【Python-Day 23】Python 模块化编程实战：创建、导入及 sys.path 深度解析

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17-【Python-Day 17】玩转函数参数(上)：轻松掌握位置、关键字和默认值
18-【Python-Day 18】玩转函数参数（下）：*args 与 **kwargs 终极指南
19-【Python-Day 19】函数的回响：深入理解 return 语句与返回值
20-【Python-Day 20】揭秘Python变量作用域：LEGB规则与global/nonlocal关键字详解
21-【Python-Day 21】一行搞定！Python lambda 匿名函数的妙用与实战
22-【Python-Day 22】代码的基石：模块(Module)的导入与使用详解
23-【Python-Day 23】Python 模块化编程实战：创建、导入及 sys.path 深度解析

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前言

在Python编程中，随着项目规模的扩大和代码量的增加，如何有效地组织和管理代码变得至关重要。模块（Module）是Python组织代码的基本方式之一，它允许我们将相关的代码（如函数、类、变量）封装在一个独立的文件中，从而提高代码的可重用性、可维护性和逻辑清晰度。在前面的文章中，我们学习了如何导入和使用Python内置模块以及第三方模块。本文将深入探讨如何创建和使用我们自己的自定义模块，这是从脚本小子迈向专业Python开发者的关键一步。掌握自定义模块的创建，能让你更好地构建结构化、可扩展的Python应用程序。

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一、Python 模块 (Module) 深度解析

在动手创建自己的模块之前，我们首先需要对Python模块有一个清晰且深入的理解。

1.1 模块的定义与核心价值

1.1.1 模块是什么？

在Python中，一个 .py 文件就可以被视为一个模块。这个文件可以包含可执行的代码、函数定义、类定义以及变量。模块允许我们将代码逻辑地组织起来，形成一个独立的命名空间（Namespace）。

简单来说： 你可以将模块想象成一个工具箱 ，里面装满了特定功能的工具（函数、类等）。当你需要用到某个功能时，只需要“导入”这个工具箱，然后拿出相应的工具即可。

1.1.2 模块的核心价值

创建和使用模块主要带来以下核心价值：

1. 代码组织 (Organization): 将相关的代码组织在不同的模块中，使得项目结构更加清晰，易于理解和导航。例如，一个Web应用可以将数据库操作、用户认证、工具函数分别放在不同的模块里。
2. 代码复用 (Reusability): 一旦一个模块被创建，它可以在多个不同的程序或项目中被导入和使用，避免了重复编写相同的代码。这大大提高了开发效率。
3. 命名空间管理 (Namespace Management): 每个模块都有其独立的命名空间。这意味着在一个模块中定义的名称（如函数名、变量名）不会与另一个模块中的相同名称发生冲突。例如，moduleA.my_function() 和 moduleB.my_function() 是两个完全不同的函数。
4. 可维护性 (Maintainability): 当代码被良好地组织到模块中后，定位和修复bug、添加新功能或修改现有功能都会变得更加容易，因为改动的影响范围通常局限于特定的模块。

1.2 为什么要创建自己的模块？

虽然Python拥有丰富的内置模块和庞大的第三方库生态，但在实际开发中，我们经常需要编写具有特定业务逻辑或功能的代码。将这些代码封装成自定义模块具有以下优势：

1. 封装项目特定逻辑: 针对项目需求，将核心功能、通用工具函数等封装成模块，方便项目内部复用和管理。
2. 构建大型应用: 对于复杂的应用程序，模块化是必然选择。它可以将大问题分解成小问题，每个模块负责一部分功能，最终组合成完整的应用。
3. 团队协作: 在团队开发中，不同成员可以负责开发不同的模块，通过接口进行交互，提高协作效率。
4. 代码分享与分发: 如果你编写了一些通用的、有价值的代码，可以将其打包成模块（甚至包），分享给其他人使用。

理解了模块的重要性后，接下来让我们动手创建第一个属于自己的Python模块。

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二、创建你的第一个自定义模块

创建自定义模块非常简单，本质上就是创建一个包含Python代码的 .py 文件。

2.1 步骤一：创建 .py 文件

首先，你需要创建一个新的文件，并以 .py 作为其扩展名。这个文件名将成为你的模块名（导入时使用）。

命名规范：

• 模块名应简短、小写，并可适当使用下划线以提高可读性（例如：my_utils.py, string_processor.py）。
• 避免使用Python内置模块名或已安装的第三方库名作为自定义模块名，以免发生冲突。

