Python虚拟环境的激活与退出

虚拟环境基础概念

在深入探讨 Python 虚拟环境的激活与退出之前，我们先来了解一下什么是虚拟环境以及它为什么如此重要。

虚拟环境的定义

简单来说，虚拟环境是 Python 解释器的一个独立副本，在这个副本中，你可以安装特定版本的包，而不会影响系统级别的 Python 安装。这就好比是一个隔离的空间，你可以在里面随心所欲地摆弄各种 Python 包及其版本，而不用担心会对其他项目或者系统的 Python 环境造成干扰。

从技术层面讲，虚拟环境创建了一个包含特定 Python 解释器、标准库以及 site-packages 目录的独立环境。这个 site-packages 目录是安装第三方包的地方，每个虚拟环境都有自己独立的 site-packages，这就使得不同虚拟环境之间的包相互隔离。

虚拟环境的重要性

1. 项目依赖管理：不同的 Python 项目可能依赖于同一包的不同版本。例如，项目 A 依赖 Django 2.2，而项目 B 依赖 Django 3.0。如果没有虚拟环境，在同一系统中同时满足这两个项目的依赖几乎是不可能的，因为安装一个版本的 Django 会覆盖另一个版本。而虚拟环境可以让每个项目拥有自己所需版本的 Django，互不干扰。
2. 开发与部署一致性：在开发过程中，我们希望开发环境和部署环境尽可能一致。虚拟环境可以将开发过程中使用的包及其版本完整地记录下来，在部署时可以通过相同的虚拟环境配置来确保环境的一致性，减少因环境差异导致的问题。
3. 避免系统污染：直接在系统级 Python 环境中安装大量的包，可能会导致系统环境变得混乱，而且卸载某些包时还可能影响其他依赖该包的程序。虚拟环境则将这些操作限制在一个独立的空间内，对系统环境没有影响。

创建虚拟环境

在了解了虚拟环境的基本概念和重要性之后，我们来看看如何创建虚拟环境。在 Python 中，有多种工具可以用来创建虚拟环境，其中最常用的是 venv 模块（Python 3.3 及以上版本自带）和 virtualenv 工具（适用于 Python 2.7 及以上版本）。

使用 venv 模块创建虚拟环境

venv 模块是 Python 标准库的一部分，从 Python 3.3 开始引入，使用起来非常方便。

1. 创建基本虚拟环境 在命令行中，进入你想要创建虚拟环境的目录，然后执行以下命令：

python3 -m venv myenv

这里 myenv 是你给虚拟环境取的名字，你可以根据自己的喜好进行修改。执行上述命令后，会在当前目录下创建一个名为 myenv 的目录，这个目录就是你的虚拟环境。

2. 指定 Python 解释器版本 如果你系统中安装了多个版本的 Python，并且想要指定使用某个特定版本的 Python 来创建虚拟环境，可以通过以下方式： 假设你安装了 Python 3.8 和 Python 3.9，并且想要使用 Python 3.8 创建虚拟环境，可以这样做：

python3.8 -m venv myenv38

这样就会使用 Python 3.8 来创建名为 myenv38 的虚拟环境。

3. 创建包含额外包的虚拟环境 有时候，你可能希望在创建虚拟环境时就预装一些常用的包。例如，你希望在创建虚拟环境时就安装 numpy 和 pandas，可以使用 --prompt 选项结合 pip 来实现：

python3 -m venv --prompt="myenv [numpy,pandas]" myenv
source myenv/bin/activate
pip install numpy pandas

