引言
在前面的章節中，我們學習了Python的各種核心編程概念，從基礎語法到Web爬蟲開發。然而，到目前為止我們所有的程序都是通過命令行界面（CLI）與用户交互的。雖然命令行界面對於許多任務來説非常有效，但對於普通用户來説，圖形用户界面（GUI）往往更加直觀和友好。
GUI應用程序允許用户通過窗口、按鈕、菜單、文本框等可視元素與程序進行交互，極大地提升了用户體驗。在Python中，有多種創建GUI應用程序的方法，其中最常用且內置的標準庫就是tkinter。
tkinter是Python的標準GUI庫，它為Tcl/Tk GUI工具包提供了Python接口。由於它是Python標準庫的一部分，因此無需額外安裝即可使用。儘管tkinter相比其他GUI框架（如PyQt、wxPython）在外觀和功能上可能稍顯簡單，但它足夠輕量、易於學習，非常適合初學者入門GUI編程。
在本章中，我們將深入探討如何使用tkinter創建功能豐富的GUI應用程序，從簡單的窗口和控件開始，逐步構建更復雜的交互式界面。
學習目標
完成本章學習後，您將能夠：
- 理解GUI編程的基本概念和tkinter的核心組件
- 創建基本的窗口應用程序並添加常見的GUI控件
- 處理用户事件（如按鈕點擊、鍵盤輸入等）
- 使用佈局管理器組織界面元素
- 創建菜單、對話框等高級GUI組件
- 構建一個完整的GUI應用程序示例
- 掌握GUI應用程序的設計原則和最佳實踐
核心知識點講解
1. tkinter基礎概念
tkinter是Python的標準GUI庫，它基於Tk GUI工具包。Tk最初是為Tcl語言開發的，後來被移植到多種編程語言中，包括Python。
在tkinter中，GUI應用程序的基本構建塊包括：
- 根窗口（Root Window）：應用程序的主窗口，所有其他組件都放置在其中
- 控件（Widgets）：構成GUI的各種元素，如按鈕、標籤、文本框等
- 事件（Events）：用户與GUI交互時發生的動作，如點擊按鈕、輸入文本等
- 回調函數（Callback Functions）：響應事件而執行的函數
- 佈局管理器（Geometry Managers）：控制控件在窗口中的位置和大小
2. 創建基本窗口
要創建一個基本的tkinter應用程序，我們需要導入tkinter模塊，創建根窗口對象，並啓動事件循環。
import tkinter as tk
# 創建根窗口
root = tk.Tk()
# 設置窗口標題
root.title("我的第一個GUI應用")
# 設置窗口大小
root.geometry("400x300")
# 啓動事件循環
root.mainloop()
這段代碼創建了一個400x300像素的窗口，標題為"我的第一個GUI應用"。mainloop()方法啓動了GUI應用程序的事件循環，使窗口保持顯示狀態並響應用户交互。
3. 常用控件介紹
tkinter提供了豐富的控件來構建用户界面，以下是一些最常用的控件：
Label（標籤）
用於顯示文本或圖像，不可編輯。
label = tk.Label(root, text="這是一個標籤")
label.pack()
Button（按鈕）
用户可以點擊的按鈕，通常用於觸發某個操作。
def button_click():
print("按鈕被點擊了！")
button = tk.Button(root, text="點擊我", command=button_click)
button.pack()
Entry（輸入框）
單行文本輸入框，允許用户輸入文本。
entry = tk.Entry(root)
entry.pack()
# 獲取輸入框內容
def get_entry_value():
value = entry.get()
print(f"輸入的值是: {value}")
Text（文本框）
多行文本編輯區域。
text = tk.Text(root, height=10, width=30)
text.pack()
Frame（框架）
用於組織和分組其他控件的容器。
frame = tk.Frame(root, bg="lightgray")
frame.pack(fill=tk.BOTH, expand=True)
4. 事件處理
GUI應用程序是事件驅動的，這意味着程序響應用户的操作（如點擊、按鍵等）。在tkinter中，我們通過綁定回調函數來處理事件。
import tkinter as tk
def on_button_click():
label.config(text="按鈕被點擊了！")
root = tk.Tk()
root.title("事件處理示例")
label = tk.Label(root, text="點擊下面的按鈕")
label.pack(pady=10)
button = tk.Button(root, text="點擊我", command=on_button_click)
button.pack(pady=10)
root.mainloop()
5. 佈局管理器
tkinter提供了三種佈局管理器來控制控件的位置和大小：
pack()
最簡單的佈局管理器，按順序將控件打包到父容器中。
button1 = tk.Button(root, text="按鈕1")
button1.pack(side=tk.TOP)
button2 = tk.Button(root, text="按鈕2")
button2.pack(side=tk.BOTTOM)
grid()
使用網格系統佈局控件，通過行和列定位控件。
label1 = tk.Label(root, text="標籤1")
label1.grid(row=0, column=0)
label2 = tk.Label(root, text="標籤2")
label2.grid(row=0, column=1)
entry1 = tk.Entry(root)
entry1.grid(row=1, column=0)
entry2 = tk.Entry(root)
entry2.grid(row=1, column=1)
place()
使用絕對或相對座標精確定位控件。
button = tk.Button(root, text="精確定位")
button.place(x=100, y=50)
6. 菜單和對話框
創建菜單
import tkinter as tk
root = tk.Tk()
root.title("菜單示例")
# 創建菜單欄
menubar = tk.Menu(root)
root.config(menu=menubar)
# 創建文件菜單
file_menu = tk.Menu(menubar, tearoff=0)
menubar.add_cascade(label="文件", menu=file_menu)
file_menu.add_command(label="新建")
file_menu.add_command(label="打開")
file_menu.add_separator()
file_menu.add_command(label="退出", command=root.quit)
root.mainloop()
創建對話框
import tkinter as tk