假设我们创建一个名为 greeting_utils.py 的模块，用于封装一些问候相关的函数。

（1） 使用代码编辑器创建

你可以使用任何文本编辑器或IDE（如VS Code, PyCharm）来创建这个文件。

（2） 文件内容示例（初始为空）

# greeting_utils.py
# 这是一个我们将要填充的自定义模块

2.2 步骤二：在模块中编写代码

创建了 .py 文件后，我们就可以在其中定义函数、类和变量了。这些定义的元素将成为模块的组成部分，可以被其他Python脚本导入和使用。

2.2.1 定义函数

在 greeting_utils.py 中，我们可以定义一些问候函数。

# greeting_utils.py

def say_hello(name):
    """向指定的人打招呼 (英文)"""
    return f"Hello, {name}! Welcome to our custom module."

def say_nihao(name):
    """向指定的人打招呼 (中文)"""
    return f"你好，{name}！欢迎使用我们的自定义模块。"

def say_hola(name):
    """向指定的人打招呼 (西班牙文)"""
    return f"¡Hola, {name}! Bienvenido a nuestro módulo personalizado."

代码解释:

• 我们定义了三个简单的函数：say_hello, say_nihao, 和 say_hola。
• 每个函数都接受一个 name 参数，并返回一个格式化的问候字符串。
• 推荐为每个函数编写文档字符串（docstring），说明其功能和用法。

2.2.2 定义类 (可选)

如果需要，模块中也可以包含类的定义。例如，我们可以为 greeting_utils.py 添加一个更复杂的问候器类。

# greeting_utils.py (接上文)

class Greeter:
    """一个可以设置默认问候语的问候器类"""
    def __init__(self, default_greeting="Hello"):
        self.default_greeting = default_greeting

    def greet(self, name):
        return f"{self.default_greeting}, {name}!"

代码解释:

• 我们定义了一个名为 Greeter 的类。
• __init__ 方法是构造函数，用于初始化对象的属性（这里是 default_greeting）。
• greet 方法使用实例的 default_greeting 属性来问候。

2.2.3 定义变量 (可选)

模块中也可以定义全局变量，这些变量在模块被导入后也可以被访问。

# greeting_utils.py (接上文)

MODULE_VERSION = "1.0.0"
AUTHOR = "CSDN Blogger"

代码解释:

• 我们定义了两个模块级别的常量 MODULE_VERSION 和 AUTHOR。

2.3 一个完整的模块示例

将上述代码整合到 greeting_utils.py 文件中，我们的第一个自定义模块就完成了：

# greeting_utils.py

MODULE_VERSION = "1.0.0"
AUTHOR = "CSDN Blogger"

def say_hello(name):
    """向指定的人打招呼 (英文)"""
    return f"Hello, {name}! Welcome to our custom module."

def say_nihao(name):
    """向指定的人打招呼 (中文)"""
    return f"你好，{name}！欢迎使用我们的自定义模块。"

def say_hola(name):
    """向指定的人打招呼 (西班牙文)"""
    return f"¡Hola, {name}! Bienvenido a nuestro módulo personalizado."

class Greeter:
    """一个可以设置默认问候语的问候器类"""
    def __init__(self, default_greeting="Hello"):
        self.default_greeting = default_greeting

    def greet(self, name):
        return f"{self.default_greeting}, {name}!"

# 模块的测试代码 (通常放在 if __name__ == "__main__": 块中)
if __name__ == "__main__":
    print(f"Running {__file__} as the main program.")
    print(f"Module Version: {MODULE_VERSION}")
    print(f"Author: {AUTHOR}")

    print(say_hello("Alice"))
    print(say_nihao("李明"))

    english_greeter = Greeter()
    print(english_greeter.greet("Bob"))

    spanish_greeter = Greeter(default_greeting="Saludos")
    print(spanish_greeter.greet("Carlos"))

    print("Module test finished.")

