IPython是公认的现代科学计算中最重要的python工具之一，它是一个加强版的Python交互式命令行工具，与系统自带的Python交互环境相比，IPython具有以下几个明显特征：
- 可以在IPython环境下直接执行Shell命令；
- 自带jupyter notebook可视化Web UI，在机器学习、探索数据、可视化数据、绘制图形等场景特别有用；
- 拥有内省、Tab补全、魔术命令等更强大的交互功能。
由于IPython是在Python基础上的加强和改进，因此Python支持的操作IPython都能支持，这里只介绍IPython独有的特性。
（1）IPython输出排版更简洁、优美
# ipython
Python 3.7.1 (default, Dec 14 2018, 19:28:38)Type 'copyright', 'credits' or 'license' for more informationIPython 7.2.0 -- An enhanced Interactive Python. Type '?' for help.
In [1]: import numpy as np
In [2]: data = {i:np.random.randn() for i in range(8)}
In [3]: data
Out[3]:
{0: -0.5766847959613532,
1: 0.07627853416398143,
2: -0.4324362233814661,
3: 0.32576247075662484,
4: -1.743157746859355,
5: -0.19424417929423804,
6: 0.5078689531612759,
7: 0.6473981700412317}
下面是直接使用python输出的结果：
# python
>>> import numpy as np
>>> data = {i:np.random.randn() for i in range(8)}
>>> data
{0: -0.9975960400502005, 1: 0.5798703673494191, 2: 1.0895077046329829, 3: -0.6487195966701562, 4: 0.25476223198417464, 5: 0.33126542254804864, 6: 0.731273711422529, 7: -0.2774254426274084}
（2）IPython支持Tab补全
例如，我们想知道np.random下面有哪些以rand开头的方法，就可以输入np.random.rand后按Tab键，如果只匹配到一个，则直接补全；如果匹配到多个，则列出所有。
（3）IPython支持Shell快捷键
IPython支持常用的Shell快捷键：
- Ctrl+A：移动光标到本行的开头；
- Ctrl+E：移动光标到本行的结尾；
- Ctrl+U：删除光标前面的所有字符；
- Ctrl+K：删除光标后面的所有字符，包括光标位置的字符；
- Ctrl+L：清屏；
- Ctrl+P：以当前输入的字符作为起始字符，在命令历史中向后搜索匹配的命令；
- Ctrl+N：以当前输入的字符作为起始字符，在命令历史中向前搜索匹配的命令；
- Ctrl+C：中断执行；
（4）IPython支持更强大的内省（帮助）功能
Python只能使用help()函数来查阅帮助文档，IPython除了可以使用help()函数之外，还可以直接在一个对象后面加一个问号"?"来查阅帮助文档：
In [19]: np.random.randn?
Docstring:
randn(d0, d1, ..., dn)
Return a sample (or samples) from the "standard normal" distribution.
……
使用两个问号"??"可以查看源代码：
In [20]: np.random??
……
from __future__ import division, absolute_import, print_function
import warnings
# To get sub-modules
from .info import __doc__, __all__
……
使用星号问号"*?"可以匹配所有的函数和对象：
In [21]: np.random.rand*?
np.random.rand
np.random.randint
np.random.randn
np.random.random
np.random.random_integers
np.random.random_sample
（5）IPython支持强大的魔术命令
魔术命令以百分号%开头，常用的魔术命令有：
- %run：直接运行一个python脚本，将其中的变量和函数引入到当前会话中
# cat hello.py
msg = 'hello ipython'
print(msg)
In [1]: %run hello.py
hello ipython
In [2]: msg
Out[2]: 'hello ipython'
- %timeit：用来快速评估代码的执行效率
In [3]: import numpy as np
In [4]: a = np.random.randn(100,100)
In [5]: %timeit np.dot(a,a)
22.8 µs ± 55.7 ns per loop (mean ± std. dev. of 7 runs, 10000 loops each)
- %who和%whos：查看当前会话的变量列表
In [7]: %who
a msg np
In [8]: %whos
Variable Type Data/Info
-------------------------------
a ndarray 100x100: 10000 elems, type `float64`, 80000 bytes
msg str hello ipython
np module <module 'numpy' from '/ro<...>kages/numpy/__init__.py'>
- %quickref：显示IPython的快速参考文档
- %magic：显示所有的魔术命令及其详细文档
- %reset：删除当前会话的所有变量和导入的模块
- %logstart：开始记录IPython输入的所有命令，默认保存到当前工作目录下的ipython_log.py文件中
- %logstop：停止记录，关闭log文件
同样，在魔术命令后面也可以加问号"?"查看帮助文档
In [9]: %reset?
Docstring:
Resets the namespace by removing all names defined by the user, if
called without arguments, or by removing some types of objects, such
as everything currently in IPython's In[] and Out[] containers (see
the parameters for details).
