2.4　使用集成开发环境PyCharm

和其他语言类似，Python程序可以使用Windows自带的命令行窗口通过命令来运行，但是这种方式对于较为复杂的程序工程来说，容易混淆相互之间的层级和交互文件。因此，在编写程序工程时，建议使用专用的集成开发环境PyCharm。

2.4.1　PyCharm的下载和安装

读者可以直接到PyCharm官网下载最新版，也可以使用笔者提供的安装包。在配套资源的somesofts子目录下找到安装包文件pycharm-community-2022.1.1.exe，该版本是目前主流版本，而且适用面广（支持Windows 7、Windows 10、Windows 11）。

直接双击它开始安装，安装过程比较简单。采用默认配置安装即可。如果想在桌面上生成PyCharm程序的快捷方式，可以在“安装选项”对话框上对“PyCharm Community Edition”前的复选框打勾，如图2-14所示。稍等片刻，安装完成，如图2-15所示。

最后单击“Finish”按钮，确认PyCharm安装完成。现在马上趁热打铁，创建一个简单的PyCharm项目并运行，从而测试PyCharm是否安装成功。

【例2.3】 第一个PyCharm项目

（1）单击桌面上新生成的 图标启动PyCharm，如果是第一次启动会出现Import PyCharm Settings对话框，意思是让我们导入PyCharm这个软件的配置，一般建议选择Do not import settings，即不导入配置，也就是由PyCharm自动指定即可。之后单击OK按钮，完成初始化设定。

（2）此时出现欢迎对话框，如图2-16所示。该对话框常用的按钮有两个，一个是New Project，用于创建新工程；另外一个是Open，用于打开一个已经存在的工程。而Get From VCS的意思是从版本控制工具VCS上面获取源码，这个初学者可以不用关注，一般企业里稍大的项目才会用到版本控制。

（3）单击New Project按钮来创建新工程，此时出现New Project对话框，在该对话框最上方的Location旁输入新工程的存储路径，比如D:\ex\mycv\pythonProject，并勾选Inherit global site-packages复选框，其他保持默认即可，如图2-17所示。

（4）单击Create按钮，PyCharm将创建一个简单的新项目，并生成一个main.py源码文件。这个文件里面已经有几行代码了，如下所示：

def print_hi(name):
   # Use a breakpoint in the code line below to debug your script.
   print(f'Hi, {name}')  # Press Ctrl+F8 to toggle the breakpoint.

# Press the green button in the gutter to run the script.
if __name__ == '__main__':
   print_hi('PyCharm')

代码很简单，就是两个函数：一个是main主函数，里面调用了自定义函数print_hi；另外一个是名为print_hi的自定义打印函数，里面调用了库函数print来输出字符串。

（5）让我们马上来运行这个文件。单击菜单栏中的Run→Run...或直接按快捷键Ctrl+F5，或者在左边的Project视图中右击main.py文件名，在弹出的快捷菜单中选择Run 'main'，还可以直接单击PyCharm右上角的三角箭头图标按钮，如图2-18所示。

代码运行后，如果在下方输出窗口中出现“Hi, PyCharm”，就表示PyCharm工作正常。现在我们学会了怎么新建一个项目，下面打开一个已经存在的项目，以此来加深PyCharm的使用体会。

【例2.4】 打开现有项目

（1）把例2.3的项目文件夹pythonProject复制一份，然后粘贴到磁盘某个路径下。笔者这里是把项目文件夹pythonProject剪切到路径D:\ex\mycvNew\下。注意是剪切，如果不小心用了复制，那就把路径d:\ex\mycv\下的pythonProject目录删掉。笔者故意用了一个新路径，目的是演示使用PyCharm打开一个已经存在的项目。

（2）打开PyCharm，在Welcome to Charm对话框上单击Open按钮通过Open按钮可以打开一个文件或一个项目，这里准备打开一个已经存在的项目。然后在Open File or Project对话框上选择项目文件夹，如图2-19所示。

接着单击OK按钮。此时会出现对话框，询问是否在当前窗口或新的窗口中打开项目，如图2-20所示。

我们直接单击This Windows按钮即可。随后，PyCharm将加载项目pythonProject，并自动打开main.py文件。然而，此时直接运行项目会报错，提示找不到Python解释器。这是因为这个项目最初是在d:\ex\mycv\下创建的，所以使用的Pythone解释器的路径是：

d:\ex\mycv\pythonProject\venv\Scripts\

由于d:\ex\mycv\下的pythonProject目录被删除了，而且项目文件夹移动到D:\ex\mycvNew\下，PyCharm依旧去d:\ex\mycv\pythonProject\venv\Scripts\下找解释器，当然找不到了。那怎么办呢？当然是要重新为项目配置解释器。

