Python学习教程：Pythonargparse模块

这篇 Python学习教程主要是对 argparse（Python标准库中推荐的命令行解析模块） 进行简要介绍。

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note 还有两个其他模块也可以完成相同的任务，分别是 getopt（与C语言中的 getopt() 等效）和已经过时的 optparse。需要注意的是 argparse 也是基于 optparse，因此在用法上非常相似。

概念

让我们通过使用 ls 命令来展示我们将在本 Python学习教程入门中探索的功能类型：

$ ls
cpython devguide prog.py pypy rm-unused-function.patch
$ ls pypy
ctypes_configure demo dotviewer include lib_pypy lib-python ...
$ ls -l
total 20
drwxr-xr-x 19 wena wena 4096 Feb 18 18:51 cpython
drwxr-xr-x 4 wena wena 4096 Feb 8 12:04 devguide
-rwxr-xr-x 1 wena wena 535 Feb 19 00:05 prog.py
drwxr-xr-x 14 wena wena 4096 Feb 7 00:59 pypy
-rw-r--r-- 1 wena wena 741 Feb 18 01:01 rm-unused-function.patch
$ ls --help
Usage: ls [OPTION]... [FILE]...
List information about the FILEs (the current directory by default).
Sort entries alphabetically if none of -cftuvSUX nor --sort is specified.
...

从这四个命令中我们可以学到一些概念：

• ls 命令在不接受任何参数时也是有作用的，它默认用于展示当前目录下的内容。
• 如果我们想它让提供非默认以外的功能，我们必须指定更多的参数。在这个例子中，我们想要展示一个不同的目录：pypy。我们所做的是指定所谓的位置参数。之所以这样命名，是因为程序仅根据命令行中的位置知道该值的用途。这个概念和 cp 之类的命令更相关，cp 命令最基本的用法是 cp SRC DEST。第一个位置是你要复制的内容，第二个位置是你要复制到的位置。
• 现在，假设我们要更改程序的行为。在我们的示例中，我们为每个文件显示更多偏偏，而不仅仅是显示文件名。在这种情况下，-l被称为可选参数。
• 这是帮助文本的的一小段。它非常有用，因为你可以通过它找到从未使用过的程序，并且只需要阅读帮助文本即可了解其工作方式。

基础用法

让我们从一个非常简单的例子开始，这个例子几乎什么事情都没做：

import argparse
parser = argparse.ArgumentParser()
parser.parse_args()

下面是执行这段代码的结果：

$ python3 prog.py
$ python3 prog.py --help
usage: prog.py [-h]
optional arguments:
 -h, --help show this help message and exit
$ python3 prog.py --verbose
usage: prog.py [-h]
prog.py: error: unrecognized arguments: --verbose
$ python3 prog.py foo
usage: prog.py [-h]
prog.py: error: unrecognized arguments: foo

下面是这段代码做了什么的解释：

• 不带任何参数执行这个脚本没有任何的输出，没有什么作用。
• 第二个开始显示 argparse 模块的用处，我们几乎什么也没做，但是已经得到了很好的帮助信息
• --help 选项可以简写成 -h，它是唯一一个我们能指定的选项（即不需要代码定义），指定任何其他的都会导致报错。但即使这样，我们仍然已经免费获得了帮助信息。

位置参数介绍

一个例子：

import argparse
parser = argparse.ArgumentParser()
parser.add_argument("echo")
args = parser.parse_args()
print(args.echo)

运行这段代码：

import argparse
parser = argparse.ArgumentParser()
parser.add_argument("echo")
args = parser.parse_args()
print(args.echo)

代码解释：

• 我们增加了 add_argument() 方法，这个方法用于指定程序可以接受的命令行。在这个例子中，我将它命名为 echo，与它的功能相符合。
• 这时我们调用程序需要我们指定选项。
• parse_args() 方法实际上会从我们指定的选项中返回一些数据，在这个例子中为 echo。
• 最近的 args.echo 是 argparse 内部执行的某种“魔法”（不需要手动指定哪个变量来存储值）。同时它的名称与执行程序时传入的字符串是一致的。