上述命令首先创建了一个名为 myenv 的虚拟环境，并设置了一个自定义的提示符，然后激活虚拟环境并安装了 numpy 和 pandas。

使用 virtualenv 工具创建虚拟环境

virtualenv 是一个非常流行的第三方工具，即使在 Python 版本低于 3.3 的情况下也能使用，而且功能十分强大。

1. 安装 virtualenv 如果你的系统中没有安装 virtualenv，可以使用 pip 进行安装：

pip install virtualenv

2. 创建虚拟环境 安装好 virtualenv 后，在命令行中进入想要创建虚拟环境的目录，然后执行以下命令：

virtualenv myenv

同样，myenv 是虚拟环境的名字，你可以自行修改。这会在当前目录下创建一个名为 myenv 的虚拟环境。

3. 指定 Python 解释器版本 和 venv 类似，virtualenv 也可以指定使用特定版本的 Python 解释器：

virtualenv -p /usr/bin/python3.8 myenv38

这里 /usr/bin/python3.8 是 Python 3.8 解释器的路径，你需要根据自己系统中 Python 解释器的实际路径进行修改。

4. 创建具有特定依赖的虚拟环境 virtualenv 也支持在创建虚拟环境时预装一些包。你可以创建一个 requirements.txt 文件，列出你想要安装的包及其版本，例如：

numpy==1.19.5
pandas==1.1.5

然后使用以下命令创建虚拟环境并安装这些包：

virtualenv myenv -r requirements.txt

这样就会创建名为 myenv 的虚拟环境，并安装 requirements.txt 文件中列出的包及其指定版本。

激活虚拟环境

创建好虚拟环境后，就需要激活它才能在其中安装和使用包。虚拟环境的激活方式因操作系统和所使用的 shell 不同而有所差异。

在 Linux 和 macOS 上激活虚拟环境

1. bash 和 zsh shell 如果你使用的是 bash 或 zsh shell，激活虚拟环境的命令如下：

• 使用 venv 创建的虚拟环境：

source myenv/bin/activate

这里 myenv 是你虚拟环境的目录名。激活后，命令行提示符会发生变化，通常会在前面加上虚拟环境的名字，例如 (myenv) user@host:~/project$。

• 使用 virtualenv 创建的虚拟环境：激活方式与 venv 创建的虚拟环境相同：

source myenv/bin/activate

2. csh 和 tcsh shell 对于 csh 和 tcsh shell，激活命令有所不同：

source myenv/bin/activate.csh

同样，myenv 是虚拟环境的目录名。

在 Windows 上激活虚拟环境

1. 命令提示符（CMD） 在 Windows 的命令提示符中，激活虚拟环境的命令如下：

• 使用 venv 创建的虚拟环境：

myenv\Scripts\activate.bat

• 使用 virtualenv 创建的虚拟环境：激活命令也是一样的：

myenv\Scripts\activate.bat

激活后，命令提示符会显示虚拟环境的名字，例如 (myenv) C:\Users\user\project>。

2. PowerShell 在 PowerShell 中，激活虚拟环境的命令为：

• 使用 venv 创建的虚拟环境：

myenv\Scripts\Activate.ps1

由于 PowerShell 默认禁止运行脚本，如果你遇到权限问题，可以通过以下命令更改执行策略来允许运行脚本：

Set-ExecutionPolicy -Scope CurrentUser -ExecutionPolicy RemoteSigned

然后再次尝试激活虚拟环境。

• 使用 virtualenv 创建的虚拟环境：激活命令同样是：

myenv\Scripts\Activate.ps1

虚拟环境激活后的操作

当虚拟环境激活后，你就可以在这个环境中安装、升级和管理包了，这些操作只会影响当前虚拟环境，而不会对系统级 Python 环境产生影响。

安装包

在激活的虚拟环境中，使用 pip 安装包非常简单。例如，要安装 requests 包，可以执行以下命令：

pip install requests

这会将 requests 包及其依赖安装到当前虚拟环境的 site-packages 目录中。

升级包

如果某个包有新版本可用，你可以使用 pip 进行升级。例如，要升级 numpy 包，可以执行：

pip install --upgrade numpy

查看已安装的包

你可以使用 pip list 命令查看当前虚拟环境中已安装的所有包及其版本：

pip list

这会列出所有已安装包的名称和版本号，例如：

Package    Version
---------- -------
numpy      1.19.5
pandas     1.1.5
requests   2.25.1

