Jupyter概述
Project Jupyter是一个非营利性的开源项目，诞生于2014年的IPython项目，该项目支持跨所有编程语言的交互式数据科学和科学计算，并承认永久性开源免费。
目前Jupyter主要包含四个产品：
- Jupyter Notebook
- JupyterLab
- JupyterHub
- Voilà
除此之外，Jupyter还提供了一个便捷的web应用程序nbviewer用于分享Jupyter Notebook，以及小部件Widgets，用于支持在Jupyter笔记本中进行交互式数据可视化。
Jupyter Notebook
一个开源的网络应用程序，它允许你创建和共享包含实时代码、方程式、可视化和叙事文本的文档，适合捕捉整个计算过程:开发、记录和执行代码。用途包括:数据清理和转换，数值模拟，统计建模，数据可视化，机器学习等等
Jupyter notebook主要由以下两个部分组成
web应用程序：一个基于浏览器的工具，用于交互式编写文档，它结合了解释性文本、数学、计算和它们的富媒体输出。主要特性如下：
- 在浏览器中编辑代码，自动语法高亮，缩进，代码补全/纠正（Tab键）
- 从浏览器中执行代码，并附加计算结果到代码上
- 使用富媒体表示显示计算结果，如HTML、LaTeX、PNG、SVG等
- 使用Markdown对富文本进行浏览器内编辑(可用于代码注释)
- 能在markdown单元格中用LaTeX表示数学符号，并由MathJax原生呈现
笔记本文档：在web应用程序中可见的所有内容的表示，包括计算的输入和输出、解释性文本、数学、图像和对象的富媒体表示。主要特性如下：
- 文档内部是JSON文件，并以.ipynb扩展名保存。
- 由于JSON是一种纯文本格式，因此可以对其进行版本控制并与同事共享。
- 通过nbconvert工具，文档可以导出为一系列静态格式，包括HTML、reStructuredText、LaTeX、PDF和幻灯片。
- .ipynb扩展名的文件可通过nbviewer进行共享，当然也可以不依赖于nbviewer，自己通过nbconvert进行静态转换，然后分享。
Jupyter Notebook主要维护支持以下几款浏览器的最新版本：
- Chrome
- Safari
- Firefox
Jupyter Notebook 官方文档 Jupyter Notebook 官方案例
1 Jupyter安装与启动
1.1 安装
先决条件：Python 推荐安装方式：安装Anaconda（同时包含Python和Jupyter） 可选安装方式：在配有Python环境的前提下通过pip安装jupyter
1.2 启动
在终端执行命令：
#启动jupyter notebook（包装版本）
jupyter notebook
#启动jupyter notebook（真实版本）
jupyter-notebook
#启动时打开指定的.ipynb文件
jupyter notebook notebook.ipynb
#启动时修改端口号
jupyter notebook --port 9999
#启动时不打开web浏览器
jupyter notebook --no-browser
#查看启动的其他命令
jupyter notebook --help
启动成功后系统将自动跳转到对应页面（默认地址为http://localhost:8888）
2 notebook界面
管理面板（Notebook Dashboard）：
编辑界面（Notebook Editor）：
当您创建一个新的记事本文档时，您将看到记事本名称、菜单栏、工具栏和一个空的代码单元格。
笔记本由一系列单元格组成。单元格是一个多行文本输入字段，它的内容可以通过使用Shift-Enter执行，或单击工具栏的“Play”按钮，或单击菜单栏中的“cell, Run”。最常用的单元格类型主要为代码单元格（ code cells）、Markdown单元格（markdown cells）和原始单元格（raw cells）。
其中原始单元格（raw cells）提供了一个可以直接写入输出的地方。原始单元格直接通过nbconvert传递，保留并展现出目标的应有格式。例如，您可以在原始单元格中键入完整的LaTeX，只有通过nbconvert转换后，才会呈现LaTeX的渲染结果。
3 代码单元格
代码单元格允许编辑和编写新代码，具有完整的语法突出显示和Tab键代码补全功能。
- 运行Python代码的内核默认是IPython。
- 当代码单元被执行时，它所包含的代码被发送到与notebook相关联的内核。
- 内核计算返回的结果将作为单元格的输出显示在笔记本中。
- 输出不仅限于文本，还可能有许多其他形式的输出，包括matplotlib图形和HTML表(例如，在pandas数据分析包中使用的)。这被称为IPython的丰富显示功能。
4 Markdown单元格
以一种读写的方式记录计算过程，使用富文本交替使用描述性文本和代码。在IPython中，这是通过使用Markdown语言标记文本来实现的。相应的单元格称为Markdown单元格。