（3）开始配置解释器。在PyCharm中，单击菜单File→Setting，打开Settings窗口，然后在Settings窗口的左边单击Project：pythonProject，并选择Python Interpreter，此时可以看到右边Python Interpreter旁出现“[Invalid] Python 3.8(pythonProject)....”这样的提示，意思就是d:\ex\mycv\pythonProject\venv\Scripts\python.exe这个解释器已经无效了，如图2-21所示。

现在单击Python Interpreter右方的下拉箭头，在下拉菜单中选择Show All...，此时出现Python Interpreters对话框。在该对话框中，选中那个无效的解释器，如图2-22所示。

然后单击左上角的“-”图标或者直接按快捷键Alt+Delete来删除这个无效的解释器。删除后，再单击左上角的“+”图标或者直接按快捷键Alt+Insert来准备新增解释器，此时会出现Add Python Interpreters对话框。在该对话框中，一般会自动探测到新项目文件夹中解释器路径，并显示在Existing environment中，如图2-23所示。

直接单击OK按钮，回到Python Interpreters对话框，再单击该对话框上的OK按钮。此时我们在Settings对话框上可以看到Python解释器被成功添加了，如图2-24所示。

单击OK按钮关闭Settings对话框。然后在PyCharm中运行该项目，如果出现Edit Configuration对话框，则只需在Python Interpreter下拉菜单中选择刚刚添加的解释器即可，如图2-25所示。

随后可以正确运行新工程，运行结果如下：

Hi, PyCharm

2.4.2　了解PyCharm的虚拟环境

在图2-17中，在New environment using旁有个默认选项Viutualenv，这是什么意思呢？从字面意思看就是“新环境使用虚拟环境”。什么意思呢？

应用程序有时需要某个特定版本的库，因为它需要一个特定的bug已得到修复的库，或者它是使用一个过时版本的库的接口编写的。这就意味着无法通过一个Python来满足每个应用程序的要求。例如，应用程序A需要一个特定模块的1.0版本，但是应用程序B需要该模块的2.0版本，这两个应用程序的要求是冲突的，安装版本1.0或者版本2.0将会导致其中一个应用程序不能运行。

这个问题的解决方案就是为不同的应用各自创建一个虚拟环境（通常简称为virtualenv），包含一个特定版本的Python，以及一些附加包的独立的目录树。

应用程序A可以有自己的虚拟环境，其中安装了特定模块的1.0版本。而应用程序B拥有另外一个安装了特定模块2.0版本的虚拟环境。当应用程序B需要一个库升级到3.0版本时，也不会影响到应用程序A的环境。

如果直接在PyCharm中创建一个项目而不创建虚拟环境，那么安装的第三方包都会安装到系统Python解释器的site-packages文件夹下，比如：

 C:\Users\Administrator\AppData\Local\Programs\Python\Python38\Lib\site-pac
kages\

创建越多的项目，安装的库就越多。当我们新建一个项目时，必定会把site-packages下的所有库都导进来，而一些库这个项目根本就不需要，但是又不能删除（因为别的项目在用），这时就需要虚拟环境了。如果只创建一两个项目用于Python入门，那么用不用虚拟环境都不影响。了解了虚拟环境的背景知识，我们再来看一下Creat Project对话框，如图2-26所示。

New environment using下拉菜单中有4个选项，其中3个是虚拟环境，分别是Virtualenv、Pipenv和Conda，如图2-27所示。下面简要介绍一下前面两种。

1）Virtualenv

Virtualenv是本书默认使用的虚拟环境方式。通过Virtualenv创建的虚拟目录放在本项目下的venv文件夹中。比如，假设项目地址是E:\PycharmProjects\pythonProject，则虚拟环境的地址就是E:\PycharmProjects\pythonProject\venv，虚拟环境中库的地址就是E:\PycharmProjects\pythonProject\venv\Lib\site-packages。

Base Interpreter（基本解释器）就是系统Python解释器，也就是我们前面安装的Python软件，并配置好了环境变量。一般系统Python解释器的第三方库都在site-packages目录下，比如笔者的：

 C:\Users\Administrator\AppData\Local\Programs\Python\Python38\Lib\site-pac
kages\

Virtualenv一般配合requirements.txt文件对项目的依赖库进行管理。requirements.txt文件记录了本虚拟环境下的依赖库及其版本号，其生成方式如下：

打开Pycharm，按照例2.3的方式新建一个项目，然后单击菜单Tools→Sync Python Requirements，此时出现Sync Python requirements对话框，如图2-28所示。

直接单击OK按钮，根目录下自动生成一个空的requirements.txt文件。此时打开PyCharm左下角的Terminal（终端），在终端窗口的命令行旁输入如下命令后按回车键：

pip freeze > requirements.txt

此时requirements.txt中生成的内容如下：

contourpy==1.1.1
cycler==0.12.1
fonttools==4.53.0
importlib-resources==6.4.0
kiwisolver==1.4.5
matplotlib==3.7.5
numpy==1.24.4
opencv-python==4.10.0.84
packaging==24.1
pillow==10.3.0
pyparsing==3.1.2
python-dateutil==2.9.0.post0
six==1.16.0
zipp==3.19.2

