter之前，我们先介绍一位图灵奖得主、斯坦福大学终身教授—Donald Knuth（高德纳）。这位高德纳和我们今天要介绍的Jupyter又有什么关系呢？关系自然是有的！高德纳提出了一个至今看来仍然很有吸引力的编程方式—文学化编程（Literate Programming）。

传统的编程方式，让人们完全“屈就”于计算机的逻辑来编写代码。与此相反的是，文学化编程让人们能按照自己的思维逻辑来开发并描述程序。

简单来说，文学化编程的读者是人，而非机器。

这种方式的转换，让我们从仅写出让机器读懂的代码，过渡到了向人解释如何让机器实现我们的想法。这种解释的内容，除了包括让机器识别的“中规中矩”的代码，还有人自己“喜闻乐见”的叙述性的文字、图表及公式等。而且这些代码的运行和结果展示，并不需要离开当前文档描述的平台。也就是说，文学化编程支持现场交互式呈现。如此一来，这不正是数据分析人员所需要的编程风格吗？！

是的，这种编程风格非常酷！如果说高德纳提出了文学化编程的梦想，那么Jupyter就是使“梦想成真”的一种具体方法。Jupyter可以让我们“左手程序员，右手作家”的梦想更加趋于真实。

Jupyter脱胎于IPython项目。IPython是一个Python的交互式shell，它比默认的Python shell要好用很多。而IPython正是Jupyter的内核所在，我们可以理解为，Jupyter是网页版的IPython。

1.6.2 Jupyter的安装

事实上，前面我们安装Anaconda时，Jupyter已被默认安装了（这也是我们选择安装Anaconda的重要原因，它会帮我们把常用的库“全家桶式”地安装完毕）。如果你的环境中的确没有安装它，那么在命令行输入如下命令即可安装。

下面，我们先创建一个名为“tf-notebook”的目录，用于存放Jupyter的有关文档，然后在控制台用“jupyter notebook”命令启动Jupyter的服务器，相关指令如下所示。

其中第3条指令将在默认的网页浏览器中开启一个新的工作空间。如果想要创建新笔记，用鼠标单击页面右上角的“New”按钮，然后选择Python 3即可，如图1-14所示。

新创建的笔记自动打开，如图1-15所示。此时，笔记并没有被命名，所以被系统自动命名为“Untitled1”（未命名）。

单击“Untitled1”，此时会弹出重命名对话框，如图1-16所示，在文本框中输入合适的文件名（如myFirstBook），然后单击“Rename”（重命名）按钮，即可完成笔记的重命名。Jupyter笔记文档的扩展名为.ipynb。

在图1-15中，我们注意到左边有一个“In[ ]:”标识，它提示我们这是一个输入代码的区域，我们可以在其中输入任意合法的Python语句。

1.6.3 Jupyter的使用

在如图1-15所示的代码单元格（cell）中可以输入相应的代码或文档。在Jupyter笔记中，有两种单元格，即代码单元格和文本单元格。每个单元格都有两种模式，即编辑模式（Edit mode）和命令模式（Command mode）。这种分类有点类似于UNIX系统中的Vim编辑器。在编辑模式下，我们可以在当前单元格输入文本或文档，当前单元格的边框呈现绿色，最左侧的边框会被加粗显示，如图1-17所示。

我们可以按Esc键，将编辑模式切换为命令模式。在命令模式下，无法输入代码或文档，此时可输入很多有用的快捷键，如按A键表示向上建立一个单元格，按B键表示向下建立一个单元格，按DD（连续按两个D）键表示可删除当前单元格等，更多快捷键功能可参考Jupyter中【Help】菜单栏下的Keyboard Shortcuts选项，单击Keyboard Shortcuts选项后，会显示如图1-18所示的常用快捷键。记住常见的快捷键，可大大提高我们的开发效率。

下面我们尝试在代码单元格中运行一些简单的代码语句，来感受一下Jupyter的风格。例如，在图1-19所示的编号为In[1]的代码单元格中输入“1+1”，然后按Shift+Enter组合键或者用鼠标单击图1-17中的▶|Run按钮，即可运行这段代码，Out[1]输出的结果为2。按Shift+Enter组合键的好处在于，除了能运行本单元格的代码，还会自动创建下一个单元格In [2]，我们可以分别在In [2]处定义一个变量“a=10”，在In [3]处输入“a+1”，于是在Out[3]处就会输出结果11。