from tkinter import messagebox
def show_info():
messagebox.showinfo("信息", "這是一個信息對話框")
def show_warning():
messagebox.showwarning("警告", "這是一個警告對話框")
def show_error():
messagebox.showerror("錯誤", "這是一個錯誤對話框")
root = tk.Tk()
root.title("對話框示例")
tk.Button(root, text="信息對話框", command=show_info).pack(pady=5)
tk.Button(root, text="警告對話框", command=show_warning).pack(pady=5)
tk.Button(root, text="錯誤對話框", command=show_error).pack(pady=5)
root.mainloop()
代碼示例與實戰
讓我們通過幾個實戰示例來鞏固所學的知識。
實戰1：簡易計算器
import tkinter as tk
class Calculator:
def __init__(self):
self.window = tk.Tk()
self.window.title("簡易計算器")
self.window.geometry("300x400")
# 顯示屏
self.display_var = tk.StringVar()
self.display_var.set("0")
display = tk.Entry(self.window, textvariable=self.display_var,
font=("Arial", 20), justify="right", state="readonly")
display.grid(row=0, column=0, columnspan=4, padx=5, pady=5, sticky="ew")
# 按鈕佈局
buttons = [
('C', 1, 0), ('±', 1, 1), ('%', 1, 2), ('/', 1, 3),
('7', 2, 0), ('8', 2, 1), ('9', 2, 2), ('*', 2, 3),
('4', 3, 0), ('5', 3, 1), ('6', 3, 2), ('-', 3, 3),
('1', 4, 0), ('2', 4, 1), ('3', 4, 2), ('+', 4, 3),
('0', 5, 0), ('.', 5, 2), ('=', 5, 3)
]
# 創建按鈕
for (text, row, col) in buttons:
if text == '0':
btn = tk.Button(self.window, text=text, font=("Arial", 18),
command=lambda t=text: self.button_click(t))
btn.grid(row=row, column=col, columnspan=2, padx=2, pady=2, sticky="nsew")
else:
btn = tk.Button(self.window, text=text, font=("Arial", 18),
command=lambda t=text: self.button_click(t))
btn.grid(row=row, column=col, padx=2, pady=2, sticky="nsew")
# 配置網格權重
for i in range(6):
self.window.grid_rowconfigure(i, weight=1)
for i in range(4):
self.window.grid_columnconfigure(i, weight=1)
# 初始化計算變量
self.current = "0"
self.previous = ""
self.operator = ""
self.should_reset = False
def button_click(self, char):
if char.isdigit() or char == '.':
self.input_number(char)
elif char in ['+', '-', '*', '/']:
self.input_operator(char)
elif char == '=':
self.calculate()
elif char == 'C':
self.clear()
elif char == '±':
self.toggle_sign()
elif char == '%':
self.percentage()
def input_number(self, num):
if self.should_reset:
self.current = "0"
self.should_reset = False
if self.current == "0" and num != '.':
self.current = num
elif num == '.' and '.' not in self.current:
self.current += num
elif num != '.':
self.current += num
self.display_var.set(self.current)
def input_operator(self, op):
if self.operator and not self.should_reset:
self.calculate()
self.previous = self.current
self.operator = op
self.should_reset = True
def calculate(self):
if self.operator and self.previous:
try:
if self.operator == '+':
result = float(self.previous) + float(self.current)
elif self.operator == '-':
result = float(self.previous) - float(self.current)
elif self.operator == '*':
result = float(self.previous) * float(self.current)
elif self.operator == '/':
if float(self.current) == 0:
raise ZeroDivisionError("除數不能為零")
result = float(self.previous) / float(self.current)
# 格式化結果
if result.is_integer():
self.current = str(int(result))
else:
self.current = str(round(result, 10))
self.display_var.set(self.current)
self.operator = ""