导出依赖列表

为了方便在其他地方（如部署环境）重新创建相同的虚拟环境，你可以导出当前虚拟环境中已安装包的列表。使用以下命令可以将已安装的包及其版本信息导出到 requirements.txt 文件中：

pip freeze > requirements.txt

requirements.txt 文件的内容类似如下：

numpy==1.19.5
pandas==1.1.5
requests==2.25.1

退出虚拟环境

当你完成了在虚拟环境中的操作，不再需要使用它时，就可以退出虚拟环境。退出虚拟环境的操作也因操作系统和 shell 而异。

在 Linux 和 macOS 上退出虚拟环境

在 bash、zsh、csh 或 tcsh shell 中，无论虚拟环境是用 venv 还是 virtualenv 创建的，退出虚拟环境的命令都是：

deactivate

执行这个命令后，命令行提示符会恢复到激活虚拟环境之前的状态。

在 Windows 上退出虚拟环境

1. 命令提示符（CMD） 在命令提示符中，退出虚拟环境的命令为：

deactivate.bat

2. PowerShell 在 PowerShell 中，退出虚拟环境的命令为：

deactivate.ps1

执行相应的退出命令后，虚拟环境就会被停用，你又回到了系统级的 Python 环境或者其他未激活虚拟环境的状态。

高级虚拟环境操作

除了基本的创建、激活、使用和退出虚拟环境之外，还有一些高级操作可以帮助你更好地管理虚拟环境。

嵌套虚拟环境

在某些情况下，你可能需要在一个已经激活的虚拟环境中再创建一个虚拟环境，这就是嵌套虚拟环境。虽然这种情况并不常见，但在一些复杂的开发场景中可能会用到。

1. 创建嵌套虚拟环境 假设你已经激活了一个名为 outerenv 的虚拟环境，现在要在其中创建一个名为 innerenv 的嵌套虚拟环境。在激活的 outerenv 中，使用 venv 模块创建嵌套虚拟环境的命令如下：

python -m venv innerenv

使用 virtualenv 创建的命令类似：

virtualenv innerenv

2. 激活嵌套虚拟环境 激活嵌套虚拟环境的方式和普通虚拟环境一样，在激活的 outerenv 中进入 innerenv 目录并激活：

source innerenv/bin/activate

在 Windows 上，根据不同的 shell 使用相应的激活命令。

3. 退出嵌套虚拟环境 退出嵌套虚拟环境同样使用 deactivate 命令，当你退出嵌套虚拟环境后，会回到外层虚拟环境。如果要完全退出所有虚拟环境，需要再次执行 deactivate 命令退出外层虚拟环境。

共享虚拟环境

在团队开发中，共享虚拟环境可以确保团队成员拥有一致的开发环境。虽然不能直接共享整个虚拟环境目录，但可以通过共享 requirements.txt 文件来实现。

1. 生成 requirements.txt 文件 在开发过程中，每当安装或升级了包，都应该更新 requirements.txt 文件。如前文所述，使用以下命令可以生成或更新 requirements.txt 文件：

pip freeze > requirements.txt

2. 其他成员使用 requirements.txt 创建虚拟环境 团队中的其他成员可以根据共享的 requirements.txt 文件创建具有相同依赖的虚拟环境。首先创建一个新的虚拟环境，例如使用 venv：

