Python 資料全景課 / 第一部分　建立心智模型 · M2

M2　JupyterLab

notebook 看起來像一份文件，背後卻有一個一直在執行的 Python。分清楚「檔案裏寫着甚麼」和「記憶體裏有甚麼」，就能避開 notebook 最常見、也最難察覺的錯誤。

約 40 分鐘練習 notebook 1 個（有問題的 notebook）先修：M1

學完本單元，你能夠：

認出 JupyterLab 介面的主要部分，熟練 cell 的基本操作；
說出 notebook（檔案）和 kernel（記憶體）各自保存甚麼；
從左邊的 [n] 編號看出一個 notebook 曾經怎樣被執行；
用「重新啟動並全部執行」確認結果是可信的。

1JupyterLab 的介面 The JupyterLab interface

在 M1 建立的 python-course 資料夾裏執行 uv run jupyter lab，瀏覽器會打開下面這個畫面：

圖 1　JupyterLab 的介面。左邊是檔案瀏覽器，右邊是打開了的 notebook；最上面是選單，notebook 上方是工具列，最下面是狀態列。

位置	是甚麼	常用來
左邊	檔案瀏覽器，顯示專案資料夾	雙擊打開檔案；按 `+` 打開 Launcher，在 Notebook 一行選「Python 3 (ipykernel)」新增 notebook
上方分頁	每個打開的檔案一個分頁	同時打開幾個 notebook、YAML 檔
工具列	儲存、新增 cell、執行、停止、重新啟動	最右邊顯示這個 notebook 用的 kernel
中間	一格一格的 cell	寫程式和說明
狀態列	最下面一行	看 kernel 是 `Idle`（閒置）還是 `Busy`（執行中）

檔案瀏覽器裏，名稱前面有綠點的 notebook，代表它已經打開、有 kernel 在背後執行；分頁上的叉號變成圓點，代表有未儲存的改動。

2兩種 cell，兩種模式 Two kinds of cell, two modes

notebook 由 cell 組成，最常用的有兩種：

code cell：寫 Python。執行後，結果顯示在它下面，左邊出現 [n] 編號；
Markdown cell：寫說明文字，可以有標題、清單、粗體，甚至數學式。執行它就是把文字排好版顯示出來。

操作 cell 時有兩種模式，分別在於鍵盤輸入去了哪裏：

編輯模式：cell 裏有游標，輸入的是 cell 的內容。按 Enter 或點進 cell 進入；
命令模式：沒有游標，按鍵是對整格 cell 下命令。按 Esc 進入。

按鍵	模式	作用
`Shift`＋`Enter`	兩者皆可	執行這一格，跳到下一格
`Esc`／`Enter`	—	切換到命令模式／編輯模式
`A`／`B`	命令	在上面／下面插入一格
`D` `D`（按兩下）	命令	刪除這一格
`M`／`Y`	命令	把這一格改成 Markdown／code
`Z`	命令	復原剛才刪除的 cell

打字沒有反應，或者 cell 不見了

在命令模式下打字，字母會被當成命令：按了 D 兩下就刪掉了一格，按了 M 就把程式變成了文字。打字前先看清楚 cell 裏有沒有游標；刪錯了就在命令模式按 Z。

3notebook 和 kernel The notebook and the kernel

打開一個 notebook，其實同時有兩樣東西在運作：

圖 2　notebook 和 kernel 是兩樣東西。執行 cell 時，notebook 把程式碼送到 kernel；kernel 執行完，把輸出送回來。變數只存在 kernel 的記憶體裏。

notebook 是 .ipynb 檔案，保存每一格的程式碼、上次執行的輸出，以及左邊的編號。它只是一份紀錄。
kernel 是一個在背後執行的 Python，所有變數都在它的記憶體裏。在 M1 的專案裏，它就是 .venv 那一個 Python。

兩者各自獨立，所以：

儲存 notebook，不會保存變數。 關掉 JupyterLab 再打開，輸出還在，但 kernel 是新的，記憶體是空的。要用變數，得重新執行。JupyterLab 預設每 2 分鐘自動儲存一次，所以「不儲存就關掉」不一定能撤銷改動；想保留舊版本，用 Git（git-course）。
關掉 notebook 分頁，kernel 不一定停止。 它可能仍在背後佔用記憶體。要停止，選 Kernel → Shut Down Kernel。
重新啟動 kernel，檔案不會改變。 程式碼和舊的輸出都還在，只是記憶體清空了。