然而请注意，尽管帮助信息看起来不错，但目前并不是很有用。例如，我们看到了我们将 echo 作为了位置参数，但除了猜测和阅读源代码外，我们不知道它的作用。因此，让我们将它变得更加有用：

import argparse
parser = argparse.ArgumentParser()
parser.add_argument("echo", help="echo the string you use here")
args = parser.parse_args()
print(args.echo)

这时我们将得到：

$ python3 prog.py -h
usage: prog.py [-h] echo
positional arguments:
 echo echo the string you use here
optional arguments:
 -h, --help show this help message and exit

现在，让我们来做一些更有用的事情：

import argparse
parser = argparse.ArgumentParser()
parser.add_argument("square", help="display a square of a given number")
args = parser.parse_args()
print(args.square**2)

上面代码执行的结果如下：

$ python3 prog.py 4
Traceback (most recent call last):
 File "prog.py", line 5, in 
 print(args.square**2)
TypeError: unsupported operand type(s) for ** or pow(): 'str' and 'int'

结果不是很好，这是因为 argparse 将我们给的选项当成了字符串，除非我们手动指定类型。因此，让我们来告诉 argparse 将它视为一个整数：

import argparse
parser = argparse.ArgumentParser()
parser.add_argument("square", help="display a square of a given number",
 type=int)
args = parser.parse_args()
print(args.square**2)

下面是上述代码的执行结果：

$ python3 prog.py 4
16
$ python3 prog.py four
usage: prog.py [-h] square
prog.py: error: argument square: invalid int value: 'four'

结果很好，程序甚至可以在执行前因为错误输入而结束。

可选参数介绍

到目前为止，我们已经介绍过了位置参数。接下来让我们看下如何添加一个可选参数：

import argparse
parser = argparse.ArgumentParser()
parser.add_argument("--verbosity", help="increase output verbosity")
args = parser.parse_args()
if args.verbosity:
 print("verbosity turned on")

运行结果：

$ python3 prog.py --verbosity 1
verbosity turned on
$ python3 prog.py
$ python3 prog.py --help
usage: prog.py [-h] [--verbosity VERBOSITY]
optional arguments:
 -h, --help show this help message and exit
 --verbosity VERBOSITY
 increase output verbosity
$ python3 prog.py --verbosity
usage: prog.py [-h] [--verbosity VERBOSITY]
prog.py: error: argument --verbosity: expected one argument

代码解释如下：

• 程序用于当指定了 --verbosity 时输出一些信息，而如果没有指定则不展示任何信息。
• 为了证明选项确实是可选的，当我们不带选项运行程序时并没有报错。需要注意的是，如果一个可选参数没有指定，与它相关联的参数（在这个例子中是 args.verbosity），默认情况下会赋值为 None，这也是 if 语句为 False 的原因。
• 帮助信息有一点不同。
• 当我们使用 --verbosity 选项时，还必须指定一些值，任意值都可以。

上面的例子对于 --verbosity 还可以接受任意整数，但对我们的程序来说，只有 True 和 False 是有用的。因此我们修改代码如下：

import argparse
parser = argparse.ArgumentParser()
parser.add_argument("--verbose", help="increase output verbosity",
 action="store_true")
args = parser.parse_args()
if args.verbose:
 print("verbosity turned on")

结果如下：

 python3 prog.py --verbose
verbosity turned on
$ python3 prog.py --verbose 1
usage: prog.py [-h] [--verbose]
prog.py: error: unrecognized arguments: 1
$ python3 prog.py --help
usage: prog.py [-h] [--verbose]
optional arguments:
 -h, --help show this help message and exit
 --verbose increase output verbosity

代码解释如下：

• 现在这个选项更像是一个标记，而不是仅仅需要一个值。我们甚至修改了这个选项的名字来匹配这个想法。需要注意的是，我们指定了一个新的关键词：action，并且它的值为：“store_true”。这意味着如果我们这个选项指定了，我们将给 args.verbose 赋值为 True，反之为 False。
• 当你手动指定选项的值时会报错，因为它实际存储的是 True。
• 注意帮助信息的不同。