- Markdown语言提供了一种执行文本标记的简单方法，即指定文本格式、表单列表等（类似于Word的功能）
- 通过
#来标识标题，来为文档提供结构 - 执行Markdown单元格时，Markdown代码将转换为相应的格式化富文本
- 通过
$...$或$$...$$来引入LaTeX符号描述数学公式，并通过执行单元格输出高质量的HTML公式排版
5 快捷键
进入Jupyter Notebook在菜单栏中的help中可以查看快捷键
Jupyter笔记本有两种不同的键盘输入模式
- 编辑模式允许您将代码或文本输入到一个单元格中，并通过一个绿色的单元格来表示
- 命令模式将键盘与笔记本级命令绑定在一起，并通过一个灰色的单元格边界显示，该边框为蓝色的左边框。
命令模式 (按键
Esc开启)快捷键：
F: 查找并且替换Ctrl-Shift-F或Ctrl-Shift-P或P: 打开命令配置Enter: 进入编辑模式Shift-Enter: 运行本单元，选中下个单元（新单元默认为命令模式）Ctrl-Enter: 运行本单元Alt-Enter: 运行本单元，在其下插入新单元（新单元默认为编辑模式）Y：单元转入代码状态M：单元转入markdown状态R：单元转入raw状态1：设定 1 级标题2：设定 2 级标题3：设定 3 级标题4：设定 4 级标题5：设定 5 级标题6：设定 6 级标题Up或K: 选中上方单元Down或J: 选中下方单元Shift-Up或Shift-K: 扩大选中上方单元Shift-Down或Shift-J: 扩大选中下方单元A: 在上方插入新单元B: 在下方插入新单元X: 剪切选中的单元C: 复制选中的单元Shift-V: 粘贴到上方单元V: 粘贴到下方单元Z: 撤销删除D,D: 删除选中的单元（连续按两个 D 键）Shift-M: 合并选中的单元Ctrl-S或S: 保存并检查当前 NoteBookL: 开关行号（编辑框的行号是可以开启和关Space: 向下滚动
编辑模式 ( Enter 键启动)下快捷键
Tab: 代码补全或缩进Shift-Tab: 提示（输出帮助信息，部分函数、类、方法等会显示其定义原型，如果在其后加?再运行会显示更加详细的帮助）Ctrl-]：缩进Ctrl-[：解除缩进Ctrl-A：全选Ctrl-Z：撤销Ctrl-/：注释整行/撤销注释（仅代码状态有效）Ctrl-D：整行删除Ctrl-U：撤销选择Insert：切换 重写标志Ctrl-Home或Ctrl-Up: 跳到单元开头Ctrl-End或Ctrl-Down: 跳到单元末尾Ctrl-Left: 跳到左边一个字首Ctrl-Right: 跳到右边一个字首Ctrl-Backspace: 删除前面一个字Ctrl-Delete: 删除后面一个字Ctrl-Y：重做Alt-U：重新选择Esc或Ctrl-M：进入命令模式Ctrl-Shift-F或Ctrl-Shift-P： 打开命令配置Shift-Enter: 运行本单元，选中下一单元（新单元默认为命令模式）Ctrl-Enter: 运行本单元Alt-Enter: 运行本单元，在下面插入一单元（新单元默认为编辑模式）Ctrl-Shift-Minus: 分割单元（按光标所在行进行分割）Ctrl-Shift-Subtract: 分割单元Ctrl-S: 保存并检查文件Up：光标上移或转入上一单元Down：光标下移或转入下一单元
注： 如果快捷键被系统中的其它应用占用，则可能会失效
6 Magic关键字
magic函数系统提供了一系列函数，允许您控制IPython本身的行为，以及许多系统类型的特性。magic函数主要包含两大类，一类是行魔法（Line magic）前缀为%，一类是单元魔法(Cell magic)前缀为%%
行魔法（Line magic）列表
%alias：定义系统命令的别名%alias_magic：定义Magic命令的别名%autoawait：设置一个特定的异步代码运行器%autocall：省略函数调用的括号%automagic：省略Magic关键字的前缀%%autosave：设置notebook的自动保存间隔（秒）%bookmark：管理IPython的书签系统（列举、增删）%cd：更改当前工作目录%clear：清空终端%cls：清空终端%colors：切换提示、信息系统和异常处理程序的颜色方案%conda：在当前内核中运行conda包管理器%config：配置IPython%connect_info：打印连接到当前内核的其他客户端的信息%copy：同!copy，shell的复制命令%ddir或%ldir：同!dir，shell的文件夹命令%debug：实现断点调试和出错调试的功能%dhist：输出目录的访问历史记录%dirs：输出当前目录的stack？%doctest_mode： 启动或关闭文档测试%echo：同!echo，shell的复制命令%ed或%edit：打开编辑器并执行代码%env：环境变量管理（列举、增删）%gui：启动或关闭IPython GUI事件循环集成（event loop integration）%hist或%history：输入的历史记录%killbgscripts：杀死所有由%%script产生的BG进程%less或%more：通过页面（pager？）