文件和異常

在實際開發(fā)中，常常需要對程序中的數(shù)據(jù)進行持久化操作，而實現(xiàn)數(shù)據(jù)持久化最直接簡單的方式就是將數(shù)據(jù)保存到文件中。說到“文件”這個詞，可能需要先科普一下關(guān)于文件系統(tǒng)的知識，對于這個概念，維基百科上給出了很好的詮釋，這里不再浪費筆墨。

在Python中實現(xiàn)文件的讀寫操作其實非常簡單，通過Python內(nèi)置的open函數(shù)，我們可以指定文件名、操作模式、編碼信息等來獲得操作文件的對象，接下來就可以對文件進行讀寫操作了。這里所說的操作模式是指要打開什么樣的文件（字符文件還是二進制文件）以及做什么樣的操作（讀、寫還是追加），具體的如下表所示。

操作模式	具體含義
'r'	讀取 （默認）
'w'	寫入（會先截斷之前的內(nèi)容）
'x'	寫入，如果文件已經(jīng)存在會產(chǎn)生異常
'a'	追加，將內(nèi)容寫入到已有文件的末尾
'b'	二進制模式
't'	文本模式（默認）
'+'	更新（既可以讀又可以寫）

下面這張圖來自于菜鳥教程網(wǎng)站，它展示了如果根據(jù)應(yīng)用程序的需要來設(shè)置操作模式。

讀寫文本文件

讀取文本文件時，需要在使用open函數(shù)時指定好帶路徑的文件名（可以使用相對路徑或絕對路徑）并將文件模式設(shè)置為'r'（如果不指定，默認值也是'r'），然后通過encoding參數(shù)指定編碼（如果不指定，默認值是None，那么在讀取文件時使用的是操作系統(tǒng)默認的編碼），如果不能保證保存文件時使用的編碼方式與encoding參數(shù)指定的編碼方式是一致的，那么就可能因無法解碼字符而導(dǎo)致讀取失敗。下面的例子演示了如何讀取一個純文本文件。

def main():f = open('致橡樹.txt', 'r', encoding='utf-8')print(f.read())f.close()if __name__ == '__main__':main()

請注意上面的代碼，如果open函數(shù)指定的文件并不存在或者無法打開，那么將引發(fā)異常狀況導(dǎo)致程序崩潰。為了讓代碼有一定的健壯性和容錯性，我們可以使用Python的異常機制對可能在運行時發(fā)生狀況的代碼進行適當(dāng)?shù)奶幚?#xff0c;如下所示。

def main():f = Nonetry:f = open('致橡樹.txt', 'r', encoding='utf-8')print(f.read())except FileNotFoundError:print('無法打開指定的文件!')except LookupError:print('指定了未知的編碼!')except UnicodeDecodeError:print('讀取文件時解碼錯誤!')finally:if f:f.close()if __name__ == '__main__':main()

在Python中，我們可以將那些在運行時可能會出現(xiàn)狀況的代碼放在try代碼塊中，在try代碼塊的后面可以跟上一個或多個except來捕獲可能出現(xiàn)的異常狀況。例如在上面讀取文件的過程中，文件找不到會引發(fā)FileNotFoundError，指定了未知的編碼會引發(fā)LookupError，而如果讀取文件時無法按指定方式解碼會引發(fā)UnicodeDecodeError，我們在try后面跟上了三個except分別處理這三種不同的異常狀況。最后我們使用finally代碼塊來關(guān)閉打開的文件，釋放掉程序中獲取的外部資源，由于finally塊的代碼不論程序正常還是異常都會執(zhí)行到（甚至是調(diào)用了sys模塊的exit函數(shù)退出Python環(huán)境，finally塊都會被執(zhí)行，因為exit函數(shù)實質(zhì)上是引發(fā)了SystemExit異常），因此我們通常把finally塊稱為“總是執(zhí)行代碼塊”，它最適合用來做釋放外部資源的操作。如果不愿意在finally代碼塊中關(guān)閉文件對象釋放資源，也可以使用上下文語法，通過with關(guān)鍵字指定文件對象的上下文環(huán)境并在離開上下文環(huán)境時自動釋放文件資源，代碼如下所示。

def main():try:with open('致橡樹.txt', 'r', encoding='utf-8') as f:print(f.read())except FileNotFoundError:print('無法打開指定的文件!')except LookupError:print('指定了未知的編碼!')except UnicodeDecodeError:print('讀取文件時解碼錯誤!')if __name__ == '__main__':main()

