十大至简规则，用Jupyter Notebook写代码应该这样来

Jupyter Notebook 是一个非常常用的代码编辑器，它非常适合做数据分析与代码展示，很多云服务也采用它作为代码编辑器。此外，因为用这种编辑器看代码比较轻松，文档描述和输出效果也能进一步帮助理解，很多研究者都会采用 Jupyter 作为解释研究实现的工具。

如果 Jupyter Notebook 写的好，那么研究实现及复现就更优美，如果再放到 Colab 等具有免费算力的工具上，那就比较完美了。

在机器之心之前介绍过的文章中，我们关注 Jupyter Notebook 的炫酷插件与主题风格，更强调工具本身的使用姿态。而一篇发在 arXiv 上的文章介绍了什么是展示实现代码的十大简单规则，我该又该如何利用它们构建 Jupyter 项目。这对于研究者和希望展示项目实现的开发者而言非常重要，我们可以像说故事一样介绍我们的实现。

论文链接：https://arxiv.org/pdf/1810.08055.pdf

下面，我们就以展示可复现性研究成果为目标，看看 Jupyter 要怎样写才比较合理。

Jupyter Notebook 与研究的可复现性

可复现性（Reproducibility）需要提供研究所用数据、软件、依赖项和计算环境（如硬件或云配置）的人类可读和机器可读的描述，以及介绍如何组合以上所有部分的文档。

之前分析人员通常将这些信息保存在单独的数据、分析、结果、配置和注释文件中（这些文件通常很难组合和共享），不过他们越来越多地使用计算型 notebook（如 Jupyter Notebooks 和 R Notebooks），在单个交互式和可移植文档中组合可执行代码、渲染可视化效果和描述性文本。

Jupyter Notebooks 大大降低了可复现性的困难，它使科学家能够轻松地编写混合了代码、结果和文本的共享计算叙述，从而支持可复现性研究。然而，像 Jupyter Notebook 这样的计算型 notebook 并没有解决实现可复现性的所有障碍，而且它们还引入了另一些独特的挑战，其中部分挑战源于它们的交互性。

考虑到在 Jupyter Notebooks 上发布可复现研究的技术和社会障碍，来自加州大学圣地亚哥分校和伯克利分校的研究者编制了一套规则、提示、工具和示例 notebook。这套规则专注于 Jupyter Notebooks，不过也适用于其他混合了实时代码和叙述性描述的文档。

下图 1 展示了在 notebook 开发周期不同阶段所应用的规则。

图 1：将十个简单规则应用于创建 Jupyter Notebooks 的工作流。从上到下，该图描述了开发一个记录详尽、功能良好、用于可复现性研究的 Jupyter Notebooks 所需的三个不同的阶段。

规则 1：为观众讲故事

使用 Jupyter Notebooks 的一个主要好处是，它能将解释性文本与代码和结果交织在一起，创建计算性叙述 [8]。不要只保留零星的笔记，而是用解释性文字讲述一个引人入胜的故事，故事的开头介绍主题，中间介绍步骤，结尾解释结果。不仅要描述你做了什么，还要描述为什么要这样做、这些步骤是如何连接的，以及它们意味着什么。

如何讲述这个故事将取决于你的观众。你打算和实验室的非技术同事、另一个实验室的分析师、某一期刊的读者还是公众分享你的 notebook？你可能需要为每一类观众提供不同种类和级别的解释。

规则 2：记录过程，而不仅仅是结果

计算型 notebook 的交互特性使得尝试和对比不同方法或参数更加快速和容易，以至于我们在执行这些交互式调研时往往无法将其记录下来。因此，这个建议变得更加重要：确保记录下所有的探索，甚至那些导致进入死胡同的探索！这些将帮助你记住做了什么和为什么做。

许多 notebook 用户等到分析结束、得到了可靠结果后，才添加这样的解释性文字。不要等，到那时你可能已经忘记了为什么选择某个特定参数值、从哪里复制了一段代码，或者中间结果的有趣之处是什么。如果你没有时间全面记录你此刻正在做什么或在想什么，那么留下简短的描述性笔记来提醒自己，在可以停下时抓紧把这些内容添加上。

规则 3：添加分割，使步骤更清晰

notebook 是一个交互式的环境，所以它很容易编写和运行单行单元格。这有利于实验，但会让 notebook 凌乱不堪，充满难以理解的短小片段。那么，尝试让 notebook 中的每个单元格执行一个有意义的分析步骤，并且该步骤可以根据单元格中的代码或周围的 markdown 描述很容易地理解。