self.previous = ""
self.should_reset = True
except Exception as e:
self.display_var.set("錯誤")
self.current = "0"
self.previous = ""
self.operator = ""
self.should_reset = True
def clear(self):
self.current = "0"
self.previous = ""
self.operator = ""
self.should_reset = False
self.display_var.set(self.current)
def toggle_sign(self):
if self.current != "0":
if self.current.startswith('-'):
self.current = self.current[1:]
else:
self.current = '-' + self.current
self.display_var.set(self.current)
def percentage(self):
try:
result = float(self.current) / 100
if result.is_integer():
self.current = str(int(result))
else:
self.current = str(result)
self.display_var.set(self.current)
except:
self.display_var.set("錯誤")
self.current = "0"
def run(self):
self.window.mainloop()
# 運行計算器
if __name__ == "__main__":
calc = Calculator()
calc.run()
實戰2：待辦事項管理器
import tkinter as tk
from tkinter import ttk, messagebox
import json
import os
class TodoApp:
def __init__(self):
self.window = tk.Tk()
self.window.title("待辦事項管理器")
self.window.geometry("500x400")
# 數據文件路徑
self.data_file = "todos.json"
self.todos = []
self.load_todos()
# 創建界面
self.create_widgets()
self.update_listbox()
def create_widgets(self):
# 主框架
main_frame = ttk.Frame(self.window, padding="10")
main_frame.grid(row=0, column=0, sticky=(tk.W, tk.E, tk.N, tk.S))
# 配置網格權重
self.window.columnconfigure(0, weight=1)
self.window.rowconfigure(0, weight=1)
main_frame.columnconfigure(1, weight=1)
main_frame.rowconfigure(2, weight=1)
# 輸入框和添加按鈕
ttk.Label(main_frame, text="新待辦事項:").grid(row=0, column=0, sticky=tk.W, pady=(0, 10))
self.entry_var = tk.StringVar()
entry = ttk.Entry(main_frame, textvariable=self.entry_var, width=30)
entry.grid(row=0, column=1, sticky=(tk.W, tk.E), pady=(0, 10), padx=(5, 0))
entry.bind('<Return>', lambda event: self.add_todo())
add_button = ttk.Button(main_frame, text="添加", command=self.add_todo)
add_button.grid(row=0, column=2, pady=(0, 10), padx=(5, 0))
# 待辦事項列表
ttk.Label(main_frame, text="待辦事項列表:").grid(row=1, column=0, sticky=tk.W, pady=(0, 5))
# 創建列表框和滾動條
listbox_frame = ttk.Frame(main_frame)
listbox_frame.grid(row=2, column=0, columnspan=3, sticky=(tk.W, tk.E, tk.N, tk.S), pady=(0, 10))
listbox_frame.columnconfigure(0, weight=1)
listbox_frame.rowconfigure(0, weight=1)
self.listbox = tk.Listbox(listbox_frame, height=10)
self.listbox.grid(row=0, column=0, sticky=(tk.W, tk.E, tk.N, tk.S))
scrollbar = ttk.Scrollbar(listbox_frame, orient=tk.VERTICAL, command=self.listbox.yview)
scrollbar.grid(row=0, column=1, sticky=(tk.N, tk.S))
self.listbox.configure(yscrollcommand=scrollbar.set)
# 按鈕框架
button_frame = ttk.Frame(main_frame)
button_frame.grid(row=3, column=0, columnspan=3, pady=(10, 0))
ttk.Button(button_frame, text="標記完成", command=self.mark_completed).pack(side=tk.LEFT, padx=(0, 5))
ttk.Button(button_frame, text="刪除選中", command=self.delete_selected).pack(side=tk.LEFT, padx=(0, 5))
ttk.Button(button_frame, text="清空所有", command=self.clear_all).pack(side=tk.LEFT, padx=(0, 5))
ttk.Button(button_frame, text="保存", command=self.save_todos).pack(side=tk.LEFT)
def add_todo(self):
todo_text = self.entry_var.get().strip()
