一文吃透 Jupyter Notebook

notebook 是 Jupyter项目的重要组件之一，它是一个代码、文本（有标记或无标记）、数据可视化或其它输出的交互式文档。Jupyter Notebook 需要与内核互动，内核是 Jupyter 与其它编程语言的交互编程 协议。Python 的 Jupyter 内核是使用 IPython。Jupyter Notebook 是基于网页的用于交互计算的应用程序。其可被应用于全过程计算：开发、文档编写、运行代码和展示结果。，除此之外，它还提供了一系列魔法操作，今天的文章着重讲解关于 Jupyter notebook 的魔法操作。

Jupyter Notebook 基本操作

安装 Jupyter Notebook

要使用 Jupyter，首先得安装 Jupyter notebook

安装 Jupyter Notebook 有两种方式：

1. 直接使用命令安装

pip3 install jupyter

2. 使用 Anaconda 安装

除了使用 pip 命令安装后，还可以使用 Anaconda 来安装，Anaconda 的下载网址详见官网下载，进入 到这个页面后选择相应的操作系统以及计算机已安装的 Python 对应版本后安装，按照步骤安装好后配置环境变量即可。安装好 Anaconda 后使用命令安装 Jupyter Notebook，安装命令如下：

conda install jupyter notebook

以上两步骤等待安装完即可。

启动 Jupyter notebook

启动程序也很简单，直接在终端输入 Jupyter notebook

jupyter notebook

以上命令运行结果如下：

这样 Jupyter notebook 就启动成功了，在众多平台中，Jupyter notebook 启动成功后会自动打开默认浏览器（在不指定浏览器的情况下），或者可以在启动 notebook 后，手动打开网页  http://localhost:8888/，启动成功后如下图所示

Jupyter notebook 一般都作为本地计算环境，但它也可以部署到服务器上远程访问。

Jupyter notebook 的使用

1、Jupyter 帮助文档

对于 Jupyter notebook 的使用可以在命令行短使用 jupyter notebook -h 或者 jupyter notebook --help 即可查看相关使用命令，终端输入jupyter notebook -h 后显示如下：

The Jupyter HTML Notebook.
This launches a Tornado based HTML Notebook Server that serves up an
HTML5/Javascript Notebook client.
...
--gateway-url=<Unicode> (GatewayClient.url)
    Default: None
    The url of the Kernel or Enterprise Gateway server where kernel
    specifications are defined and kernel management takes place. If defined,
    this Notebook server acts as a proxy for all kernel management and kernel
    specification retrieval.  (JUPYTER_GATEWAY_URL env var)
To see all available configurables, use `--help-all`
Examples
--------
    jupyter notebook                       # start the notebook
    jupyter notebook --certfile=mycert.pem # use SSL/TLS certificate
    jupyter notebook password              # enter a password to protect the server

2、操作页面介绍

要新建一个 notebook，点击按钮 New，选择 “Python3。后进入到操作页面，在操作页面中输一行 Python 代码后按快捷键 Shift-Enter 执行。如下图所示：

在 Jupyter notebook 中，最重要的是对文件中的 cell 或者 cells 进行操作，Cell 菜单主要包含了运行cells、运行cells后并在之后插入新的cell、运行所有cells、运行当前之上的所有cell、运行当前之下的所有cell、改变cell类型（code、markdown、raw nbconvert）等，cell 操作菜单栏如下：

菜单栏详细介绍：

• File: File 菜单中主要包含了以下功能：创建新的 Notebook、打开新的界面、拷贝当前 Notebook、重命名 Notebook、保存还原点、恢复到指定还原点、查看 Notebook 预览、下载 Notebook 、关闭 Notebook。

这里重点强调下下载 Notebook 选项，它可以将当前 Notebook 转为py文件、html文件、markdown 文件、rest 文件、latex 文件、pdf 文件。

• Insert: 插入 Cell，插入方式有两种：一种是在当前 cell 上方插入，一种是在当前 cell 下方插入。
  
• Cell：Cell 菜单主要包含了运行 cells、运行cells后并在之后插入新的 cell、运行所有 cells、运行当前之上的所有 cell、运行当前之下的所有cell、改变cell类型（code、markdown、raw nbconvert）等.
  