重点关注 if __name__ == "__main__":：这部分我们稍后会详细解释，它在模块开发中非常重要。

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三、导入并使用自定义模块

模块创建完成后，我们就可以在其他的Python脚本（或交互式解释器中）导入并使用它了。

3.1 创建主程序文件

假设我们的 greeting_utils.py 文件与我们要使用它的主程序文件 main_app.py 放在 同一个目录下。这是最简单的情况，Python默认会在此目录下查找模块。

目录结构：

my_project/
├── greeting_utils.py  # 我们的自定义模块
└── main_app.py        # 使用模块的主程序

现在，我们在 main_app.py 中编写代码来使用 greeting_utils 模块。

3.2 导入整个模块 (import module_name)

这是最常用的导入方式。它会导入整个模块，并通过 module_name.member_name 的方式访问模块中的成员。

3.2.1 访问模块内容

在 main_app.py 中：

# main_app.py

import greeting_utils  # 导入自定义模块

# 使用模块中的变量
print(f"Greeting Utils Module Version: {greeting_utils.MODULE_VERSION}")
print(f"Author: {greeting_utils.AUTHOR}")

# 使用模块中的函数
message_en = greeting_utils.say_hello("Developer")
print(message_en)

message_cn = greeting_utils.say_nihao("开发者")
print(message_cn)

# 使用模块中的类
default_greeter = greeting_utils.Greeter()
print(default_greeter.greet("Guest"))

custom_greeter = greeting_utils.Greeter(default_greeting="Hey there")
print(custom_greeter.greet("Friend"))

代码解释:

• import greeting_utils 语句告诉Python解释器加载 greeting_utils.py 文件。
• 之后，我们可以通过 greeting_utils. 前缀来访问其内部定义的 MODULE_VERSION, say_hello, Greeter 等。

运行 main_app.py 的输出将会是：

Greeting Utils Module Version: 1.0.0
Author: CSDN Blogger
Hello, Developer! Welcome to our custom module.
你好，开发者！欢迎使用我们的自定义模块。
Hello, Guest!
Hey there, Friend!

注意，greeting_utils.py 文件中 if __name__ == "__main__": 块内的代码 不会 在 main_app.py 导入时执行。

3.3 从模块中导入特定成员 (from module_name import ...)

如果你只需要模块中的一个或几个特定成员，可以使用 from ... import ... 语句。这种方式可以将指定的成员直接导入到当前命名空间，使用时无需模块名前缀。

3.3.1 导入特定函数/类

修改 main_app.py：

# main_app.py

from greeting_utils import say_hola, Greeter, MODULE_VERSION

# 直接使用导入的成员，无需模块名前缀
print(f"Module version (imported directly): {MODULE_VERSION}")

message_es = say_hola("Amigo")
print(message_es)

hola_greeter = Greeter(default_greeting="Qué tal")
print(hola_greeter.greet("Compañero"))

代码解释:

• from greeting_utils import say_hola, Greeter, MODULE_VERSION 将 say_hola 函数、Greeter 类和 MODULE_VERSION 变量直接导入到 main_app.py 的命名空间。
• 调用时可以直接使用 say_hola(...) 和 Greeter(...)。

3.3.2 导入并使用别名 (as)

如果导入的成员名称与当前脚本中的名称冲突，或者你想使用一个更简洁的名称，可以使用 as 关键字指定别名。

# main_app.py (续)

from greeting_utils import say_nihao as say_chinese_greeting
from greeting_utils import Greeter as MyCustomGreeter

message_zh = say_chinese_greeting("世界")
print(message_zh)

greeter_instance = MyCustomGreeter(default_greeting="你好呀")
print(greeter_instance.greet("朋友"))

# 也可以给整个模块起别名
import greeting_utils as gu
print(gu.say_hello("Pythonista"))

代码解释:

• from greeting_utils import say_nihao as say_chinese_greeting 将 say_nihao 函数导入，并将其重命名为 say_chinese_greeting。
• import greeting_utils as gu 导入整个模块，并将其命名为 gu，之后可以通过 gu.member 访问。

3.3.3 导入所有成员 (from module_name import *)

