包括两部分：

  • pip：包下载安装
  • venv：虚拟环境管理

在部分 Linux 发行版（例如 Ubuntu）中即使系统自带 Python，也可能只是包括了最基础的功能，并不包括 pip 和 venv，需要单独下载安装

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sudo apt-get install python3-pip python3-venv

这些内容在不同的系统（Windows/Linux）中的实现细节各有不同，在不同的 shell（pwsh/bash/fish）中，对应的脚本实现也有差异，下面以 Linux + bash 为主，也会考虑 Windows + pwsh 的情况。

pip

基本使用

使用 pip 可以安装 Python 包，常见形式为

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pip install <package_name>

例如安装进度条 tqdm

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pip install tqdm

pip 会自动处理包的版本要求和依赖关系，依赖关系在不同系统下可能存在差异，例如：

  • 在 Linux 上只会安装 tqdm 自身；
  • 在 Windows 上会自动安装两个包：colorama, tqdm，前者是 tqdm 的依赖。

但是 pip 在卸载时并不能自动处理这种依赖关系，而是采用了非常保守的策略：永远不会自动卸载依赖，例如卸载 tqdm 不会导致它的依赖包 colorama 被卸载，用户必须手动操作。

卸载指定的包

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pip uninstall tdqm

列出当前所有的包

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pip list

升级指定的包

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pip install --upgrade requests
# or
pip install -U requests

可以在下载或升级时指定包的版本

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pip install requests==2.31.0

由于各个包之间可能存在复杂的依赖关系，批量安装和分别安装时会有不一样的结果：

  • 批量安装：pip 会同时解析所有依赖，找到兼容的版本
  • 分别安装：逐个安装，可能产生冲突或依赖覆盖

因此建议尽量一次性安装多个包，而不是逐个安装。

注意：

  • pip 安装的包默认会存放在特定位置的 site-packages/ 目录（位置直接与当前 Python 解释器的位置有关，也就是与当前环境有关）。
  • pip 本质上仍然是一个 Python 包，同名的可执行文件只是调用入口，实际会调用 site-packages/pip/ 目录中的内容。
  • 在使用时 pip 命令时要注意当前使用的是哪个环境（或虚拟环境）中的 pip。
  • 由于 Python 本身是一个脚本语言，它的包管理器 pip 不仅可以提供用户需要的库，实际上也可以直接提供可执行文件，作为 apt/pacman 等系统包管理器的替代。

pip 配置

pip 可以切换镜像源，临时修改可以通过添加 -i 选项实现，例如

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pip install -i https://pypi.mirrors.ustc.edu.cn/simple numpy

持续性修改

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pip config set global.index-url https://mirrors.ustc.edu.cn/pypi/simple

在 Linux 中，这里相当于修改配置文件 ~/.config/pip/pip.conf

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[global]
index-url = https://mirrors.ustc.edu.cn/pypi/simple

安装方式

除了通过 PyPi 进行安装之外，pip 还支持很多安装方式，下面分别介绍。

可以通过 Github 仓库安装：（包括 HTTPS 和 SSH）

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pip install git+https://github.com/user/repo.git

pip install git+ssh://git@github.com/user/repo.git

当然这里要求该仓库的内容符合 Python 包的格式标准，例如有 setup.py 文件或者 pyproject.toml 等。

这里还可以指定 Git 仓库的分支或 tag

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pip install git+https://github.com/user/repo.git@main

pip install git+https://github.com/user/repo.git@2.3.0

注意这里 pip 不会通过 commit 信息判断版本，而是基于 pip 包的版本号信息判断是否需要更新。

可以通过本地 Git 仓库安装：

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pip install path/to/local/repo

可以通过 .tar.gz 或 .zip 文件进行源码安装：（也支持压缩包的 URL）

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pip install /path/to/package.tar.gz

显然这里也要求压缩包中的内容符合 Python 包的格式标准）

此外，还可以使用 Python 的 wheel 文件（后缀 .whl）进行模块安装，wheel 文件是被设计替代源码压缩包的二进制文件，它相比于压缩包的优势是已经包含了所有编译好的二进制文件，因此安装速度更快，并且可以避免一些编译问题。

环境导出和恢复

我们可以使用 requirements.txt 记录当前环境（或虚拟环境）的第三方依赖，例如

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numpy
matplotlib

bibtexparser==1.4.4
pyparsing==3.3.2

在其中既可以指定版本，也可以忽略版本（不建议）。

pip 使用如下命令可以导出当前的所有依赖（包括具体的版本），并保存到文件中，方便下次在别的位置安装

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pip freeze > requirements.txt