短选项

如果你熟悉命令行的用法，你们发现目前为止我还没有涉及这个选项的简短版本的话题。下面是一个很简单的示例：

import argparse
parser = argparse.ArgumentParser()
parser.add_argument("-v", "--verbose", help="increase output verbosity",
 action="store_true")
args = parser.parse_args()
if args.verbose:
 print("verbosity turned on")

执行结果如下：

$ python3 prog.py -v
verbosity turned on
$ python3 prog.py --help
usage: prog.py [-h] [-v]
optional arguments:
 -h, --help show this help message and exit
 -v, --verbose increase output verbosity

注意在帮助信息中反映了这个新的功能。

位置参数与可选参数的结合

我们的程序变得越来越复杂了：

import argparse
parser = argparse.ArgumentParser()
parser.add_argument("square", type=int,
 help="display a square of a given number")
parser.add_argument("-v", "--verbose", action="store_true",
 help="increase output verbosity")
args = parser.parse_args()
answer = args.square**2
if args.verbose:
 print("the square of {} equals {}".format(args.square, answer))
else:
 print(answer)

输出如下：

$ python3 prog.py
usage: prog.py [-h] [-v] square
prog.py: error: the following arguments are required: square
$ python3 prog.py 4
16
$ python3 prog.py 4 --verbose
the square of 4 equals 16
$ python3 prog.py --verbose 4
the square of 4 equals 16

• 我们重新加入了位置参数，因此（直接运行程序）会报错
• 注意与选项顺序无关

我们如何让我们这个程序具有多个 verbosity 值，并实际使用这些值：

import argparse
parser = argparse.ArgumentParser()
parser.add_argument("square", type=int,
 help="display a square of a given number")
parser.add_argument("-v", "--verbosity", type=int,
 help="increase output verbosity")
args = parser.parse_args()
answer = args.square**2
if args.verbosity == 2:
 print("the square of {} equals {}".format(args.square, answer))
elif args.verbosity == 1:
 print("{}^2 == {}".format(args.square, answer))
else:
 print(answer)

输出如下：

$ python3 prog.py 4
16
$ python3 prog.py 4 -v
usage: prog.py [-h] [-v VERBOSITY] square
prog.py: error: argument -v/--verbosity: expected one argument
$ python3 prog.py 4 -v 1
4^2 == 16
$ python3 prog.py 4 -v 2
the square of 4 equals 16
$ python3 prog.py 4 -v 3
16

上面结果除了最后一个看上去都没问题。最后一个暴露了我们程序的一个 bug。让我们通过限制 verbosity 可接受的值来修复它：

import argparse
parser = argparse.ArgumentParser()
parser.add_argument("square", type=int,
 help="display a square of a given number")
parser.add_argument("-v", "--verbosity", type=int, choices=[0, 1, 2],
 help="increase output verbosity")
args = parser.parse_args()
answer = args.square**2
if args.verbosity == 2:
 print("the square of {} equals {}".format(args.square, answer))
elif args.verbosity == 1:
 print("{}^2 == {}".format(args.square, answer))
else:
 print(answer)

输出如下：

$ python3 prog.py 4 -v 3
usage: prog.py [-h] [-v {0,1,2}] square
prog.py: error: argument -v/--verbosity: invalid choice: 3 (choose from 0, 1, 2)
$ python3 prog.py 4 -h
usage: prog.py [-h] [-v {0,1,2}] square
positional arguments:
 square display a square of a given number
optional arguments:
 -h, --help show this help message and exit
 -v {0,1,2}, --verbosity {0,1,2}
 increase output verbosity

需要注意的是，对应的改变在报错信息和帮助信息中都有体现。

现在，让我们用另外一种更通用的方式来使用 verbosity 选项。这种方式与 CPython 解释器中处理 verbosity 选项相同（可通过 python --help 查看）：

import argparse
parser = argparse.ArgumentParser()
parser.add_argument("square", type=int,
 help="display the square of a given number")
parser.add_argument("-v", "--verbosity", action="count",
 help="increase output verbosity")
args = parser.parse_args()
answer = args.square**2
if args.verbosity == 2:
 print("the square of {} equals {}".format(args.square, answer))
elif args.verbosity == 1:
 print("{}^2 == {}".format(args.square, answer))
else:
 print(answer)