可以使用 from module_name import * 来导入模块中的所有公共成员（不以下划线 _ 开头的名称）。

# main_app.py (示例，但不推荐)

# from greeting_utils import * # 这会导入 greeting_utils 中所有公共名称

# print(AUTHOR) # 可以直接访问，但可能导致命名冲突
# print(say_hello("Everyone"))

⚠️ 注意：不推荐使用 from module_name import *

• 命名空间污染： 它会将模块中所有名称都导入到当前命名空间，很容易与当前脚本中已有的名称发生冲突，导致难以追踪的错误。
• 可读性差： 代码读者很难一眼看出某个函数或变量是来自哪个模块。

推荐始终明确地导入需要的成员，或者使用 import module_name 的方式。

3.4 if __name__ == "__main__": 的妙用

现在我们来详细解释在 greeting_utils.py 模块末尾看到的 if __name__ == "__main__": 语句。

3.4.1 解释其作用

Python解释器在执行一个 .py 文件时，会为该文件设置一个特殊的内置变量 __name__。

• 当文件作为主程序直接运行时（例如，通过命令行 python greeting_utils.py 执行），该文件的 __name__ 变量会被设置为字符串 __main__。
• 当文件作为模块被其他脚本导入时（例如，在 main_app.py 中 import greeting_utils），该模块的 __name__ 变量会被设置为模块的名称（不含 .py 后缀），即字符串 greeting_utils。

因此，if __name__ == "__main__": 条件块内的代码只有在 该文件被直接执行时 才会运行，而在它作为模块被导入时则不会执行。

3.4.2 实践应用

这个特性非常有用，通常用于：

1. 模块自测试： 在模块内部编写测试代码，用于验证模块功能的正确性。这些测试代码只在直接运行模块文件时执行，不会干扰导入该模块的程序。

   # my_module.py
   def add(a, b):
       return a + b
   
   if __name__ == "__main__":
       # 这是模块的自测试代码
       assert add(2, 3) == 5, "Test Case 1 Failed for add()"
       assert add(-1, 1) == 0, "Test Case 2 Failed for add()"
       print("All tests for my_module passed!")
   

2. 提供命令行接口： 使模块既可以被导入使用，也可以作为独立的命令行工具执行某些操作。

   # file_processor.py
   import sys
   
   def process_file(filepath):
       print(f"Processing file: {filepath}")
       # ... 实际的文件处理逻辑 ...
   
   if __name__ == "__main__":
       if len(sys.argv) > 1:
           file_to_process = sys.argv[1]
           process_file(file_to_process)
       else:
           print("Usage: python file_processor.py ")
   

   这样，你可以 import file_processor 并在你的代码中使用 process_file 函数，或者在命令行运行 python file_processor.py my_document.txt。

回顾我们的 greeting_utils.py，if __name__ == "__main__": 块中的 print 语句和函数调用，就是为了在直接运行 greeting_utils.py 时展示其功能，而当 main_app.py 导入它时，这些测试性的输出不会出现。

可视化理解 __name__：

另一个脚本 main.py

直接运行 python my_module.py

import my_module

my_module.py (__name__ = 'my_module')

main.py

不执行 if __name__ == '__main__': 内的代码

main.py 使用 my_module 的功能

执行 if __name__ == '__main__': 内的代码

my_module.py (__name__ = '__main__')

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四、Python 模块搜索路径

当你在Python代码中使用 import 语句时，Python解释器是如何找到对应的模块文件的呢？这就涉及到了模块搜索路径的概念。

4.1 什么是模块搜索路径?

Python解释器会按照一个预定义的顺序查找模块。这个顺序由一系列目录路径组成，统称为“模块搜索路径”。如果模块文件在这些路径中的任何一个被找到，导入就会成功；否则，会抛出 ModuleNotFoundError 异常。

4.2 sys.path 详解

Python将模块搜索路径存储在 sys 模块的 path 列表中，即 sys.path。它是一个包含字符串的列表，每个字符串代表一个目录。

4.2.1 查看 sys.path

你可以通过以下代码查看当前的模块搜索路径：

import sys

print("Python Module Search Path (sys.path):")
for path_item in sys.path:
    print(path_item)

运行结果示例 (具体路径会因操作系统和Python安装而异):