可以在其它位置通过该 requirements.txt 文件安装所有的依赖，从而恢复相同的环境（或虚拟环境）

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pip install -r requirements.txt

venv

venv 是 Python 提供的一个模块，用于创建隔离的虚拟环境来管理不同项目的依赖关系，每一个虚拟环境存储于一个目录下，但是并不限于在这个目录下使用，实际可以在任何其它位置激活和使用这个虚拟环境。

创建虚拟环境

在当前目录下创建一个名为 myenv 的虚拟环境

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python -m venv myenv

按照习惯，虚拟环境的文件夹通常被设置为 .venv 或 venv。（最好不要改动，否则还需要在 IDE 或者 shell 中进行额外的适配）

这个命令会在指定目录下创建一套 Python 运行时，通常包括以下几个关键部分：

  • bin/：包含一个虚拟的 Python 解释器（可执行文件）和 pip 以及命令脚本（针对各个shell）；
  • lib/pythonX.Y/site-packages/：存放该虚拟环境下所有的 Python 包，初始情况下可能只有 pip；
  • include/：包含C语言头文件，用于在该虚拟环境中进行扩展编译。

注：

  • 这里呈现的是 Linux 中的目录结构，对于 Windows 存在一些细微区别。在 Ubuntu 中设置了 lib64/ -> lib/。
  • 虚拟环境是由当前使用的 Python 解释器创建的，虚拟环境中虽然有一个名为 Python 或 Python3 的解释器，但是实质上还在使用创建时对应的 Python 解释器。
  • 虚拟环境不等于完整的 Python 运行时，只是改变了 site-packages 以隔离第三方依赖，虚拟环境不能摆脱创建时使用的 Python 运行时而独立存在。

虚拟环境有一个关键的配置信息文件 pyvenv.cfg，其中记录了 Python 版本信息，创建时的命令等信息，大致内容形如：

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home = /home/xxx/miniconda3/bin
include-system-site-packages = false
version = 3.12.1
executable = /home/xxx/miniconda3/bin/python3.12
command = /home/xxx/miniconda3/bin/python -m venv /home/xxx/test/myvenv

在第一次创建虚拟环境之后，习惯上会在下载依赖之前更新一下 pip

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python -m pip install --upgrade pip
# or
pip install --upgrade pip -q

venv 创建的虚拟环境会自带 pip，但是 uv 创建的虚拟环境就是不包含 pip 的。

激活、退出虚拟环境

虚拟环境所涉及的命令脚本实际上分别提供了 bash，cmd 和 pwsh 这几个版本，下面的讨论主要以 Linux 为例。

执行激活脚本可以激活（当前目录下的）虚拟环境，具体的激活命令与当前使用的 shell 相关，例如

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# windows pwsh
.\myenv\Scripts\Activate(.ps1)

# linux bash
source myenv/bin/activate

# linux fish
source myenv/bin/activate.fish

说明：

  • 在 Linux 中，不能直接执行对应脚本（因为这个脚本没有执行权限），而且只有通过 source（或 .）启动后才会对当前进程有效；（在 Windows 中不存在这种问题）
  • 也可以激活和使用其它目录下的虚拟环境，只需要相应调整命令中的路径即可。

激活环境之后，shell 的命令行提示符通常会变化，自动提示当前虚拟环境的名称，通常是当前项目目录的名称，例如

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(myenv) user@xxx$

使用 deactivate 命令可以退出当前的虚拟环境

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deactivate

deactivate 可能是通过单独的 shell 脚本提供，也可能是通过定义的 shell 函数提供。

激活虚拟环境实际上就是调用了对应目录中的激活脚本，执行了一些简单操作，主要包括：

  • 修改环境变量 PATH，将当前目录添加到环境遍历路径的开头，确保 python，pip 等命令会优先找到当前虚拟环境中的 Python 解释器，这同时会把对应的 site-packages/ 目录添加到模块搜索路径中，确保可以成功导入当前环境中所安装的包；
  • 修改环境变量 VIRTUAL_ENV 记录当前的虚拟环境；
  • 修改当前 shell 的命令行提示符；（受到 VIRTUAL_ENV_DISABLE_PROMPT 环境变量控制）
  • 提供一个 deactivate 命令，作用就是将 activate 所做的修改撤销。

退出激活环境则是撤销了上述过程的影响。

如果要删除虚拟环境，直接删除虚拟环境对应的整个目录即可。

不建议把整个虚拟环境目录在文件系统中移动，venv 虚拟环境在移动后可能出现问题。