Day 7: モジュールとパッケージ

今日学ぶこと

• モジュールとは何か
• import文の使い方
• 標準ライブラリの活用
• パッケージの構造
• 仮想環境とpip

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モジュールとは？

モジュールは、Pythonのコードをまとめたファイル（.py）です。関数、クラス、変数を再利用可能な形で整理できます。

flowchart TB
    subgraph Module["モジュール（.py ファイル）"]
        A["関数"]
        B["クラス"]
        C["変数"]
    end

    Module --> D["他のプログラムで再利用"]

    style Module fill:#3b82f6,color:#fff
    style D fill:#22c55e,color:#fff

なぜモジュールを使うのか？

メリット	説明
再利用性	同じコードを複数のプログラムで使える
整理	コードを論理的な単位に分割できる
名前空間	名前の衝突を避けられる
保守性	変更箇所を特定しやすい

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import文

基本的なimport

# モジュール全体をインポート
import math

print(math.pi)        # 3.141592653589793
print(math.sqrt(16))  # 4.0

from ... import

特定の要素だけをインポート：

from math import pi, sqrt

print(pi)        # 3.141592653589793
print(sqrt(16))  # 4.0（math.をつけなくてよい）

エイリアス（別名）

import numpy as np  # 長い名前を短縮
import pandas as pd

# よく使われる慣例
import matplotlib.pyplot as plt

すべてをインポート（非推奨）

from math import *  # 全ての要素をインポート

# 推奨されない理由：
# - どこから来た名前か分からなくなる
# - 名前の衝突が起きやすい

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自作モジュール

モジュールの作成

my_module.py ファイルを作成：

# my_module.py
"""自作モジュールの例"""

PI = 3.14159

def greet(name):
    """挨拶を表示する"""
    print(f"Hello, {name}!")

def add(a, b):
    """2つの数を足す"""
    return a + b

class Calculator:
    """簡単な計算機"""
    def multiply(self, a, b):
        return a * b

モジュールの使用

同じディレクトリにある main.py から使用：

# main.py
import my_module

my_module.greet("Taro")  # Hello, Taro!
print(my_module.PI)      # 3.14159
print(my_module.add(3, 5))  # 8

calc = my_module.Calculator()
print(calc.multiply(4, 5))  # 20

__name__ と __main__

モジュールが直接実行されたか、インポートされたかを判定：

# my_module.py
def main():
    print("モジュールが直接実行されました")

if __name__ == "__main__":
    main()

python my_module.py  # "モジュールが直接実行されました" が表示される

# 別のファイルからインポート
import my_module  # main() は実行されない

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標準ライブラリ

Pythonには多くの便利な標準モジュールが含まれています。

よく使う標準モジュール

モジュール	用途	例
os	OS操作	ファイルパス、環境変数
sys	システム	コマンドライン引数
math	数学	三角関数、対数
random	乱数	ランダム値生成
datetime	日時	日付・時刻操作
json	JSON	JSONの読み書き
re	正規表現	パターンマッチング
collections	データ構造	Counter, defaultdict

os モジュール

import os

# カレントディレクトリ
print(os.getcwd())

# ディレクトリの内容を一覧
print(os.listdir('.'))

# 環境変数
print(os.environ.get('HOME'))

# パス操作
path = os.path.join('folder', 'file.txt')
print(path)  # folder/file.txt（OSに応じて）

# ファイルの存在確認
print(os.path.exists('file.txt'))

random モジュール

import random

# 0.0 から 1.0 の乱数
print(random.random())

# 範囲内のランダムな整数
print(random.randint(1, 10))

# リストからランダムに選択
fruits = ['apple', 'banana', 'cherry']
print(random.choice(fruits))

# リストをシャッフル
random.shuffle(fruits)
print(fruits)

# 複数の要素をランダムに選択
print(random.sample(range(100), 5))

datetime モジュール

from datetime import datetime, date, timedelta

# 現在の日時
now = datetime.now()
print(now)  # 2024-01-15 10:30:45.123456

# 日付のみ
today = date.today()
print(today)  # 2024-01-15

# 特定の日時を作成
dt = datetime(2024, 12, 25, 10, 30)
print(dt)  # 2024-12-25 10:30:00

# フォーマット
print(now.strftime('%Y年%m月%d日'))  # 2024年01月15日

# 日時の計算
tomorrow = today + timedelta(days=1)
next_week = today + timedelta(weeks=1)

json モジュール

import json

# Python → JSON文字列
data = {'name': 'Taro', 'age': 25, 'city': 'Tokyo'}
json_str = json.dumps(data, ensure_ascii=False)
print(json_str)  # {"name": "Taro", "age": 25, "city": "Tokyo"}

