生物信息电脑运行环境搭建-Python R Linux

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# 0 题记 从2018-7-16日开始，我讲了四天课（实际3天半，共21个小时），内容包括Linux入门、Python入门和R入门。目的是让大家能在自己的PC和服务器上进行生物信息学分析相关的实践。去年我用了差不多21小时只讲了R入门。今年为什么添加了Linux和Python？因为去年我自己这两个都还没有入门，也没有任何实践操作经验，去年有基因所的老师来教这个部分。今年，我更希望大家能从基因所老师那里学到 `生物信息` 相关的东西，不要因为`系统操作`跟不上，一直云里雾里，所以讲了这个课程的 `pre course`。
本文总结了一个没有什么计算机知识的学生要入门生物信息，完成个人 `PC` 环境配置的基础知识。算是为这几日以教促学的自我总结。
  • 以下操作在 Mac OS X 中测试无误，Windows 部分主要靠回忆。
  • 如果在 Windows里面进行，打开Termial对应打开 CMD 或者 powershell。
  • 快捷需要相应调整，Windows 没有 cmd 键.

1 软件安装

1.1 系统 Linux vs Mac vs Windows

课程中涉及到的系统包括：

  • 一台能远程登录的服务器 Linux（Centos7）
  • 我用 Mac
  • 学生大部分使用 Windows
    • 但是从 XP 到 10 都有。系统和配置的种类很多，维护状态也大不相同，我不能强求大家先重装一个系统再来，所以遇到了五花八门的问题。
  • 总结下问题如下：
    • 内存不足
    • 系统版本老
    • 原安装的软件混乱
    • 使用中文用户名

1.2 软件

  • 服务器端没有做什么事情，它只是有一个校内的固定ip地址，能够让大家远程登录。
  • 个人电脑（PC）上面一共安装了四大类软件。
  • 逻辑如图
    • PC能与服务器通信和文件传输；
    • 能建立和维护 R 和 Python 的工作环境；
    • 能在开发环境中编写和调试代码。