if todo_text:
self.todos.append({"text": todo_text, "completed": False})
self.entry_var.set("")
self.update_listbox()
else:
messagebox.showwarning("警告", "請輸入待辦事項內容")
def mark_completed(self):
selection = self.listbox.curselection()
if selection:
index = selection[0]
self.todos[index]["completed"] = not self.todos[index]["completed"]
self.update_listbox()
else:
messagebox.showwarning("警告", "請選擇一個待辦事項")
def delete_selected(self):
selection = self.listbox.curselection()
if selection:
index = selection[0]
del self.todos[index]
self.update_listbox()
else:
messagebox.showwarning("警告", "請選擇一個待辦事項")
def clear_all(self):
if messagebox.askyesno("確認", "確定要清空所有待辦事項嗎？"):
self.todos.clear()
self.update_listbox()
def update_listbox(self):
self.listbox.delete(0, tk.END)
for todo in self.todos:
status = "✓ " if todo["completed"] else "○ "
self.listbox.insert(tk.END, f"{status}{todo['text']}")
# 為完成的事項設置不同的樣式
if todo["completed"]:
self.listbox.itemconfig(tk.END, fg="gray")
def save_todos(self):
try:
with open(self.data_file, 'w', encoding='utf-8') as f:
json.dump(self.todos, f, ensure_ascii=False, indent=2)
messagebox.showinfo("成功", "待辦事項已保存")
except Exception as e:
messagebox.showerror("錯誤", f"保存失敗: {str(e)}")
def load_todos(self):
if os.path.exists(self.data_file):
try:
with open(self.data_file, 'r', encoding='utf-8') as f:
self.todos = json.load(f)
except Exception as e:
messagebox.showerror("錯誤", f"加載數據失敗: {str(e)}")
self.todos = []
def run(self):
# 設置窗口關閉事件
self.window.protocol("WM_DELETE_WINDOW", self.on_closing)
self.window.mainloop()
def on_closing(self):
self.save_todos()
self.window.destroy()
# 運行待辦事項管理器
if __name__ == "__main__":
app = TodoApp()
app.run()
小結與回顧
在本章中，我們深入學習瞭如何使用Python的tkinter庫創建圖形用户界面應用程序。主要內容包括：
-
tkinter基礎：瞭解了GUI編程的基本概念，學會了如何創建基本窗口和啓動事件循環。
-
常用控件：掌握了Label、Button、Entry、Text、Frame等常用控件的使用方法。
-
事件處理：學習瞭如何通過回調函數處理用户交互事件。
-
佈局管理：熟悉了pack、grid、place三種佈局管理器的特點和使用場景。
-
高級組件：學會了創建菜單和使用對話框來增強用户體驗。
-
實戰應用：通過簡易計算器和待辦事項管理器兩個完整示例，實踐了GUI應用程序的開發流程。
tkinter雖然是Python內置的GUI庫，功能相對簡單，但對於學習GUI編程概念和快速開發小型應用程序來説是非常合適的。隨着經驗的增長，您可以探索更強大的GUI框架如PyQt或wxPython。
練習與挑戰
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基礎練習
- 創建一個簡單的登錄窗口，包含用户名和密碼輸入框以及登錄按鈕
- 製作一個顏色選擇器，用户可以通過滑塊調整RGB值並實時預覽顏色
- 開發一個簡單的繪圖板，用户可以用鼠標在畫布上繪製線條
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進階挑戰
- 改進計算器程序，添加更多數學函數（如平方根、冪運算等）
- 為待辦事項管理器添加優先級功能和截止日期提醒
- 創建一個簡單的文本編輯器，支持打開、編輯和保存文本文件
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綜合項目
- 開發一個個人財務管理應用，可以記錄收入和支出並生成統計圖表
- 製作一個簡單的遊戲（如井字棋或貪吃蛇）使用tkinter實現界面
擴展閲讀
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官方文檔：
- Python tkinter documentation
- Tkinter 8.5 reference: a GUI for Python
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進階GUI框架：
- PyQt5/PyQt6: 功能強大的GUI框架，支持現代化界面設計
- wxPython: 跨平台的GUI工具包，提供原生外觀
- Kivy: 專注於多點觸控應用開發的現代GUI框架
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設計資源：
- 《GUI Design Handbook》- 關於用户界面設計的經典書籍
- Material Design Guidelines - Google的設計規範，適用於現代GUI設計
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相關技術：
- 瞭解MVC（Model-View-Controller）設計模式在GUI開發中的應用
- 學習如何使用Threading模塊處理GUI中的長時間運行任務
- 探索如何將GUI應用打包為可執行文件（如使用pyinstaller）
