第20章 Windows系统下的全套环境

学习目标

  • 在Windows 11环境下完成科研环境搭建
  • 能根据自己的实际环境自行修改配置

关键概念

  • VS Code开发界面
  • conda环境管理
  • GitHub版本控制与团队协作

正文

1. VS Code

VS Code（以下简称VS）应当是你一切工作的使用界面，不限平台。

下载安装

首先下载VS。

注意VS应当进行用户级安装，即安装在C:/User/{用户名}下。

VS Code插件

安装完成后，需要为VS安装额外的插件/扩展（extension）。在VS左侧工具栏找到扩展标签，或按ctrl + shift + x进入。

  • 必备插件
  • Chinses (Simplified)
  • Jupyter 系列
  • GitHub Copilot Chat
  • 建议插件
  • GitHub Repositories
  • Rainbow CSV
  • Edit CSV
  • Markdown All in One
  • Office Viewer
  • WSL
  • Kimi Coder
  • 美化
  • HarmonyOS Sans 字体
  • Pira Code 字体

登录Microsoft账号

安装完插件后，在VS左下角点击账户按钮，选择登录以同步配置。使用你的Microsoft账号登录，该账号最好与你的Windows系统账号一致。

完成登录后，你所有的配置文件、已安装的插件都可以在云端同步。在其他地方再次安装VS后，只需要登录账号，就可以自动使用相同的配置与插件。

VS Code网络访问

在有些情况下，你需要VS访问国际互联网。由于Windows系统的一些特殊设置，仅仅使用VPN工具无法让VS完全使用代理服务器。需要进行以下调整：

  • 关闭UWP loopback限制

    解除loopback限制

  • （可选）设置VS Code代理服务器

  • （可选）使用TUN（虚拟网卡）模式
  • （可选）更改VS Code账号认证方式
  • 设置-插件-Microsoft账号

修改身份验证为msal-no-broker

体验Copilot

默认情况下，VS Code的右功能侧栏为GitHub Copilot。AI助理有以下功能：

  • 自动代码补全：根据当前context推理你所需要的功能，自动在光标位置补全代码
  • plan模式：设计复杂功能；多针对编程场景，一般情况下不需要
  • agent模式：在对话界面提供需求，由agent直接修改代码实现需求
  • full-agent模式：比agent模式更高的权限，能自动使用系统工具、进行测试甚至直接进行分析，最后提供结果
  • ask模式：类似Gemini、ChatGPT的对话模式
  • 多模型：提供除Claude外多家主流AI模型，包括Gemini、GPT、GPT Codex

使用Copilot需要登录GitHub账号并订阅Copilot Pro或进行学生认证。

2. 环境管理与Python

准备一个全局环境管理工具。

选择你的工具

Anaconda、miniconda、miniforge都是常用的环境管理工具，有细微区别：

  • Anaconda（下载地址）是由企业发布的一种Python发行版，内置了多种数据科学工具箱，如Jupyter、R、numpy、scipy等。占用空间较大，可视化窗口会有卡顿。个人使用理论上免费。
  • miniconda（下载地址）是Anaconda的轻量版，仅提供基础的环境管理功能，未内置上述工具箱。
  • miniforge（下载地址）是社区维护的环境管理工具，完全开源、免费。使用体验类似miniconda。

如果你什么都不懂，可以选择Anaconda作为开始。其余情况，推荐使用miniforge。接下来以Anaconda为例进行讲解。

Anaconda安装与配置

  1. 安装过程注意事项：

  2. 使用用户级安装。不建议修改安装路径。

  3. 勾选“默认Python”和“添加到环境变量”。

  4. 安装完成后，打开Windows终端（PowerShell），进行初始化：

conda init powershell

完成初始化后，你应该可以在命令提示符前看到(base)字样，代表目前处于名为base的conda环境。可以关闭终端后，开启一个新终端进行检查。

  1. 为conda配置国内镜像，在终端输入：
conda config --set show_channel_urls yes

然后来到C:/User/{用户名}目录，寻找.condarc文件，修改为以下内容：

channels:
  - defaults
show_channel_urls: true
default_channels:
  - https://mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/anaconda/pkgs/main
  - https://mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/anaconda/pkgs/r
  - https://mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/anaconda/pkgs/msys2
custom_channels:
  conda-forge: https://mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/anaconda/cloud
  pytorch: https://mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/anaconda/cloud