![关系图](data:image/svg+xml;base64,<!DOCTYPE svg PUBLIC "-//W3C//DTD SVG 1.1//EN" "http://www.w3.org/Graphics/SVG/1.1/DTD/svg11.dtd">
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text-align: center;"><div xmlns="http://www.w3.org/1999/xhtml" style="display:inline-block;text-align:inherit;text-decoration:inherit;">Conda<br /></div></div></foreignObject><text x="18" y="12" fill="#000000" text-anchor="middle" font-size="12px" font-family="Helvetica">Conda&lt;br&gt;</text></switch></g><path d="M 465.5 47 Q 429.67 47 401.87 46.32" fill="none" stroke="#d6b656" stroke-miterlimit="10" pointer-events="none"/><path d="M 396.62 46.19 L 403.7 42.87 L 401.87 46.32 L 403.53 49.86 Z" fill="#d6b656" stroke="#d6b656" stroke-miterlimit="10" pointer-events="none"/><path d="M 465.95 206.17 Q 429.67 206.17 429.67 126.17 Q 429.67 46.17 401.87 46.17" fill="none" stroke="#82b366" stroke-miterlimit="10" pointer-events="none"/><path d="M 396.62 46.17 L 403.62 42.67 L 401.87 46.17 L 403.62 49.67 Z" fill="#82b366" stroke="#82b366" stroke-miterlimit="10" pointer-events="none"/><path d="M 465.95 206.17 Q 430.5 206.17 430.5 187.42 Q 430.5 168.67 401.03 168.67" fill="none" stroke="#82b366" stroke-miterlimit="10" pointer-events="none"/><path d="M 395.78 168.67 L 402.78 165.17 L 401.03 168.67 L 402.78 172.17 Z" fill="#82b366" stroke="#82b366" stroke-miterlimit="10" pointer-events="none"/><rect x="465.95" y="184" width="90" height="45" rx="18.45" ry="18.45" fill="url(#mx-gradient-d5e8d4-1-fff4c3-1-e-0)" stroke="#82b366" pointer-events="none"/><g transform="translate(490.5,200.5)"><switch><foreignObject style="overflow:visible;" pointer-events="all" width="40" height="12" requiredFeatures="http://www.w3.org/TR/SVG11/feature#Extensibility"><div xmlns="http://www.w3.org/1999/xhtml" style="display: inline-block; 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text-align: center;"><div xmlns="http://www.w3.org/1999/xhtml" style="display:inline-block;text-align:inherit;text-decoration:inherit;">Rstudio<br /></div></div></foreignObject><text x="20" y="12" fill="#000000" text-anchor="middle" font-size="12px" font-family="Helvetica">Rstudio&lt;br&gt;</text></switch></g><rect x="127.5" y="0" width="95" height="47" rx="13.63" ry="13.63" fill="#f5f5f5" stroke="#666666" pointer-events="none"/><g transform="translate(142.5,10.5)"><switch><foreignObject style="overflow:visible;" pointer-events="all" width="65" height="26" requiredFeatures="http://www.w3.org/TR/SVG11/feature#Extensibility"><div xmlns="http://www.w3.org/1999/xhtml" style="display: inline-block; font-size: 12px; font-family: Helvetica; color: rgb(0, 0, 0); line-height: 1.2; vertical-align: top; width: 67px; white-space: nowrap; word-wrap: normal; text-align: center;"><div xmlns="http://www.w3.org/1999/xhtml" style="display:inline-block;text-align:inherit;text-decoration:inherit;">Powershell/ <br />Terminal</div></div></foreignObject><text x="33" y="19" fill="#000000" text-anchor="middle" font-size="12px" font-family="Helvetica">[Not supported by viewer]</text></switch></g><rect x="127.5" y="159" width="95" height="47" rx="13.63" ry="13.63" fill="#f5f5f5" stroke="#666666" pointer-events="none"/><g transform="translate(144.5,169.5)"><switch><foreignObject style="overflow:visible;" pointer-events="all" width="61" height="26" requiredFeatures="http://www.w3.org/TR/SVG11/feature#Extensibility"><div xmlns="http://www.w3.org/1999/xhtml" style="display: inline-block; font-size: 12px; font-family: Helvetica; color: rgb(0, 0, 0); line-height: 1.2; vertical-align: top; width: 61px; white-space: nowrap; word-wrap: normal; text-align: center;"><div xmlns="http://www.w3.org/1999/xhtml" style="display:inline-block;text-align:inherit;text-decoration:inherit;">Filezilla/<br />Cyberduck <br /></div></div></foreignObject><text x="31" y="19" fill="#000000" text-anchor="middle" font-size="12px" font-family="Helvetica">[Not supported by viewer]</text></switch></g></g></svg>)

  1. 与服务器连接

  2. 编译语言

    • R 3.5.1：先安装，再装Rstudio
    • Python 3.6：Conda顺带安装
    • Java：由于有些软件会用到，不是所有人都安了，所以也让大家装了

  3. 环境管理

  4. 代码编辑器/IDE

    • Jupyter: 以前叫 ipython notebook：支持Python，R等，代码+注释的编辑方式，使可读性强，适合教学用。
    • Sublime Text 3：轻量，免费，多种语言高亮支持，也能提供编译。需要自己进行进一步配置。个人很喜欢 ST3。不仅快，功能丰富，而且打开大的数据也不卡。但是，ST3有本事能让你用的得心应手，前提也是你得花时间配置。思考了下，认为这篇，不适合展开细讲，所以留一个坑吧。