Python Module Search Path (sys.path):
/Users/your_username/my_project  # 通常第一个是当前脚本所在的目录
/Library/Frameworks/Python.framework/Versions/3.9/lib/python39.zip
/Library/Frameworks/Python.framework/Versions/3.9/lib/python3.9
/Library/Frameworks/Python.framework/Versions/3.9/lib/python3.9/lib-dynload
/Users/your_username/Library/Python/3.9/lib/python/site-packages
/Library/Frameworks/Python.framework/Versions/3.9/lib/python3.9/site-packages

4.2.2 sys.path 的组成 (通常顺序)

Python解释器通常按照以下顺序查找模块：

1. 当前目录： 包含输入脚本的目录（或者未指定文件时的当前工作目录）。这是为什么我们之前的 greeting_utils.py 和 main_app.py 在同一目录下时能直接导入。
2. PYTHONPATH 环境变量： 如果设置了 PYTHONPATH 环境变量，其中列出的目录会按顺序添加到搜索路径中。这允许你指定自定义的模块库位置。
3. Python安装相关的默认路径： Python安装时配置的与特定版本相关的库目录，如标准库和第三方包的 site-packages 目录。

4.3 如何让 Python 找到你的模块

如果你的自定义模块不在当前目录，或者你想在项目的任何地方都能导入它，有几种方法可以实现：

4.3.1 模块与主程序在同一目录 (最简单)

这是我们已经使用过的方法。只要模块文件和使用它的脚本文件位于同一个目录下，Python就能自动找到并导入它。

my_project/
├── my_module.py
└── main_script.py  # import my_module

4.3.2 将模块路径添加到 PYTHONPATH 环境变量

PYTHONPATH 是一个环境变量，它的值是一个或多个目录路径，Python会将这些路径加入到 sys.path 中。

• Linux/macOS:

  export PYTHONPATH="/path/to/your/modules_directory:$PYTHONPATH"
  

  可以将这行命令添加到你的 shell 配置文件中（如 .bashrc, .zshrc）使其永久生效。

• Windows:
  可以在“环境变量”设置中添加或修改 PYTHONPATH 变量，值为模块所在的目录路径，多个路径用分号 ; 分隔。

优点： 一次设置，所有Python脚本都能找到指定目录下的模块。
缺点： 可能会影响全局Python环境，不同项目间可能需要不同的 PYTHONPATH 配置。

4.3.3 在代码中动态修改 sys.path

你可以在Python脚本的开头，在 import 自定义模块之前，动态地将模块所在的路径添加到 sys.path 列表中。

import sys
import os

# 假设模块 my_custom_lib.py 在 ../libs/ 目录下
module_dir = os.path.abspath(os.path.join(os.path.dirname(__file__), '..', 'libs'))

if module_dir not in sys.path:
    sys.path.append(module_dir)

import my_custom_lib # 现在可以成功导入了

# ... 使用 my_custom_lib ...

代码解释:

• os.path.dirname(__file__) 获取当前脚本所在的目录。
• os.path.join() 用于构建跨平台的路径。
• os.path.abspath() 获取绝对路径。
• 检查路径是否已在 sys.path 中，如果不在则添加。

优点： 对项目更具针对性，不影响全局环境。
缺点： 需要在每个需要导入该模块的入口脚本中添加这段逻辑，或者在一个集中的配置文件中处理。对于大型项目，更推荐使用虚拟环境和包管理。

推荐做法：

• 对于简单脚本和模块，放在同一目录。
• 对于需要跨项目共享的个人工具模块，可以考虑 PYTHONPATH。
• 对于项目内部的模块组织，通常会结合 包 (Package) 的概念（我们将在下一篇文章中讨论），并使用虚拟环境来管理项目依赖，这样可以更好地隔离和管理模块搜索路径。

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五、自定义模块的最佳实践与注意事项

创建和使用自定义模块时，遵循一些最佳实践可以提高代码质量和可维护性。

5.1 命名规范 (PEP 8)

• 模块名： 应该是简短的、全小写的名称，如果需要提高可读性，可以使用下划线（e.g., data_processing.py, network_utils.py）。参考 PEP 8 模块命名约定。
• 模块内的名称： 函数名、变量名、类名等也应遵循PEP 8的规范（例如，函数名用 snake_case，类名用 CamelCase）。