# JSON文字列 → Python
parsed = json.loads(json_str)
print(parsed['name'])  # Taro

# ファイルへの書き込み
with open('data.json', 'w', encoding='utf-8') as f:
    json.dump(data, f, ensure_ascii=False, indent=2)

# ファイルからの読み込み
with open('data.json', 'r', encoding='utf-8') as f:
    loaded = json.load(f)

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パッケージ

パッケージは、複数のモジュールをディレクトリにまとめたものです。

パッケージの構造

my_package/
├── __init__.py      # パッケージの初期化（空でも可）
├── module1.py
├── module2.py
└── subpackage/
    ├── __init__.py
    └── module3.py

__init__.py

パッケージを初期化するファイル。インポート時に実行されます：

# my_package/__init__.py
from .module1 import function1
from .module2 import function2

__all__ = ['function1', 'function2']

パッケージの使用

# 方法1: モジュールをインポート
from my_package import module1
module1.function1()

# 方法2: 関数を直接インポート
from my_package.module1 import function1
function1()

# 方法3: __init__.py で公開されているもの
from my_package import function1
function1()

# サブパッケージ
from my_package.subpackage import module3

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pip と外部パッケージ

pipとは？

pip はPythonのパッケージ管理ツールで、PyPI（Python Package Index）からパッケージをインストールできます。

基本的な使い方

# パッケージのインストール
pip install requests

# バージョン指定
pip install requests==2.28.0

# アップグレード
pip install --upgrade requests

# アンインストール
pip uninstall requests

# インストール済みパッケージ一覧
pip list

# パッケージ情報
pip show requests

requirements.txt

プロジェクトの依存関係を管理：

# 現在の環境を出力
pip freeze > requirements.txt

# requirements.txt からインストール
pip install -r requirements.txt

requirements.txt の例：

requests==2.28.0
numpy>=1.20.0
pandas

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仮想環境

プロジェクトごとに独立したPython環境を作成できます。

flowchart TB
    subgraph System["システムPython"]
        S["グローバルパッケージ"]
    end

    subgraph VE1["仮想環境A"]
        A["プロジェクトA用パッケージ"]
    end

    subgraph VE2["仮想環境B"]
        B["プロジェクトB用パッケージ"]
    end

    style System fill:#ef4444,color:#fff
    style VE1 fill:#3b82f6,color:#fff
    style VE2 fill:#22c55e,color:#fff

venv を使った仮想環境

# 仮想環境の作成
python -m venv myenv

# 仮想環境の有効化
# Windows
myenv\Scripts\activate
# macOS/Linux
source myenv/bin/activate

# 仮想環境を無効化
deactivate

仮想環境のメリット

メリット	説明
分離	プロジェクト間でパッケージが干渉しない
再現性	同じ環境を他のマシンで再現できる
クリーンな状態	システムPythonを汚さない

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モジュール検索パス

Pythonがモジュールを探す順序：

import sys
print(sys.path)

1. カレントディレクトリ
2. PYTHONPATH 環境変数
3. 標準ライブラリ
4. site-packages（pipでインストールしたパッケージ）

パスの追加

import sys
sys.path.append('/path/to/my/modules')

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まとめ

概念	説明	例
モジュール	.py ファイル	import math
パッケージ	ディレクトリ + __init__.py	from package import module
pip	パッケージ管理	pip install requests
venv	仮想環境	python -m venv myenv
標準ライブラリ	Python組み込みモジュール	os, sys, json など

重要ポイント

1. モジュールでコードを整理・再利用
2. from ... import で特定の要素だけをインポート
3. __name__ == "__main__" でスクリプト実行を判定
4. pipで外部パッケージをインストール
5. 仮想環境でプロジェクトごとに環境を分離

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練習問題

問題1: 基本

calculator.py というモジュールを作成し、add(), subtract(), multiply(), divide() の4つの関数を実装してください。別のファイルからインポートして使用してみましょう。

問題2: 標準ライブラリ

random モジュールを使って、1から100までのランダムな数を10個生成し、その合計と平均を表示するプログラムを書いてください。

チャレンジ問題

パッケージを作成してください：

• パッケージ名: utils
• モジュール: string_utils.py（文字列操作関数）
• モジュール: math_utils.py（数学計算関数）
• __init__.py でよく使う関数を公開

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参考リンク

• Python公式ドキュメント - モジュール
• Python公式ドキュメント - 標準ライブラリ
• pip ドキュメント
• PyPI - Python Package Index

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次回予告: Day 8では「ファイル操作と例外処理」について学びます。データの読み書きとエラーハンドリングをマスターしましょう！