我们引入了另外一种 action："count"，它用于计算一个可选参数出现的次数：

$ python3 prog.py 4
16
$ python3 prog.py 4 -v
4^2 == 16
$ python3 prog.py 4 -vv
the square of 4 equals 16
$ python3 prog.py 4 --verbosity --verbosity
the square of 4 equals 16
$ python3 prog.py 4 -v 1
usage: prog.py [-h] [-v] square
prog.py: error: unrecognized arguments: 1
$ python3 prog.py 4 -h
usage: prog.py [-h] [-v] square
positional arguments:
 square display a square of a given number
optional arguments:
 -h, --help show this help message and exit
 -v, --verbosity increase output verbosity
$ python3 prog.py 4 -vvv
16

是的，现在我们的脚本比之前的版本多了一个标识（类似于之前的 action="store_true"）。可以在报错信息中看到这一解释。

它和 "store_action" 的作用类似。

这里是对 "count" 作用的证明。你可以在之前已经看到过这一个用法。

如果你不指定 -v 标识，这个标识被认为是 None。

正如我们认为的一样，当我们使用长选项，输出结果仍然是一样的。

然而，我们的帮助信息对这一个新功能解释得不是很好，但这一点仍旧是可以通过修改脚本代码来修复的（通过 help 关键字）。

最后一个输出暴露了我们程序的一个 bug。

让我们来修复它：

import argparse
parser = argparse.ArgumentParser()
parser.add_argument("square", type=int,
 help="display a square of a given number")
parser.add_argument("-v", "--verbosity", action="count",
 help="increase output verbosity")
args = parser.parse_args()
answer = args.square**2
# bugfix: replace == with >=
if args.verbosity >= 2:
 print("the square of {} equals {}".format(args.square, answer))
elif args.verbosity >= 1:
 print("{}^2 == {}".format(args.square, answer))
else:
 print(answer)

输出如果如下：

$ python3 prog.py 4 -vvv
the square of 4 equals 16
$ python3 prog.py 4 -vvvv
the square of 4 equals 16
$ python3 prog.py 4
Traceback (most recent call last):
 File "prog.py", line 11, in 
 if args.verbosity >= 2:
TypeError: '>=' not supported between instances of 'NoneType' and 'int'

开始的输出结果很理想，并且修复了之前的bug。也就是说，我们希望任何 >=2的值都尽可能详细。

第三个输出结果不是很理想

让我们修复这个 bug：

import argparse
parser = argparse.ArgumentParser()
parser.add_argument("square", type=int,
 help="display a square of a given number")
parser.add_argument("-v", "--verbosity", action="count", default=0,
 help="increase output verbosity")
args = parser.parse_args()
answer = args.square**2
if args.verbosity >= 2:
 print("the square of {} equals {}".format(args.square, answer))
elif args.verbosity >= 1:
 print("{}^2 == {}".format(args.square, answer))
else:
 print(answer)

我们刚刚引入了另外一个关键词：default。我们把它设置为 0 是为了让它可以进行整数比较。记住，默认情况下，如果一个可选参数没有被指定，它将得到 None 值，它不能进行整数比较（因此会报 TypeError 异常）。

这时我们再执行：

$ python3 prog.py 4
16

就目前为止所学到的东西，您可以走的很远，而且我们只是从头开始。 argparse模块功能非常强大，在结束本教程之前，我们将对其进行更多的探索。

深入一点

如果我们想扩展我们的小程序以执行其他幂运算，而不仅仅是做平方：

import argparse
parser = argparse.ArgumentParser()
parser.add_argument("x", type=int, help="the base")
parser.add_argument("y", type=int, help="the exponent")
parser.add_argument("-v", "--verbosity", action="count", default=0)
args = parser.parse_args()
answer = args.x**args.y
if args.verbosity >= 2:
 print("{} to the power {} equals {}".format(args.x, args.y, answer))
elif args.verbosity >= 1:
 print("{}^{} == {}".format(args.x, args.y, answer))
else:
 print(answer)

