Python 简明教程 — 24，Python 文件读写

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无论是哪种编程语言，IO 操作都是非常重要的部分。I 即Input（输入），O 即Output（输出）。

IO 操作一般分为以下两种：

  • 磁盘IO： 即在磁盘上读写文件。读文件是指将文件内容从磁盘读入内存，写文件是指将内存中的内容写到磁盘。
  • 网络IO： 即文件在网络上传输。网络传输一般会有两种角色，分别是服务端（如HTTP Server）和客户端（如浏览器）。

本节我们主要介绍磁盘IO，即文件读写。

1，open 函数介绍

要想读写文件，首先要打开一个文件。

Python 中的内建函数open 用来打开一个文件，我们可以使用help(open)，来查看open 函数的原型，如下：

open(file, mode='r', 
    buffering=-1, encoding=None,
    errors=None, newline=None, 
    closefd=True, opener=None)

该函数成功调用时会返回一个流stream，用于读写文件等操作；发生错误时会抛出IOError 异常。

被打开的文件占用了系统资源，使用完后要记得close，否则会浪费系统资源。

不管以读模式打开文件，还是以写模式打开文件，成功打开一个文件后，这个可操作文件的流的内部都有一个隐含的指针，一般这个指针会指向文件开头或者文件末尾的位置，表示从文件的哪个位置读写文件。

可以看到，该函数支持8 个参数，但最重要的是前两个参数：

  • file：是指要打开的文件的路径
  • mode：是指以什么模式打开文件，要用引号引住

mode 参数支持的模式（默认为读文本模式，即rt）如下：

  • r：以读模式打开文件（默认方式），指针在文件开头
  • w：以写模式打开文件，如果件已存在，则内容会被清空（指针在文件开头）；如果文件不存在，则会创建新文件
  • x：创建一个新文件，并以写模式打开，指针在文件开头，如果文件已存在，则抛出FileExistsError异常
  • a：以写模式打开文件，如果文件已有内容，在写入内容时，会追加到文件末尾（指针在文件末尾）
  • b：以二进制模式打开文件，一般用于读写二进制文件，如图片，视频等
  • t：以文本模式打开文件（默认方式），一般用于读写文本文件
  • +：以读写模式打开文件，指针在文件开头

这些模式还可以组合使用，常见的组合如下：

  • rb：以二进制模式打开一个文件，用于只读
  • r+：打开一个文件，用于读写
  • rb+：以二进制模式打开一个文件，用于读写
  • wb：以二进制模式打开一个文件，用于写
  • w+：打开一个文件，用于读写
  • wb+： 以二进制模式打开一个文件，用于读写
  • ab： 以二进制模式打开一个文件，用于追加
  • a+：打开一个文件用于读写，指针在文件末尾
  • ab+：以二进制模式打开一个文件，用于读写，指针在文件末尾

2，open 函数示例

如下代码，成功打开文件./1.txt：

f = open('./1.txt')

通过type(f)查看open 函数的返回值的类型：

>>> type(file)
<class '_io.TextIOWrapper'>

可看到，其返回值类型为_io.TextIOWrapper。

我们用dir(f) 来查看对象 f 支持的属性和方法：

>>> dir(file)
['_CHUNK_SIZE', '__class__', '__del__', '__delattr__', '__dict__', 
'__dir__', '__doc__', '__enter__', '__eq__', '__exit__', '__format__', 
'__ge__', '__getattribute__', '__getstate__', '__gt__', '__hash__', 
'__init__', '__init_subclass__', '__iter__', '__le__', '__lt__', 
'__ne__', '__new__', '__next__', '__reduce__', '__reduce_ex__', 
'__repr__', '__setattr__', '__sizeof__', '__str__', '__subclasshook__', 
'_checkClosed', '_checkReadable', '_checkSeekable', '_checkWritable', 
'_finalizing', 
'buffer', 'close', 'closed', 'detach', 'encoding', 'errors', 'fileno', 
'flush', 'isatty', 'line_buffering', 'mode', 'name', 'newlines', 'read', 
'readable', 'readline', 'readlines', 'seek', 'seekable', 'tell', 
'truncate', 'writable', 'write', 'writelines']

可以通过help(f.方法名) 来查看每个方法的帮助手册，也可以使用help(f) 来查看该对象的所有属性和方法，及其简介。

我们来看一下常用方法的作用：

  • mode：打开文件时的模式
  • name：被打开的文件名
  • close：关闭文件流，并刷新缓冲区中的内容，之后不能再操作文件
  • closed：文件流是否已关闭
  • flush：刷新写缓冲区，只写流与非阻塞流不适用
  • read：读入文件内容
  • readable：是否可读
  • readline：读入一行内容
  • readlines：读入文件所有的行，直至文件末尾
  • seek：移动文件指针的位置
  • seekable：文件指针是否可被移动
  • tell：返回文件指针当前位置
  • truncate：截断文件内容
  • writable：是否可写
  • write：向文件中写入内容
  • writelines：向文件中写入多行