按单元格模块化代码，并在单元格上方用 markdown 标记。将每个单元格想象为一个段落、拥有一个函数或完成一个任务（例如，创建一个绘图）。避免长单元格（任何超过 100 行或一页的内容都太长了）。在代码注释中放入低级文档。使用描述性的 markdown header 将 notebook 分区，使其可以轻松导航和添加目录。将长 notebook 拆分为一系列 notebook，并保留一个 top-level index notebook，其中包含指向各个 notebook 的链接。

规则 4：模块化代码

避免重复代码总是很好的做法，但是在 notebook 中，复制一个单元格、调整几行、将生成的代码粘贴到新单元格或其他 notebook 中并再次运行是特别容易的。这种试验形式很方便，但如果你想更改复制的代码的功能或修复其中的 bug，就会使 notebook 难以阅读，并且几乎不可能进行维护。因此你可以将要复制和重用的代码包装在一个函数中，这样就可以根据需要从任意多个单元格中调用该函数。如果你要在其他项目或 notebook 中重用代码，请考虑将其转换为模块、包或库，并遵循良好的软件开发实践（如单元测试）。

模块化不仅节省空间，支持维护，调试方便，还使增加交互性变得更加简单。

规则 5：记录依赖项

未来重新生成分析时，不仅需要访问代码，还需要访问依赖项。计算科学的最佳实践是，从一开始就使用诸如 conda 的 environment.yml 或 pip 的 requirements.txt 之类的工具明确地管理依赖项，以列出所有相关的依赖项（包括它们的软件版本）。始终在这些依赖项创建的环境中工作，以确保不添加未记录的依赖项。

在 notebook 中，你可以使用 notebook 的扩展（如 watermark）显式打印依赖项。列出 notebook 中关键依赖项的版本（最好列在最下方），如果 notebook 与环境隔离使用，那么这将保证 notebook 中仍然包含关键信息，从而帮助读者复制结果。

规则 6：使用版本控制

版本控制是 notebook 使用的一个重要辅助工具，因为 notebook 的交互特性使其很容易意外地更改或删除重要内容。此外，由于 notebook 中包含代码，代码不可避免会有 bug，因此确定 bug 引入与修复的时间（及其可能影响的分析）是科学计算中的一项关键能力。

但是，请注意，Jupyter Notebook 将每个单元格的代码和特定且广泛的元数据存储为 JSON 格式的文本文件。版本控制系统比较这些 JSON 文件中的差异，而不是用户友好型 notebook GUI（图形用户界面）中的差异。

规则 7：构建 pipeline

记录初步探索性研究的 notebook 很少能被广泛推广，但一旦确定了某种稳定的分析方法，设计良好的 notebook 就可以通过 pipeline 推广到其他任务中，从而使用不同的输入数据和参数很容易地重复分析。记住这一点，从一开始就设计你的 notebook，以允许将来重新调整用途。把关键变量声明（尤其是在进行新的分析时会改变的变量）放在 notebook 的顶部，而不是埋在中间的某个地方。直接在 notebook 中执行准备步骤，如数据清理，并尽可能避免手动干预。

规则 8：分享和解释数据

如果底层数据被锁定，那么访问清晰注释的 notebook 对可复现性也几乎没有用处。努力使你的数据或数据样本与 notebook 一起公开。notebook 可以很容易地提供输入数据和上游处理步骤的描述，这对于解释结果至关重要。

理想情况下，你可以在 notebook ***享整个数据集。我们认识到许多数据集太大或太敏感，无法以这种方式共享。在这些情况下，考虑将大型和复杂的数据集分解为多个层次，这样即使原始数据太大，无法与已发布的 notebook 一起共享，或者受到隐私或其他访问问题的限制，也不会影响到可复现性。

规则 9：允许阅读、运行和探索 notebook

如果你遵循了前面的规则，那么你的 notebook 应该能够捕获整个过程并易于阅读。但是其他人如何访问、运行和探索它们呢？你可以通过多种方式支持他人重用你的 notebook。首先，将 notebook 存储到一个具备清晰 README 文件的公共代码库中。

除了允许重用之外，你还要考虑如何利用 notebook 的独特结构来支持阅读和探索。至少，将所有 notebook 的静态 HTML/PDF 版本存储在出版物附带代码库的最终版本中。

规则 10：促进可复现和开放的研究

显然，仅使用计算型 notebook 并不能保证研究的可复现。如果 notebook 的便利性和交互性让你满意，那你可以采取下一步行动，在实验室或工作场所宣传其可复现性。让实验室的同事试着运行你的 notebook，然后听他们解释在什么地方出了问题。也试着运行他们的 notebook，让他们知道你是否遇到了障碍。

将可复现性作为研究小组所有计算工作的关键要素，而不是在分析完成后才执行，或被期刊或评审人员要求后才思考。