重點

看到的輸出，是上一次執行時的結果，不一定是「現在這段程式碼」的結果。

4執行次序 Execution order

每執行一次 code cell，kernel 就把計數加一，寫在那一格左邊：第一次執行的是 [1]，第二次是 [2]，如此類推。執行中的那一格顯示 [*]，從未執行過的顯示 [ ]。

一直顯示 [*]：停止執行

一格 cell 執行了很久還是 [*]（例如 M5 學迴圈時，寫了一個停不下來的迴圈），按工具列上的 ■，或者選 Kernel → Interrupt Kernel，就會中斷它，並顯示 KeyboardInterrupt。中斷只停下這一格，記憶體裏的變數仍在。按了還是停不下來，才用 Restart Kernel。

notebook 讓你可以按任何次序執行 cell，可以回頭修改再執行，也可以刪掉執行過的 cell。這是它方便的地方，也是問題的來源。下圖是一個真實會發生的情況：

圖 3　亂序執行的三個階段。①時檔案和記憶體一致；②改了程式碼、刪了一格，卻沒有重新執行，檔案和記憶體就對不上，但畫面上看不出問題；③重新啟動並全部執行，問題才浮現。

在第②步，notebook 看起來完全正常：每一格都有輸出，也沒有錯誤訊息。但是：

第二格寫着 0.9，記憶體裏的 discount 卻是 0.8，所以後面的價錢全是按八折計算的；
定義 tax_rate 的那一格已經刪除了，變數卻仍留在記憶體裏，所以最後一格照樣得出答案。

把這個 notebook 傳給別人，對方一打開執行，就會得到不同的結果，甚至出錯。

要看出問題，線索就在左邊的編號：

編號跳號（[4] 之後是 [6]）：中間有一格執行過，後來被刪除或改動了；
編號不是由上而下遞增（例如上面是 [7]，下面是 [3]）：cell 不是按次序執行的；
一格的輸出和它的程式碼對不上：這一格修改後沒有重新執行。

5重新啟動並全部執行 Restart and run all

解決的方法只有一個：清空記憶體，從第一格開始順序執行一次。選 Kernel → Restart Kernel and Run All Cells…，或者按工具列上的 ⏩ 按鈕。

執行完，如果編號由 [1] 開始、由上而下逐一遞增，而且沒有任何錯誤，這個 notebook 的結果就是可信的：任何人照着執行，都會得到同樣的結果。

養成習慣，在以下時候做一次：

儲存並交給別人之前；
結果看起來不對勁的時候；
刪除或改名了一個變數之後。

只按「重新啟動」不夠

Restart Kernel 只是清空記憶體，不會執行任何 cell；畫面上的舊輸出全部還在，看起來甚麼都沒變。要用的是 Restart Kernel and Run All Cells。

6容易混淆 Easily confused

這兩樣	分別
notebook 和 kernel	notebook 是檔案，保存程式碼和上次的輸出；kernel 是執行中的 Python，保存變數。
儲存和重新啟動	儲存把畫面上的內容寫進檔案，不影響記憶體；重新啟動清空記憶體，不影響檔案。
`Restart Kernel` 和 `Restart Kernel and Run All Cells`	前者只清空記憶體；後者清空之後由第一格順序執行全部 cell。
code cell 和 Markdown cell	前者交給 kernel 執行；後者只是排版文字，不經過 kernel。
`[ ]`、`[*]`、`[5]`	從未執行、正在執行、第五次執行時執行了這一格。

7動手：一個有問題的 notebook Hands-on: a broken notebook

下載 m2-bookshop-order.ipynb 和 books.yaml，放進 python-course 資料夾；
執行 uv run jupyter lab，打開這個 notebook。

這是一位同事傳來的 notebook，計算小書店現貨書打折後的總價，檔案裏保留了他上次執行的結果。先不要執行任何 cell，只看程式碼、輸出和編號，回答 notebook 最後的問題；然後才重新啟動並全部執行，找出並修好問題。

工程線（選做）

m2-lab-log-eng.ipynb：把 notebook 寫成一份實驗記錄。用 Markdown cell 寫目的、方法（包括一條數學式）和結論，用 code cell 計算 M0 感測器讀數的平均值和差距。其中一格被錯放成 code cell，你要把它改回 Markdown。需要 M0 的 sensor.json。

下一步

M3 開始學 Python 本身：數字、字串、布林值和 None，以及「變數只是名字」是甚麼意思。