1.3 安装

1.3.1 文件传输 Filezilla | Cyberduck

本来以为最没有问题的是这个部分，不过还是出了点小问题。

  • Filezilla 下载成了 Filezilla server。
  • Cyberduck 连接的时候应该选择 SFTP 类型。

1.3.2 远程登录 Powershell | Terminal

Windows

  • Powershell Windows 8.1 之后自带，有就能直接运行 ssh 命令。
  • 没有可以下载，或者下 Putty，Openssh。
  • 不想安装可以在 CMD 里面使用 telnet 命令。

Mac

  • Terminal 自带。
  • 代码ssh -p 22 username@ip

登录信息

  • port 端口 -p
  • ip 地址
  • 用户名
  • 密码

让服务器说中文

  • 远程登录之后，打开家目录（当前目录/home/username）下的 .bash_profile。
vi .bash_profile
  • 按 i。
  • 输入 export LANG=zh_CN.UTF-8 。
  • 按esc，再输入 :wq 回车。
  • 然后重新登录，或者运行。
source .bash_profile

1.3.3 语言编译器 R | Python

R

下载安装3.5.1，没有遇到报错 link

Python

装 Python 3，安装 conda 就自动装上。

Java

也是去官网下载安装，没有遇到报错，只是大，需要等。

1.3.4 环境管理 conda | Rstudio

用来管理和安装各种软件包和模块。

Conda for Python

  • Anaconda 和 Miniconda 都是在使用 Conda 命令来管理包（模块）和运行环境的。
  • 区别是Anaconda把常用的大量的包都预先安装好了。Anaconda有用户界面(GUI)，Miniconda只是能够用命令行(Command line)来运行。
  • Anaconda 预装了 Jupyter Notebook，还能一起管理 Rstudio。

看到这里是不是觉得那还装啥别的，就来Anaconda 了吧！实践告诉我，并不是。Anaconda有三个硬伤：

  1. 内存不够开起来慢，就这么说吧，拖家带口，跑不动。
  2. Anaconda没有提供最新的R环境。目前支持的是 R3.4.3 可是已经有一些包要求不是R3.5.1就不准装，目前，我随便搜了下，并不知道怎么在 Anaconda里面让R的核更新。
  3. 如果想自定义，里面的关系盘根错节，不知道怎么改。
    比如我自己下一个 R3.5.1 然后再修改依赖关系，但是我发现其实 bin 里面放的是一个 Wrapper，我不知道怎么改，即使我知道自己的新R在哪里，我尝试了各种简单的拖动，替换，并没有成功。

所以，我决定把 Anaconda 卸了，安装 miniconda，然后通过 Conda 来安装 Jupyter。

安装过程
  1. 下载文件，例如 Miniconda3-latest-MacOSX-x86_64.sh。
  2. 运行。

注意，这里是 .sh，双击以文件形式打开，运行是在 Terminal 中进入文件所在文件夹，然后运行的。

cd Download
bash ./Miniconda3-latest-MacOSX-x86_64.sh
conda 使用

通常就是知道自己需要安装的包的名字(例如：numpy)，然后输入命令。运行后，首先会完成解析，确认，输入 y安装才会继续。解析返回的内容包括：

  • 将安装哪些依赖dependency（也就是相关的包）
  • 哪些会升版本
  • 那些需要降级版本

会要下很多很多东西，但是等就好。中间报错通常因为下载中断，再运行一次，会从断的地方继续。

conda install numpy
conda 频道 channel
  • 不同的 channels 放着不同的东西。
  • 添加频道
conda config --add channels defaults
conda config --add channels conda-forge
conda config --add channels bioconda
  • 生物信息常用 bioconda，里面包含 biopython 模块
conda install biopython

提高下载速度 mirror

  • 清华有anaconda的 镜像，按需求选择了几个需要的 channel。
conda config --add channels https://mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/anaconda/pkgs/free/
conda config --add channels https://mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/anaconda/pkgs/main/
conda config --set show_channel_urls yes
conda config --add channels https://mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/anaconda/cloud/conda-forge/
conda config --add channels https://mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/anaconda/cloud/bioconda/