……
（6）IPython可以直接执行Shell命令
在IPython环境中可以直接执行Shell命令，只需要造该Shell命令前加叹号"!"即可
In [11]: !ifconfig | grep "inet "
inet 192.168.126.111 netmask 255.255.255.0 broadcast 192.168.126.255
inet 127.0.0.1 netmask 255.0.0.0
inet 192.168.122.1 netmask 255.255.255.0 broadcast 192.168.122.255
（7）自动开启魔术命令
当使用%automagic on启动自动魔术命令后，输入魔术命令时可以省略百分号“%”
In [12]: %automagic on
Automagic is ON, % prefix IS NOT needed for line magics.
In [13]: pwd
Out[13]: '/root/ipython'
In [14]: ls
chapter10.ipynb hello.py
In [15]: cd ..
/root
In [16]: pwd
Out[16]: '/root'
（8）重新加载函数reload
使用reload()函数可以使得模块的修改立即生效：
假设现在有一个模块hello.py，里面有一个say_hello函数
# cat hello.py
def say_hello():
print('hello ipython')
In [1]: import hello
In [2]: hello.say_hello()
hello ipython
现在修改hello.py内容如下：
# cat hello.py
def say_hello():
print('ipython is a great tool')
如果直接调用say_hello()函数，得到的依然是旧的结果，只有调用reload()函数重新载入该模块，才能得到最新的输出
In [7]: import importlib
In [8]: importlib.reload(hello)
Out[8]: <module 'hello' from '/root/ipython/hello.py'>
In [9]: hello.say_hello()
ipython is a great tool
（9）IPython支持图形界面jupyter
除了控制台环境外，ipython另外一个强大的功能是图形环境。与控制台环境相比，它有两个显著的特点：方便编写多行代码；可以直接把数据可视化，显示在当前页面下。安装外jupyter后，直接在命令行输入ipython notebook，启动网页版的图形编程环境，它会在命令行启动一个轻量级的Web服务器，同时用默认浏览器打开当前目录所在的页面，在这个页面下可以直接打开某个notebook或者创建一个新的notebook。一个notebook是以.ipynb作为后缀的、基于json格式的文本文件。
# ipython notebook
[I 21:56:32.378 NotebookApp] JupyterLab extension loaded from C:\ProgramData\Anaconda3\lib\site-packages\jupyterlab
[I 21:56:32.378 NotebookApp] JupyterLab application directory is C:\ProgramData\Anaconda3\share\jupyter\lab
[I 21:56:32.397 NotebookApp] Serving notebooks from local directory: C:\Users\Mloong
[I 21:56:32.397 NotebookApp] The Jupyter Notebook is running at:
[I 21:56:32.398 NotebookApp] http://localhost:8888/?token=5fd5db92f5cfe7f6a7c520ac3ec58fc7042cea5429750682
[I 21:56:32.398 NotebookApp] Use Control-C to stop this server and shut down all kernels (twice to skip confirmation).
[C 21:56:32.621 NotebookApp] Copy/paste this URL into your browser when you connect for the first time, to login with a token: http://localhost:8888/?token=5fd5db92f5cfe7f6a7c520ac3ec58fc7042cea5429750682
[I 21:56:33.943 NotebookApp] Accepting one-time-token-authenticated connection from ::1
……
我们新建一个notebook，并画一个正弦曲线：
# 设置inline方式，直接把图片画在网页上
% matplotlib inline
# 导入必要的库
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
# 在[0,2*PI]直接取100个点
x = np.linspace(0,2*np.pi,num=100)
# 计算这100个点的正弦值，并保存到变量y中
y = np.sin(x)
# 画出x,y，即正弦曲线
plt.plot(x,y)
几乎所有的IPython控制台的技巧都可以在IPython notebook里使用。一个比较大的区别是，IPython notebook使用cell作为一个代码单元。在控制台里，写完代码直接按Enter键即可运行，而在IPython notebook里需要单击“运行”按钮或者使用快捷键Ctrl+Enter才能运行当前cell的代码。另外一个区别是IPython notebook有两个模式，一个是编辑模式，可以直接在这个cell上编写代码。另一个是命令模式，即输入的按键作为命令，而不是作为文本处理。使用Ctrl+M快捷键可以在编辑模式和命令模式之间切换。
命令模式下常用的快捷键有：
- J：移到上一个cell
- K：移到下一个cell
- A：在前面插入一个cell
- B：在后面插入一个cell
- DD：删除当前cell
- Ctrl+Enter：执行当前cell
- Shift+Enter：执行当前cell，并移到下一个cell，没有下一个就创建一个新的cell
可以通过Help->Keybord Shortcuts菜单，将常用快捷键设置成你习惯的样子。