显示文件%load：将代码加载到当前前端%load_ext：按模块名加载一个IPython扩展%loadpy：灵活版%load（不限定文件后缀为.py）%logoff：暂时停止日志记录%logon：重启日志记录%logstart：开始日志记录%logstate：输出日志系统的状态%logstop：停止日志记录%ls：等效于!dir /on，按名称查看文件信息%lsmagic：列出目前可用的Magic函数%macro：定义一个宏以便将来重新执行%magic：输出Magic函数的系统信息%matplotlib：设置matplotlib（比如常用的%matplotlib inline，省去plt.show()过程）%mkdir：等效于!mkdir，创建文件夹%notebook：notebooks导出与格式转换%page：美化输出格式，并通过页面（pager？）显示%pastebin：文本分享（上传文本到存储网站，返回URL）%pdb：控制pdb交互式调试器的自动调用%pdef：输出任何可调用对象的调用标记（比如输出类的函数构造信息）%pdoc：输出对象的文档字符串%pfile：输出(或遍历页面)的已定义对象的文件%pinfo：提供指定对象的详细信息%pinfo2：提供指定对象的额外详细信息%pip：在当前内核中运行pip包管理器%popd：更改到从堆栈顶部输出的目录%pprint：打开/关闭输出格式美化%precision：设置输出格式的浮点精度%prun：通过python代码分析器运行一条语句%psearch：在命名空间中通过通配符搜索对象%psource：输出(或通过页面运行)对象的源代码%pushd：将当前目录放在堆栈上并更改目录%pwd：返回当前工作目录路径%pycat：在页面中显示语法高亮的文件%pylab：以交互地方式加载numpy和matplotlib%qtconsole：打开连接到这个内核的qtconsole%quickref：显示一个快速参考表（%magic的简化版）%recall或%rep：类似于复制粘贴的功能%rehashx：根据$PATH中的所有可执行文件更新别名表%reload_ext：根据模块名重新加载IPython扩展%ren：等效于!ren，文件重命名%rerun：重新运行之前的输入%reset：重置命名空间%reset_selective：重置命名空间的符合指定规则一部分%rmdir：等效于!rmdir，文件删除%run：在IPython中以程序的形式运行指定的文件%save：保存多行代码或宏到指定文件%sc：运行shell命令并保留输出（已弃用）%set_env：设置环境变量%store：python变量的轻量级持久化%sx或%system：运行shell命令并保留输出（简记为!!）%tb：输出最后的追踪结果%time或%timeit：输出Python语句或表达式的执行时间%unalias：删除一个别名%unload_ext：通过模块名卸载一个IPython扩展%who：以最简略的格式打印所有可交互变量%who_ls：返回所有可交互变量的排序列表%whos：%who的升级版，信息更丰富了%xdel：深度删除一个变量%xmode：切换为异常处理程序的模式
单元魔法（Cell magic）列表
%%!：运行shell命令并保留输出（简记为!!）%%HTML或%%html：将单元格渲染为HTML块%%SVG或%%svg： 使用SVG literal渲染单元格%%bash：在子进程中使用bash运行单元格%%capture：运行单元格，捕获stdout、stderr和IPython回调的富文本display()%%cmd：在子进程中使用cmd运行单元格%%debug：激活交互式调试器%%file或%%writefile：将单元格的内容写入文件%%javascript或%%js：使用Javascript运行单元格块代码%%latex：使用latex渲染单元格%%markdown：使用markdown渲染单元格%%perl：在子进程中使用perl运行单元格%%prun：通过python代码分析器运行一条语句%%pypy：在子进程中使用pypy运行单元格%%python：在子进程中使用python运行单元格%%python2：在子进程中使用python2运行单元格%%python3：在子进程中使用python3运行单元格%%ruby：在子进程中使用ruby运行单元格%%script：通过shell命令运行单元格%%sh：在子进程中使用sh运行单元格%%sx：运行shell命令并保留输出（简记为!!）%%system：运行shell命令并保留输出（简记为!!）%time或%timeit：输出Python语句或表达式的执行时间
Automagic is ON, % prefix IS NOT needed for line magics.