Rstudio

安装 Rstudio 一般问题也不大，容易错的是：

  • 安装在含义中文的路径中，比如用户名，对后续使用有影响。
  • 没有安装 R 就装 Rstudio。

1.3.5 代码编辑IDE Jupyter | Sublime Text3

交互式开发环境 IDE interactive development enviroment: 意思就是你能在里面写代码，然后看到结果。还能辅助你管理包环境变量，文件等。

首先 Rstudio 也是IDE，但是它是 R 专用的 IDE。
下面追加安装的两个IDE能支持多种语言，特别是 Sublime Text 3，简直各种小能手。

Sublime Text 3

  • 安装没有出现过问题，注意版本要新。
  • ST3 能用各种你已经安装的 编译器（例如Python和R）来运行对应的代码文件（.py和.r）。
    在对应的打开文件中，按 Cmd + B，在 Tools -> Build System 选择合适的编译器，或者自动，ST编译代码，在下方显示结果。
  • Python 能输出图形，如果编译之后没有图，参考
  • R 目前没有直接出图，有需要安装 REPL 参考

Jupyter

  • 使用conda安装，
conda install jupyter
  • 推荐安装 nbextension插件，这样能有目录，高亮，帮助窗口等附件功能。
conda install -c conda-forge jupyter_contrib_nbextensions
  • 激活使用的插件，可以打开 notebook 之后勾选；或者使用代码。推荐打开help panel，table of content和highlighter。
jupyter nbextension enable highligher/main
  • 运行 notebook：输入命令，会以当前的路径作为根目录，以默认浏览器打开一个页面（本地服务器）。
jupyter notebook

1.3.6 Jupyter notebook + R kernel

  • 因为我们已经安装的 R 现在就是要让 Jupyter notebook 找到R了。很简单，使用IRkernel。
  • 有一个小坑。首先以下代码是 R 里面运行的，前面两行能在 R studio 运行成功，但是第三行一定要在 R 本身 运行！
  • 建议在 Terminl 中输入 R 运行，然后再运行下面的代码。
  • 结果会将你 当前使用的 R 的版本 作为 核（kernel）。
  • 以后打开 Jupyter notebook 就能选择 R 作为核了。
install.packages('devtools')
devtools::install_github('IRkernel/IRkernel')
# or devtools::install_local('IRkernel-master.tar.gz')
IRkernel::installspec()  # to register the kernel in the current R installation

1.4 常见问题

1.4.1 不知道自己有没有安装成功

  • 首先要区分 命令 command 和 程序 app exe。本质上 运行命令 运行的是 命令 指向的 程序。命令 可以理解为放在 环境变量 指向的 位置 PATH中的 程序本身，或者 程序的超链接。
  • 例如：R 本来装在 /Library/Frameworks/R.framework 中，但是在 /usr/local/bin/ 里有一个 R 的超链接，所以我们可以在任何地方 只输入 R 就运行程序。比较下面的代码：
    • 运行的是 R命令，通过 环境变量找到 R程序，然后打开。

$R

    * 运行的是 `当前路径下的R程序`，所以前面有 `./ `。如果所在路径没有 `R` 不能运行成功。
     ```
$./R
  • 因此，在命令行模式中，通常输入 程序 的名字就能知是否安装成功。例如输入Java，Python，R 或 Jupyter。

1.4.2 安装程序或修改环境变量后没有生效

  • 例如安装了 miniconda 之后，conda 命令并没有马上被找到。因为其实有一条命令还没有生效。打开 .bash_profile 。
vi ~/.bash_profile

看到里面写着如下命令。它在每次登陆的时候生效，所以需要再登陆一次。

# added by Miniconda3 installer

export PATH="/Users/YOURNAME/miniconda3/bin:$PATH"