5.2 保持模块的单一职责原则 (SRP)

一个模块应该专注于一个明确的功能领域。避免创建一个包含各种不相关功能的“万能”模块。

• 例如： 将字符串处理函数、日期时间工具、文件操作工具分别放在不同的模块中，而不是全部塞进一个 utils.py。
• 好处： 职责清晰的模块更易于理解、测试和维护。

5.3 避免循环导入 (Circular Imports)

循环导入是指两个或多个模块相互导入对方。
例如：

• module_a.py 中 import module_b
• module_b.py 中 import module_a

这会导致Python在加载模块时陷入死循环，通常会引发 ImportError。

如何避免：

• 重构代码： 审视模块间的依赖关系，尝试将共享的功能提取到第三个独立的模块中，或者改变依赖方向。
• 延迟导入： 在函数或方法内部进行导入（而不是在模块顶层）。这可以解决某些循环导入问题，但会使依赖关系不那么明显。

  # module_a.py
  # import module_b # 避免在顶层导入
  
  def func_in_a():
      import module_b # 在需要时导入
      module_b.some_function_from_b()
  

• 接口抽象： 通过定义清晰的接口来减少模块间的直接依赖。

5.4 模块文档字符串 (Module Docstrings)

为你的模块编写文档字符串是一个好习惯。模块文档字符串是模块文件顶部的第一个字符串字面量，用于解释模块的功能、内容以及如何使用它。

# my_data_module.py
"""
此模块提供了用于处理和分析特定数据集的工具。

主要功能包括：
- load_data(filepath): 从指定路径加载数据。
- clean_data(data_frame): 清洗数据框中的缺失值和异常值。
- analyze_trends(data_frame): 分析数据趋势并生成报告。

示例用法:
    import my_data_module
    df = my_data_module.load_data("data.csv")
    cleaned_df = my_data_module.clean_data(df)
    my_data_module.analyze_trends(cleaned_df)
"""

# 模块的其余代码...

文档字符串可以通过 help(module_name) 或 module_name.__doc__ 来访问。

5.5 使用 if __name__ == "__main__": 进行测试

如前所述，使用这个条件块来包含模块的测试代码或示例用法，使其在被导入时不会执行，但在直接运行时可以进行验证。

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总结

恭喜你！通过本文的学习，你已经掌握了Python中自定义模块的创建和使用这一重要技能。现在我们来回顾一下核心内容：

1. 模块的本质与价值：

   • 一个 .py 文件即一个模块，用于组织代码、提高复用性、管理命名空间。
   • 创建自定义模块有助于封装项目逻辑、构建大型应用和团队协作。

2. 创建自定义模块：

   • 只需创建一个 .py 文件，并在其中编写函数、类或变量。
   • 遵循良好的命名规范。

3. 导入和使用模块：

   • 使用 import module_name 导入整个模块，通过 module_name.member 访问。
   • 使用 from module_name import member1, member2 导入特定成员，可直接使用。
   • 使用 as 关键字为导入的模块或成员指定别名。
   • 谨慎使用 from module_name import * 以避免命名空间污染。

4. if __name__ == "__main__": 的重要性：

   • 用于区分模块是作为主程序运行还是被导入，常用于模块自测试或提供命令行接口。

5. 模块搜索路径 (sys.path)：

   • Python解释器按照 sys.path 中的目录顺序查找模块。
   • sys.path 通常包含当前目录、PYTHONPATH 环境变量指定的路径以及Python安装的默认路径。
   • 可以通过将模块放在同一目录、配置 PYTHONPATH 或动态修改 sys.path 来让Python找到你的模块。

6. 最佳实践：

   • 遵循PEP 8命名规范。
   • 保持模块的单一职责。
   • 注意避免循环导入。
   • 编写模块文档字符串。

掌握模块化编程是Python进阶的关键一步。它不仅能让你的代码更加整洁、易于管理，还能为你将来学习和构建更复杂的项目（如包、库和框架）打下坚实的基础。在下一篇文章中，我们将进一步探讨如何将多个模块组织成“包 (Package)”，敬请期待！

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