配置VS Code

安装完anaconda后，可以在VS里把base环境下的python设置为默认解释器。

首先，为VS安装以下扩展：

  • Python
  • Pylance
  • Python Environments
  • Python Debugger

打开设置-扩展-python，在Conda Path项目中输入anaconda路径（如C:\Users\{用户名}\anaconda3\Scripts）。该路径必须包含conda.exe可执行文件。

在Default Interpreter Path项目中输入anaconda路径。该路径必须包含python.exe可执行文件。

（可选）新建conda环境

如果你手头存在多个项目，强烈建议你为不同项目设置不同的环境，以避免出现依赖冲突问题。在终端输入以下命令新建环境：

conda create {环境名}
conda activate {环境名}

如果执行正确，命令提示符前的(base)会变为({环境名})。

使用conda安装新工具包

在终端输入以下命令，把新工具包安装到指定环境

conda install -n {环境名} {包名} -y

如果不使用-n参数，则安装到当前激活环境。

如果已成功配置VS代理，则不建议使用pip安装python包。最新版本的pip存在代理服务器协议解析问题。

3. R

安装R

R下载地址

此外，Windows系统还需要安装Rtools（下载地址同上）。

如果已经正确安装anaconda，那么有两种方式安装R：

  • 经典方法：下载R安装包，在用户级只安装一个R，在VS里只使用这一个R
  • conda方法：为每个环境单独安装、配置R，由conda进行管理

一般情况下，特别是只需要处理一个项目、不会面临包冲突问题时，可以使用经典方法。

同样，建议进行用户级安装，或至少不要把R安装到C:/Program Files、C:/Program Files (x86)路径。

配置R镜像

在Windows环境下，可以在C:/User/{}/Documents找到.Rprofile文件。在其中新增以下内容：

options("repos" = c(CRAN="https://mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/CRAN/"))

配置VS Code

首先，在VS上安装以下扩展：

  • R
  • R Debugger
  • R Develoment
  • R Extension Pack
  • R Syntax

然后，打开设置-扩展-R，修改以下配置： - 勾选Bracketed Paste - 勾选Plot: Use Httpgd - 填写Rpath: Windows，路径为R安装路径，必须包含R.exe文件 - 可使用R.home()获取准确路径 - （可选）填写Rterm: Windows，路径为Anaconda路径/scripts/radian.exe

最后，打开R终端，安装以下包，并注册Jupyter内核：

install.packages(c('httpd', 'lsp', 'irkernel'))
IRkernel::installspec(name = 'ir', displayname = '{环境名}')

完成配置后，可以进行以下测试：

  • 打开R终端
  • 新建R脚本并运行
  • 新建Jupyter Notebook，使用R内核并运行

在VS Code中支持至少两种方式使用R：

  • 直接写R脚本运行，类似于RStudio，可以在左侧工具栏R标签查看变量、说明
  • 在Jupyter中运行，与python内核体验一致
  • （测试）使用Rmd Notebooks for VS Code插件，在rmd格式中运行

（可选）使用conda管理R

你可以使用conda对R进行统一管理，包括R本身的安装以及R包的安装：

conda install r-base r-essential -n {环境名} -y
conda install r-{R包名} -n {环境名} -y

此时不再建议使用install.packages()方式安装R包。使用该方式安装R，需相应调整VS配置文件中的R路径。

4. MATLAB

强烈建议不要安装2025及以上版本的MATLAB，新的UI接口会导致部分MATLAB报错。

MATLAB的home和root

配置VS Code

首先，安装以下扩展：

  • MATLAB
  • Matlab in VSCode (fixed)
  • matlab-formatter

打开设置-扩展-MATLAB，修改以下配置：

  • 填写MATLAB: Install Path
  • 可通过matlabroot获取
  • 勾选MATLAB: Start Debugger Automatically