python -m venv myenv
source myenv/bin/activate

然后在激活的虚拟环境中安装 requirements.txt 文件中的包：

pip install -r requirements.txt

这样其他成员就可以拥有与你几乎相同的虚拟环境，减少因环境差异导致的问题。

虚拟环境的迁移

有时候你可能需要将虚拟环境从一个系统迁移到另一个系统。虽然不能简单地复制虚拟环境目录，但可以通过以下步骤实现迁移：

1. 导出依赖列表 在原系统中激活虚拟环境，然后导出 requirements.txt 文件：

pip freeze > requirements.txt

2. 在目标系统创建虚拟环境并安装依赖 在目标系统中，首先创建一个新的虚拟环境，例如使用 virtualenv：

virtualenv myenv
source myenv/bin/activate

然后将原系统中导出的 requirements.txt 文件复制到目标系统，并在激活的虚拟环境中安装依赖：

pip install -r requirements.txt

通过这种方式，就可以在目标系统中重建一个与原系统相似的虚拟环境。不过需要注意的是，某些包可能依赖于系统特定的库或配置，这种情况下可能需要额外的手动配置。

虚拟环境常见问题及解决方法

在使用虚拟环境的过程中，可能会遇到一些问题，下面我们来看看一些常见问题及其解决方法。

激活虚拟环境失败

1. 权限问题 在 Windows 的 PowerShell 中，如果遇到激活脚本无法执行的问题，通常是因为执行策略限制。如前文所述，可以通过以下命令更改执行策略：

Set-ExecutionPolicy -Scope CurrentUser -ExecutionPolicy RemoteSigned

在 Linux 和 macOS 上，如果提示权限不足，可以检查虚拟环境目录及其脚本的权限，确保当前用户有执行权限。例如，对于 venv 创建的虚拟环境，可以使用以下命令修改权限：

chmod +x myenv/bin/activate

2. 路径问题 如果虚拟环境的路径中包含空格或特殊字符，可能会导致激活失败。尽量避免在虚拟环境路径中使用空格和特殊字符。如果已经创建了这样的虚拟环境，可以尝试将其移动到一个路径简单的位置。

安装包失败

1. 网络问题 如果在安装包时遇到网络连接问题，例如超时或下载失败，可以检查网络连接是否正常。你可以尝试使用 ping 命令测试网络，或者更换网络环境。另外，有些包的安装源可能不稳定，可以尝试更换 pip 的安装源。例如，使用清华大学的 pip 源：

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

2. 依赖问题 某些包可能依赖于其他系统级的库，如果缺少这些库，安装可能会失败。例如，安装 numpy 时可能依赖于 BLAS 和 LAPACK 库。在 Linux 系统上，可以通过包管理器安装这些依赖，例如在 Ubuntu 上：

sudo apt-get install libblas-dev liblapack-dev

在 macOS 上，可以使用 brew 安装：

brew install openblas

虚拟环境中的 Python 版本与预期不符

1. 创建时指定错误 如果在创建虚拟环境时指定 Python 版本错误，可以重新创建虚拟环境并正确指定 Python 版本。例如，使用 venv 创建特定版本 Python 的虚拟环境：

python3.8 -m venv myenv38

2. 系统中 Python 版本混乱 如果系统中安装了多个 Python 版本，并且环境变量配置不正确，可能会导致虚拟环境使用错误的 Python 版本。可以检查 PATH 环境变量，确保正确的 Python 版本路径在 PATH 中靠前。在 Linux 和 macOS 上，可以编辑 .bashrc 或 .zshrc 文件，例如：

export PATH="/usr/local/bin/python3.8:$PATH"

在 Windows 上，可以通过系统属性 - 高级 - 环境变量来编辑 PATH 环境变量。

总结虚拟环境激活与退出的要点

虚拟环境的激活与退出是 Python 开发中非常基础且重要的操作。激活虚拟环境可以让我们在独立的环境中安装和使用包，避免对系统级 Python 环境的干扰，而正确退出虚拟环境则能让我们回到正常的系统环境。在不同的操作系统和 shell 中，激活与退出的命令略有不同，需要我们熟练掌握。同时，了解虚拟环境的高级操作和常见问题解决方法，可以帮助我们更高效地使用虚拟环境，提升 Python 开发的效率和稳定性。通过合理使用虚拟环境，我们能够更好地管理项目依赖，确保开发和部署环境的一致性，为 Python 项目的成功开发和运行奠定坚实的基础。