这样的结构让人一目了然，且方便项目移植。当复制一个含有requirements.txt文件的项目时，可以在终端窗口中输入以下命令来安装所有的依赖库：

pip install -r requirements.txt

2）Pipenv

Pipenv是一种工具，提供了为Python项目创建虚拟环境所需的所有必要方法。在安装或卸载软件包时，它会通过Pipfile文件自动管理项目软件包。

Pipenv还会生成Pipfile.lock文件，该文件用于生成确定性构建并创建工作环境的快照。当项目要求和软件包版本很重要时，这对于安全敏感型的应用部署特别有用。

如果当前版本的Pycharm没有内置Pipenv，则需要安装。安装步骤如下：

单击开始菜单，输入cmd，打开命令行窗口，运行以下命令以确保系统中已安装pip：

pip --version

pipenv通过运行以下命令进行安装：

pip install --user pipenv -i https://pypi.tuna.tsinghua.edu.cn/simple

安装成功后可以查看pipenv.exe所在路径。在命令行窗口输入以下命令：

py -m site --user-site

返回的是库路径，比如：

C:\Users\Administrator\AppData\Roaming\Python\Python38\site-packages

将此路径最后的site-packages替换为Scripts，则变成：

C:\Users\Administrator\AppData\Roaming\Python\Python38\Scripts

这个路径就是pipenv.exe所在的目录。

通过Pipenv创建的项目，其虚拟环境并不在本项目的目录下，而是在“C:\Users\当前用户名\.virtualenvs”文件夹下。在Pipenv虚拟环境中不用requirements.txt，Pipfile是Pipenv虚拟环境用于管理项目依赖项的专用文件，该文件对于使用Pipenv是必不可少的。当为新项目或现有项目创建Pipenv环境时，会自动生成Pipfile。

2.4.3　在PyCharm下开发OpenCV程序

前面PyCharm开发的程序都是纯Python程序，并没有涉及OpenCV的代码。现在我们要在PyCharm下开发OpenCV代码。由于我们已经正确安装了Matplotlib、NumPy、opencv-python等开发包，因此，只要PyCharm能正确找到Python解释器，那么位于路径C:\Users\Administrator\AppData\Local\Programs\Python\Python38\Lib\site-packages\下的库就都可以被找到，则该路径下的cv2目录也可以被PyCharm感知，这样调用OpenCV库中的函数就不会报错了。如果把cv2改个名称，PyCharm也能马上感知到，并报错，无法运行OpenCV相关代码。

【例2.5】 第一个PyCharm下的OpenCV程序

（1）打开PyCharm，新建一个项目，项目目录是D:\ex\mycv\，项目名称保持默认pythonProject。注意，不要忘记勾选Inherit global site-packages复选框，以后示例中新建项目时都要勾选它，但不再提醒。

（2）在main.py中输入如下代码：

import cv2 as cv

if __name__ == '__main__':
    # 读取图像，支持 bmp、jpg、png、tiff等常用格式
    img = cv.imread("tree.png")
    cv.imshow("Hello,tree", img)  # 显示窗口
    cv.waitKey(0)  # 等待按键
    cv.destroyAllWindows()# 释放窗口

这些代码和例2.1中的代码几乎一样。注意把图片文件tree.png放到项目文件夹pythonProject下。

（3）按快捷键Ctrl+Shift+F10运行代码，运行结果如图2-29所示。

是不是感觉很简单。其实，只需通过pip正确安装好OpenCV，也就是site-packages目录下存在cv2目录即可。不信的话，可以把cv2改个名称再运行本示例，马上报错！

2.4.4　调试Python程序

和开发其他程序一样，Python程序有时也需要调试，比如设置断点、运行到断点处、单步执行、监视某个变量等。

在PyCharm中单步调试Python程序非常简单，只需设置好断点，然后按快捷键Shift+F9开始调试运行，就会执行到断点处，然后按快捷键Shift+F8开始单步执行（按快捷键Shift+F7也可以单步执行，并且遇到函数还能进入函数里面执行），如图2-30所示。

在窗口下方的Debug视图中，我们直接可以看到变量a的相关信息。通常，设置断点、单步执行、监视变量这三大手段对于调试基本够用了。

另外，在运行程序时，如果出现了语法错误，可以到PyCharm下方的“运行”窗口中查看错误说明，如图2-31所示。

图2-31中显示，第6行（line 6）出错了。如果我们需要定位这一行，可以单击错误提示信息中带下画线的部分，编辑器即可跳转到相应的行。