7 Notebook 扩展插件
Jupyter Notebook 扩展插件（nbextensions）是一些 JavaScript 模块，你可以使用它们强化 Notebook 的功能以及使用。扩展插件本质上修改了 Jupyter UI，以实现更稳健的功能。
首先通过 pip 安装 nbextensions：
pip install jupyter_contrib_nbextensions
安装完成后，启动 Jupyter。你将在Dashboard界面看到一个新选项——NBextensions。选择它之后，你会看到大量 Jupyter Notebook 扩展插件选项。
常用插件推荐
- Table of Contents：在notebook左侧会生成可跳转目录（非常实用）
- Hinterland：提供更优秀的代码补全功能
- Split Cells：拆分单元格允许开发者并排查看 2 个单元格
- Qgrid：不使用复杂代码的情况下，探索和编辑数据，实现诸如滚动、排序和筛选等直观的控制
8 其他技巧补充
执行shell命令
- 在 shell 命令前加一个感叹号!，Jupyter 会将其转换为 Bash
- 还可以将 shell 命令的输出分配给 Python 变量，如下所示
# Getting the current directory.
# The variable "X" now contains ["/home/george/github/project_1"]
X = !pwd
JupyterLab
一个基于web的交互式开发环境，用于Jupyter笔记本、代码和数据。在包含Jupyter Notebook的几乎全部功能的同时，有着更丰富的专注于交互式、探索性计算的功能和革新。
JupyterHub
一个多用户版本的Jupyter Notebook，转为团队协作进行了优化（用户管理和权限认证、支持基于容器的集中部署、数据代码统一管理）
JupyterHub由四个子系统组成
- 一个基于tornado进程的Hub作为核心
- 一个可配置的HTTP代理(node-http-proxy)，用于接收来自客户端浏览器的请求
- 由spawn监控的多用户Jupyter笔记本服务器
- 一个身份验证类用于管理用户的系统访问权限
JupyterLab的功能
- 中心启动一个代理
- 默认情况下，代理将所有请求转发到Hub
- Hub处理用户登录并按需生成单用户服务器
- Hub配置代理将URL前缀转发给单用户notebook服务器
Voilà
可以将一个Jupyter Notebook转换成一个可以共享的独立web应用程序，给读者安全的、可定制的交互式体验。Voilà可以用作独立应用程序（默认地址localhost:8866），也可以用作Jupyter服务器扩展运行（默认地址http://localhost:8888/voila）。
Voilà的运行机制
- Voilà运行notebook中的代码，并收集输出结果
- 收集notebook和输出结果并转化为Web页面（默认隐藏notebook中的代码单元格）
- 生成的Web页面通过Tornado应用或者Jupyter服务进行展示
- 当用户访问页面时，页面上的小部件可以访问底层的Jupyter内核
nbviewer
nbviewer是一个web应用程序，通过输入一个Jupyter笔记本文件的URL，呈现该笔记本作为一个静态的HTML网页，并提供一个稳定的页面链接同来与他人共享
nbviewer原理
nbviewer特性
- 不能支持代码，只是将 notebook文档转为web页面
- nbviewer只能分享外网可访问的notebook URL
- 依托于底层的nbconvert工具，nbviewer还可以将.ipynb文件转为HTML、LaTeX、PDF、Reveal JS、Markdown (md)、ReStructured Text (rst)和executable script等格式
- nbviewer支持在个人服务器搭建
Widgets
一个Jupyter小部件用于支持在Jupyter笔记本中进行交互式数据可视化 Widgets主要包括以下几个包：
ipyleaflet： 一个用于创建具有平移和缩放功能的简单交互式地图的库，支持诸如多边形、标记等注释，以及更普遍的任何geojson编码的地理数据结构。
bqplot： 一个实现图形语法结构的二维交互式数据可视化库，它提供了一个简单的API来创建自定义用户交互。
pythreejs：3-D可视化库，使用gpu进行计算加速
ipyvolume：使用WebGL为Python绘制3d绘图
nglview：以交互方式查看分子结构和轨迹
K3D-Jupyter：使用高级API(表面、等值面、体素、网格、云点、vtk对象、体积渲染器、彩色地图等)在WebGL支持下创建3D图
BeakerX：用于表、图、表单、Apache Spark等数据的交互（类似于在线Excel）
jupyter-gmaps：在Jupyter笔记本中嵌入交互式谷歌地图。使用热图、GeoJSON、符号和标记可视化数据，或绘制方向、交通或自行车路线。
widget cookiecutters：允许开发人员使用JavaScript和TypeScript生态系统的可视化库
perspective：一个用于大型、实时数据集的交互式可视化组件
1 其他补充
Jupyter在浏览器中无法加载或工作
- 在其他浏览器中尝试(例如，如果你通常使用Firefox，尝试使用Chrome)。这有助于确定问题所在。
- 尝试禁用任何浏览器扩展和/或任何已安装的Jupyter扩展。
- 一些网络安全软件可以干扰木星。如果你有安全软件，试着暂时关闭它，并在设置中寻找更长期的解决方案。
- 在地址栏中，尝试在localhost和127.0.0.1之间进行更改。它们应该是相同的，但在某些情况下，这是不同的。