1.4.3 环境变量设置出错

环境变量是什么？

环境变量 = PATH 也就是路径。一个系统帮助我们找到要运行的程序的 路径。

  • 虽然是一样的安装程序，但是经常就有人的机器，安装了之后还是不能运行。其实就是安装的过程没有完成添加 环境变量 PATH。我们可以自己添加环境变量。

  • 大家都很不明白什么是环境变量。请看以下 Windows 的例子。

  • 如果 blastn.exe 装在了 D:\Blast+ 中。直接在 CMD 中运行 blastn 是不会成功的，因为我们没有把 D:\Blast+设置为让系统帮我们找可执行文件的位置 =
    PATH 。

如何修改

  • Mac 中详细说明见上一条。以下代码仅为例子。
echo $PATH
vi ~/.bash_profile

# added by Miniconda3 installer

export PATH="/Users/YOURNAME/Blast+/bin:$PATH"

  • Windows 我的电脑，右键，属性，高级设置，环境变量，在原有的环境变量基础上加上
    ;C:\Blast+。

  • Windows 10 才能逐条显示环境变量中的路径，能用浏览的方式加入新的。

  • Windows 命令行方式添加。

set PATH=%PATH%;D:\Blast+
echo %PATH%

1.4.4 下载错了位（32 vs 64）或版本

  • 如果不是从官网下载，常常已经不是最新的版本，有时候不能正常的支持所有的包。
  • 目前还有一些笔记本是32位的，但是一些软件最新的版本已经没有32位了，比如Blast+。解决的方法是下载稍微老一些的版本。

1.4.5 缺少管理员权限

  • 在图形界面安装，如果是因为没有管理员权限的问题，有时候是不会报错，只是一直安装不成功。
  • 如果在命令行界面，安装失败才能看到返回的错误信息。
  • Windows 可以用管理员权限打开 CMD。注意没有 sudo 命令。以下两个都是网上找的，没测试。来源。
runas /noprofile /user:Administrator cmd 
ru
  • Mac 里面可以用 sudo 来运行。例如
sudo conda install pandas

2 总结

2.1 最小安装

  • Filezilla/Cyberduck
  • minicoda
  • R
  • Rstudio
  • Jupyter

2.2 跟不上进度的主要原因

  • 不能理解绝对路径和相对路径 = 因为找不到文件报错
  • 不习惯使用 table 补齐代码 = 输入错误
  • 不能理解变量的作用域 = R里面不懂如何使用$
  • 不知道 “ 在不同语境下的含义，特别是在 R 里面 = 弄混变量和字符串
  • 不知道 [] () 使用时候的不同含义 = R里面的函数和内容提取
  • 不知道一般有哪几类错误
  • 关键是不看错误信息说什么，特别是信息长又是英语的时候，更别说分析问题怎么解决
  • 不知道怎么把大问题拆成小步骤，听指导的时候总是跳步骤。

有的学生会很积极的来上课，但一直跟不上，然后就一直问别人该怎么操作，发现代码运行出来，就很满意了，但是他们唯独不做的事情是理解问题和分析问题。也不在乎自己是不是获得了独立完成的能力。

以前我认为只要老师讲得够清楚就能解决问题。好像也不是这么回事。很多基础的概念和原理，很多人并不能按照我期待的理解。可能是每种语法还是需要一定的时间来记忆。知识也需要发酵。

比如，我希望大家从表格数据里提取一个列，做逻辑运算，再把结果添加到数据的新列里。需要使用 $ 提取内容，>做逻辑计算 , 最后通过 $ 把计算结果赋值 <- 给原来的 不存在的列，完成添新列。我发现，大家不能完成不是单纯的不记得使用哪个命令，重要的是不能把这个任务线性化，不能分割为最小的步骤。我会一直努力拆解，然后提醒。最后发现，真的要精确到每一步，才有可能准确理解。

df$z <- df$x > 3 读出这个代码里面的数据流向也是入门的一道坎。

另外，我还是容易不淡定，嗯。

posted @ 2018-07-21 18:34  Xeonilian  阅读(1698)  评论(0)  编辑  收藏  举报