当然，我们可以一次性在代码单元格中输入大段代码，如【范例1-2】所示。

【范例1-2】利用Matplotlib包绘图（plot.py）

我们暂不解释上述代码。在Jupyter的某个代码块（code cell）中输入上述代码后，同时按下Shift+Enter组合键运行这段代码，运行结果如图1-20中的内嵌图片所示。我们还可以用鼠标单击Jupyter中的View菜单，选择Toggle Line Number（切换到行号），显示代码框中的行号。

上面我们简单讲解了Jupyter的基本用法。如果Jupyter的功能仅限于此，那它和普通的IDE开发环境就没有什么本质上的区别。事实上，Jupyter的“文学化编程”到此并没有体现出来。那如何才能体现呢？这就要用到另外一种单元格—Markdown单元格。

1.6.4 Markdown编辑器

先来简单介绍一下Markdown。Markdown是一种轻量级的可使用普通文本编辑器编写的标记语言，由约翰·格鲁伯（John Gruber）于2004年创建。Markdown通过简单的语法标记，能使普通文本内容具备一定的格式。由于它的功能比纯文本编辑器强大很多，因此也有很多人用它来撰写文档或博客，例如GitHub、Matplotlib等网站就用它来呈现文档，知乎、CSDN及云栖社区等社区网站也支持Markdown格式的博客撰写。

在Jupyter的文本编辑单元格中，采用的就是Markdown的语法规范。在这个Markdown单元格中，我们可以设置文本格式，插入链接、图片甚至数学公式（类似于LaTeX），如图1-21所示。同样使用Ctrl+Enter组合键运行Markdown单元格即可显示格式化的文本。

在图1-21中，我们按照标号次序，❶先添加一个单元格（+），❷选择模块位置上移（↑），❸单击小按钮，选择单元格格式—Markdown，❹在Markdown单元格中输入我们要描述的文档，通过Markdown的特定语法让这个文档图文并茂。关于Markdown的具体用法，请读者自行参考相关文献。这里仅简单解释一下，在Markdown中，一个“#”表示一级标题，两个“#”表示二级标题，以此类推，Jupyter Notebook中共提供6级标题。需要注意的是，“#”与标题正文之间需要用一个空格隔开，否则Jupyter无法正确解析。

在文本编辑块中，按下Ctrl+Enter组合键即可格式化显示该段文本，如图1-22所示。于是，图文+代码并茂的文档便呈现在我们面前。如果我们想再次编辑对应的Markdown单元格，只需用鼠标选中对应的单元格，然后直接按回车键即可进入编辑模式。

代码单元格和Markdown单元格是可以自由切换的。Jupyter默认添加的单元格为代码单元格，如果想切换，除了在图1-21所示的第❸个按钮处进行切换，还可以在编辑模式下按Esc键脱离编辑模式，进入命令模式，然后按M键（即Markdown的首字母）把代码单元格变成Markdown单元格。

Jupyter中的Markdown和GitHub中Markdown完全一致，我们完全可以借鉴GitHub中的参考资料来编写文档。

丰富多彩的Markdown还提供了其他功能，如设置加粗、斜体，设置删除线，添加列表等，下面我们进行简单介绍。

在Markdown单元格中，如果我们想加粗某段文字，可以使用前后两个星号“**”包围这段文字，如图1-23所示。

按Shift+Enter组合键执行命令，加粗的文字如图1-24所示。

类似地，我们还可以对文字设置斜体、删除线、加粗斜体混合，以及引用文字等格式，如图1-25所示。

按Shift+Enter组合键分别执行上述Markdown单元格，格式化显示的文本如图1-26所示。

我们还可以在一行或多行间使用“-”和“*”创建项目列表形式。此外，还能使用1、2、3等数字生成有序列表。需要注意的是，上述字符或编号后面均要跟一个空格，以示与正文隔开，如图1-27所示。

同样，按Shift+Enter组合键分别执行上述Markdown单元格，格式化显示的序号如图1-28所示。