3，关闭系统资源

正确的调用close() 函数是关键的。

在成功打开一个文件后，对该文件进行操作（读写）时，有可能发生异常。

比如我们打开的文件只能用来写，如果用来读，则会发生异常：

>>> f = open('1.txt', 'w')  # 用只读模式打开文件
>>> f.readable()            # 查看文件是否可读
False                       # 返回 False，表示不可读
>>> f.read()                # 读文件，发生异常
Traceback (most recent call last):
  File "<stdin>", line 1, in <module>
io.UnsupportedOperation: not readable

如果，我们将这段代码写在文件中：

#! /usr/bin/env python3

f = open('1.txt', 'w')
f.read()
f.close()

用python3 来执行，结果如下：

$ python3 Test.py 
Traceback (most recent call last):
  File "Test.py", line 4, in <module>
    f.read()
io.UnsupportedOperation: not readable

可以看到，在执行到f.read() 这句代码的时候，程序异常退出，那么后边的f.close() 就没有执行到，这就导致程序执行不够完整，系统资源没有关闭。

这时，我们可以用try...finally来处理，如下：

#! /usr/bin/env python3

f = open('1.txt', 'w')

try:
    f.read()

except Exception as e:
    print('read file err:%s' % e)

finally:
    f.close()
    print('file closed')

上面代码的执行结果如下：

$ python3 Test.py 
read file err:not readable
file closed

我们将f.close() 这句代码放在了finally 代码块中，这样，不管遇到什么情况，f.close() 这句话总会被执行，就不会导致系统资源泄漏的问题。

4，with 语句使用

为了确保系统资源能够关闭，Python 中提供了with 语句，能够让我们更加安全方面的使用open 函数，而不用关心资源关闭的问题。

with 语句也叫上下文管理器，有了with 语句，我们可以这样使用open 函数：

with open('./1.txt') as f:
    print(f.read())

这样的代码，不管在with 语句块内出现怎样的异常，close 函数都会被调用，而我们也不需要自己调用。

使用with 语句，就不再需要使用try...finally 语句，也使得代码更加简洁。

需要特别注意的是，这里的f只能在with 语句块中使用，一旦离开with 语句块，f 就被关闭了。如果在with 语句块之外使用f 进行读写等操作，将出现异常。

如下代码中，f.closed 将返回True：

with open('./1.txt') as f:
    pass
f.closed  # True

5，with 语句原理

为什么open 函数能够使用with 语句？

实际上open 函数能够使用with 语句的原因取决于open 的返回值的类型。我们知道，open 的返回值的类型为_io.TextIOWrapper，而这个类中有两个方法，__enter__ 方法和__exit__ 方法。

我们再来看下with 语句的格式：

with ... as ... :
    pass

with 关键字的后边是一个表达式，as 后边是一个变量名，表达式的计算结果会赋值给as 后边的变量。

Python 规定，只要一个类中有__enter__和__exit__ 方法，就可以使用with 语句。with 语句后边的表达式执行完毕后，就会执行__enter__ 方法，在退出with 语句块时，会执行__exit__ 方法。

我们自己编写一个测试类，使其能够使用with 语句：

#! /usr/bin/env python3

class TestWith:

    def __init__(self):
        print('执行__init__')

    def __enter__(self):
        print('执行__enter__')

    def __exit__(self, exc_type, exc_val, exc_tb):
        print('执行__exit__')

        print('exc_type is %s' % exc_type)
        print('exc_val is %s' % exc_val)
        print('exc_tb is %s' % exc_tb)

再该类中有三个函数：

  • __init__：构造函数，创建类的对象时调用
  • __enter__：进入with 语句块时会调用
  • __exit__：离开with 语句块时会调用

其中__exit__ 方法有三个参数：

  • exc_type：with 语句块中的代码发生异常时的异常类型
  • exc_val：发生异常时的异常值
  • exc_tb：发生异常时的traceback 类的对象

我们这样使用这个类：

with TestWith() as t:
    print('test with')

用python3 来执行，结果如下：

$ python3 Test.py 
执行__init__
执行__enter__
test with
执行__exit__
exc_type is None
exc_val is None
exc_tb is None

可以看到执行步骤是这样的：

  1. 生成该类的对象，执行__init__ 方法
  2. 进入with 语句块，执行__enter__ 方法
  3. 执行with 语句块中的代码
  4. 退出with 语句块，执行__exit__ 方法

因为with 语句块中没有发生异常，所以__exit__ 方法中的 exc_type，exc_val，exc_tb 三个参数均为None。

下面再示范一个with 语句块中出现异常的代码：

with TestWith() as t:
    print('test with1...')
    1 / 0   # 除数为 0，抛出异常
    print('test with2...')

该代码的执行结果如下：

$ python3 Test.py 
执行__init__
执行__enter__
test with1...
执行__exit__
exc_type is <class 'ZeroDivisionError'>
exc_val is division by zero
exc_tb is <traceback object at 0x7fe8b7c98888>
Traceback (most recent call last):
  File "Test.py", line 27, in <module>
    1 / 0
ZeroDivisionError: division by zero

通过上面的执行结果可以看到，在执行1 / 0 之前，我们不用多说。在执行到1 / 0 时，出现异常，然后会执行__exit__ 方法。

在执行结果中，我们能看到 exc_type，exc_val，exc_tb 三个参数的值，最后抛出Traceback 异常。

with 语句中，抛出异常的语句1 / 0 之后的代码不会再执行。

（完。）

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