• Kernel ：Kernel 菜单主要包含了中断 kernel、重启 kernel、重启 kernel 并清除输出、重启 kernel 并运行所有 cell、重连 kernel、关闭 kernel、改变 kernel 类型等。
  
• Help：Help 菜单主要包含了用户交互引导、键盘快捷键、修改键盘快捷键、Notebook 帮助、Markdown 帮助、Jupyter-notebook-extensions 帮助、Python 帮助、IPython 帮助、Numpy 帮助、Scipy 帮助、Matplotlib 帮助、Sympy 帮助、pandas 帮助等
  

Jupyter notebook 的基本操作先介绍到这里，接下来开始 Jupyter notebook 的魔法操作。

Jupyter notebook 优点

• 编程时具有语法高亮、缩进、tab补全的功能。
  
• 可直接通过浏览器运行代码，同时在代码块下方展示运行结果。
  
• 以富媒体格式展示计算结果。富媒体格式包括：HTML，LaTeX，PNG，SVG等。
  
• 支持使用LaTeX编写数学性说明。

Jupyter notebook 魔法操作

魔法命令

IPython 中特殊的命令（在 Python 中没有）被称作“魔术”命令。这些命令可以使普通任务更便捷，更容易 控制 IPython 系统。魔法命令是 magic 函数主要包含两大类：

• 一类是行魔法（Line magic）前缀为 %
• 一类是单元魔法 (Cell magic) 前缀为 %%；

使用 %lsmagic 命令查看所有的魔法命令：

%lsmagic

输出为所有的魔法命令

Available line magics:
%alias  %alias_magic  %autoawait  %autocall  %automagic  %autosave  %bookmark  %cd  %clear  %cls  %colors  %conda  %config  %connect_info  %copy  %ddir  %debug  %dhist  %dirs  %doctest_mode  %echo  %ed  %edit  %env  %gui  %hist  %history  %killbgscripts  %ldir  %less  %load  %load_ext  %loadpy  %logoff  %logon  %logstart  %logstate  %logstop  %ls  %lsmagic  %macro  %magic  %matplotlib  %mkdir  %more  %notebook  %page  %pastebin  %pdb  %pdef  %pdoc  %pfile  %pinfo  %pinfo2  %pip  %popd  %pprint  %precision  %prun  %psearch  %psource  %pushd  %pwd  %pycat  %pylab  %qtconsole  %quickref  %recall  %rehashx  %reload_ext  %ren  %rep  %rerun  %reset  %reset_selective  %rmdir  %run  %save  %sc  %set_env  %store  %sx  %system  %tb  %time  %timeit  %unalias  %unload_ext  %who  %who_ls  %whos  %xdel  %xmode
Available cell magics:
%%!  %%HTML  %%SVG  %%bash  %%capture  %%cmd  %%debug  %%file  %%html  %%javascript  %%js  %%latex  %%markdown  %%perl  %%prun  %%pypy  %%python  %%python2  %%python3  %%ruby  %%script  %%sh  %%svg  %%sx  %%system  %%time  %%timeit  %%writefile
Automagic is ON, % prefix IS NOT needed for line magics.

魔术函数默认可以不使用百分号，只要没有变量和函数名相同。这个特点被称为“被动魔术”，可以 使用 %automagic 打开或关闭，一些魔术函数与 Python 函数很像，它的结果可以赋值给一个变量，例如：

path = %pwd
path

输出：

'D:\\Software\\python3\\study'

部分魔法命令详解

1、%run

%run 表示在 Jupyter notebook 中运行指定的 .py 文件，例如：创建一个新的 test .py 文件 输入内容后保存，输入内容:

import numpy as np
import pandas as pd
# 创建一个多维数组
data=pd.DataFrame(np.arange(20).reshape(4,5),index=list('abcd'),columns=list('ABCDE'))
print(data)

使用 %run  test .py 运行结果如下：

2、 %命令?

%命令? 用来显示命令的用法，例如：

%timeit?

3、%timeit 和 %%timeit

• %timeit 命令用来帮助测试系统性能，例如：

strings = ['foo', 'bazzle', 'quxix', 'python'] * 100
%timeit [x for x in strings if x[:3] == 'foo']

• %%time 将会给出cell的代码运行一次所花费的时间，例如：

%%time
data=pd.DataFrame(np.arange(20).reshape(4,5),index=list('abcd'),columns=list('ABCDE'))
data

4、%matplotlib

%matplotlib 表示集成绘图工具 Matplotlib，在IPython shell中，运⾏ %matplotlib 可以进⾏设置，可以创建多个绘图窗口，而不会干扰控制台 session：

在这里还用到另一个命令：%matplotlib inline ，它表示将 Matplotlib 内嵌到 Jupyter notebook 中，具体使用方法如下：

import numpy as np
%matplotlib inline
import matplotlib.pyplot as plt
plt.plot(np.random.randn(60).cumsum())

至此 Matplotlib 模块就集成成功了。

总结

本文详细介绍了 Jupyter notebook 使用以及魔法命令，使用 Jupyter notebook 做数据分析或者模型训练是很多工程师的选择工具之一，希望今天的这篇文章给使用 Jupyter notobook 的伙伴提供帮助，欢迎大家进群交流，我们一起努力，一起进步！