（可选）安装python-matlab引擎

  • 首先，确认自己已安装的MATLAB需求的python版本（参考连接）
  • 使用conda新建一个符合要求的python环境，并切换到该环境
conda create -n matlab-py 'python==3.10' -y
conda activate matlab-py
  • 切换到MATLAB路径，使用pip编译、安装
cd "{matlabroot}\extern\engines\python"
python -m pip install .
  • 修改VS Code设置
  • 设置-扩展-Matlab in VSCode
  • 勾选Matlab pybackend
  • 填写Matlab Python Path，conda环境下的python路径

完成以上配置后，可以使用一些Matlab in VSCode的功能，如类似MATLAB workspace的变量查看。

新建MATLAB终端、新建MATLAB脚本运行以检查配置。

在VS Code里使用MATLAB

与MATLAB Editor相比，VS Code有以下优势：

  • 启动速度更快
  • 与原生一致的提示功能
  • 与原生一致的GUI插件
  • 使用AI功能

相对地，也有一些劣势：

  • 没有workspace，无法直观查看变量

即使不使用python-matlab引擎，也可以通过终端部分实现该部分功能：

  • 使用whos命令查看当前工作区变量
  • 使用openvar('变量名')查看指定变量（调用MATLAB界面）
  • 使用addpath()、addpath(genpath())、savepath()实现添加路径

也可以在原生MATLAB和VS Code进行不同的工作。两个终端互相独立，互不影响，但建议不要使用parfor等并行计算。

5. GitHub

什么是git？

Git是目前世界上最先进的分布式版本控制系统。它可以敏锐地记录文件的每一次改动，允许你随时“穿梭”回过去的任何一个状态。

下载地址

什么时候需要git？
  • 对同一份代码改了N遍，不记得哪个版本的结果最好，复现不出来了
  • 为了管理不同版本的脚本，把同一份文件复制了N份
  • 记不得自己为什么做了这个改动
git基本操作

在安装好git之后：

  • 配置git
git config --global user.name "你的英文名"
git config --global user.email "你的邮箱"

如果你是项目管理人：

  • 初始化仓库：git init
  • 使用README.md
  • 使用.gitignore
  • 暂存修改：git add
  • 提交修改：git commit -m '修改说明'
  • 推送：git push
  • 回滚

如果你想使用别人的代码：

  • 克隆项目：git clone {项目地址}

如果你与其他人协作：

  • 克隆项目：git clone {项目地址}
  • 拉取项目：git pull
  • 管理分支：git branch {分支名}，用于新的idea、适配自己本地数据等
  • 合并分支：git merge
  • 处理冲突：如果两个人在同一个分支修改了同一行代码，需要在同步时手动处理冲突（选择谁的版本？）

在线代码仓库：GitHub

什么是GitHub？

GitHub是全球最大的代码托管平台，也是一种学术名片、开源实验室以及论文代码存放地。

什么时候需要GitHub？
  • 你需要一个“云盘”来保存自己的项目
  • 你遵守开放科学规范，愿意公开自己的研究项目
  • 你与其他人合作一个项目，需要相互同步

申请GitHub学生认证

  1. 注册GitHub账号（与你的git配置邮箱相同）
  2. 打开Settings
  3. 进入Public Profile，把Name修改为拼音英文名（名 姓）
  4. 进入Emails，提供教育邮箱进行认证
  5. 进入Password and authencations，在手机上下载Authenticator等工具，按流程开启二次验证（Two-factor authentication）
  6. 选择Billing and licensing
  7. 使用真实信息填写Payment Information（提供账单信息，不需提供Payment Method）
  8. 准备好学生证，确保当前设备有摄像头，关闭设备VPN，开启网站定位权限
  9. 选择Education benefits，按流程开始申请，填写真实信息
  10. 最晚3天后，在教育邮箱接收学生认证结果
  11. 在VS Code登录GitHub账号，使用（近乎无限的）Copilot

结合GitHub与VS Code

  • 使用VS Code的“源代码管理”功能，可视化操作git
  • 在README里清晰、明确地描述项目，甚至作为proposal
  • 先有框架再有实现，明确自己的需求、以注释方式写清处理流程，由AI补充完成
  • 每次提交有明确的提交说明（必须有提交说明）
  • 合理使用.gitignore排除同步文件，特别是原始数据文件
  • 把原始数据文件设置为只读权限，禁止修改

实例：项目协作与管理

WIP

实例：使用远程服务器进行数据分析

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