输出：

$ python3 prog.py
usage: prog.py [-h] [-v] x y
prog.py: error: the following arguments are required: x, y
$ python3 prog.py -h
usage: prog.py [-h] [-v] x y
positional arguments:
 x the base
 y the exponent
optional arguments:
 -h, --help show this help message and exit
 -v, --verbosity
$ python3 prog.py 4 2 -v
4^2 == 16

请注意，到目前为止，我们一直在使用 verbosity 级别来更改显示的文本。下面的示例改为使用 verbosity 级别来显示更多文本：

import argparse
parser = argparse.ArgumentParser()
parser.add_argument("x", type=int, help="the base")
parser.add_argument("y", type=int, help="the exponent")
parser.add_argument("-v", "--verbosity", action="count", default=0)
args = parser.parse_args()
answer = args.x**args.y
if args.verbosity >= 2:
 print("Running '{}'".format(__file__))
if args.verbosity >= 1:
 print("{}^{} == ".format(args.x, args.y), end="")
print(answer)

结果：

$ python3 prog.py 4 2
16
$ python3 prog.py 4 2 -v
4^2 == 16
$ python3 prog.py 4 2 -vv
Running 'prog.py'
4^2 == 16

冲突的选项

目前为止，我们一直使用 argparse.ArgumentParser 实例的两个方法。让我们引入第三个：add_mutually_exclusive_group()。它允许我们指定相互冲突的选项。让我们修改程序的其他部分，以便让我们引入新功能变得更有意义：我们将引入 --quiet 选项，它是 --verbose 的对立：

import argparse
parser = argparse.ArgumentParser()
group = parser.add_mutually_exclusive_group()
group.add_argument("-v", "--verbose", action="store_true")
group.add_argument("-q", "--quiet", action="store_true")
parser.add_argument("x", type=int, help="the base")
parser.add_argument("y", type=int, help="the exponent")
args = parser.parse_args()
answer = args.x**args.y
if args.quiet:
 print(answer)
elif args.verbose:
 print("{} to the power {} equals {}".format(args.x, args.y, answer))
else:
 print("{}^{} == {}".format(args.x, args.y, answer))

我们的程序更加简单了，为了演示我们丢掉了一些功能。总之，下面是输出结果：

$ python3 prog.py 4 2
4^2 == 16
$ python3 prog.py 4 2 -q
16
$ python3 prog.py 4 2 -v
4 to the power 2 equals 16
$ python3 prog.py 4 2 -vq
usage: prog.py [-h] [-v | -q] x y
prog.py: error: argument -q/--quiet: not allowed with argument -v/--verbose
$ python3 prog.py 4 2 -v --quiet
usage: prog.py [-h] [-v | -q] x y
prog.py: error: argument -q/--quiet: not allowed with argument -v/--verbose

那应该很容易理解。在最后一个输出里，我添加了长选项与短选项的混合，这样你能看到选项顺序的灵活性。

在我们总结之前，你可能会想告诉用户你程序主要用来做什么，以防他们不知道：

import argparse
parser = argparse.ArgumentParser(description="calculate X to the power of Y")
group = parser.add_mutually_exclusive_group()
group.add_argument("-v", "--verbose", action="store_true")
group.add_argument("-q", "--quiet", action="store_true")
parser.add_argument("x", type=int, help="the base")
parser.add_argument("y", type=int, help="the exponent")
args = parser.parse_args()
answer = args.x**args.y
if args.quiet:
 print(answer)
elif args.verbose:
 print("{} to the power {} equals {}".format(args.x, args.y, answer))
else:
 print("{}^{} == {}".format(args.x, args.y, answer))

需要注意的是帮助信息有些许的变化。注意 [-v | -q] 是告诉我们可以使用任意一个，但不能同时使用：

$ python3 prog.py --help
usage: prog.py [-h] [-v | -q] x y
calculate X to the power of Y
positional arguments:
 x the base
 y the exponent
optional arguments:
 -h, --help show this help message and exit
 -v, --verbose
 -q, --quiet

总结

argparse模块提供的功能远远超出此处所示。它的文档非常详细和透彻，并有许多示例。相信你在阅读完本次的 Python学习教程后，应该轻松消化它们，而不会感到不知所措。更多的 Python学习教程也会继续为大家更新，伙伴们有不清楚的地方，可以留言！