除了使用文件對象的read方法讀取文件之外，還可以使用for-in循環(huán)逐行讀取或者用readlines方法將文件按行讀取到一個列表容器中，代碼如下所示。

import timedef main():# 一次性讀取整個文件內(nèi)容with open('致橡樹.txt', 'r', encoding='utf-8') as f:print(f.read())# 通過for-in循環(huán)逐行讀取with open('致橡樹.txt', mode='r') as f:for line in f:print(line, end='')time.sleep(0.5)print()# 讀取文件按行讀取到列表中with open('致橡樹.txt') as f:lines = f.readlines()print(lines)if __name__ == '__main__':main()

要將文本信息寫入文件文件也非常簡單，在使用open函數(shù)時指定好文件名并將文件模式設(shè)置為'w'即可。注意如果需要對文件內(nèi)容進行追加式寫入，應(yīng)該將模式設(shè)置為'a'。如果要寫入的文件不存在會自動創(chuàng)建文件而不是引發(fā)異常。下面的例子演示了如何將1-9999直接的素數(shù)分別寫入三個文件中（1-99之間的素數(shù)保存在a.txt中，100-999之間的素數(shù)保存在b.txt中，1000-9999之間的素數(shù)保存在c.txt中）。

from math import sqrtdef is_prime(n):"""判斷素數(shù)的函數(shù)"""assert n > 0for factor in range(2, int(sqrt(n)) + 1):if n % factor == 0:return Falsereturn True if n != 1 else Falsedef main():filenames = ('a.txt', 'b.txt', 'c.txt')fs_list = []try:for filename in filenames:fs_list.append(open(filename, 'w', encoding='utf-8'))for number in range(1, 10000):if is_prime(number):if number < 100:fs_list[0].write(str(number) + '\n')elif number < 1000:fs_list[1].write(str(number) + '\n')else:fs_list[2].write(str(number) + '\n')except IOError as ex:print(ex)print('寫文件時發(fā)生錯誤!')finally:for fs in fs_list:fs.close()print('操作完成!')if __name__ == '__main__':main()

讀寫二進制文件

知道了如何讀寫文本文件要讀寫二進制文件也就很簡單了，下面的代碼實現(xiàn)了復(fù)制圖片文件的功能。

def main():try:with open('guido.jpg', 'rb') as fs1:data = fs1.read()print(type(data))  # <class 'bytes'>with open('吉多.jpg', 'wb') as fs2:fs2.write(data)except FileNotFoundError as e:print('指定的文件無法打開.')except IOError as e:print('讀寫文件時出現(xiàn)錯誤.')print('程序執(zhí)行結(jié)束.')if __name__ == '__main__':main()

讀寫JSON文件

通過上面的講解，我們已經(jīng)知道如何將文本數(shù)據(jù)和二進制數(shù)據(jù)保存到文件中，那么這里還有一個問題，如果希望把一個列表或者一個字典中的數(shù)據(jù)保存到文件中又該怎么做呢？答案是將數(shù)據(jù)以JSON格式進行保存。JSON是“JavaScript Object Notation”的縮寫，它本來是JavaScript語言中創(chuàng)建對象的一種字面量語法，現(xiàn)在已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于跨平臺跨語言的數(shù)據(jù)交換，原因很簡單，因為JSON也是純文本，任何系統(tǒng)任何編程語言處理純文本都是沒有問題的。目前JSON基本上已經(jīng)取代了XML作為異構(gòu)系統(tǒng)間交換數(shù)據(jù)的事實標(biāo)準(zhǔn)。關(guān)于JSON的知識，更多的可以參考JSON的官方網(wǎng)站，從這個網(wǎng)站也可以了解到每種語言處理JSON數(shù)據(jù)格式可以使用的工具或三方庫，下面是一個JSON的簡單例子。

{'name': '駱昊','age': 38,'qq': 957658,'friends': ['王大錘', '白元芳'],'cars': [{'brand': 'BYD', 'max_speed': 180},{'brand': 'Audi', 'max_speed': 280},{'brand': 'Benz', 'max_speed': 320}]
}

可能大家已經(jīng)注意到了，上面的JSON跟Python中的字典其實是一樣一樣的，事實上JSON的數(shù)據(jù)類型和Python的數(shù)據(jù)類型是很容易找到對應(yīng)關(guān)系的，如下面兩張表所示。

JSON	Python
object	dict
array	list
string	str
number (int / real)	int / float
true / false	True / False
null	None

Python	JSON
dict	object
list, tuple	array
str	string
int, float, int- & float-derived Enums	number
True / False	true / false
None	null

我們使用Python中的json模塊就可以將字典或列表以JSON格式保存到文件中，代碼如下所示。

import jsondef main():mydict = {'name': '駱昊','age': 38,'qq': 957658,'friends': ['王大錘', '白元芳'],'cars': [{'brand': 'BYD', 'max_speed': 180},{'brand': 'Audi', 'max_speed': 280},{'brand': 'Benz', 'max_speed': 320}]}try:with open('data.json', 'w', encoding='utf-8') as fs:json.dump(mydict, fs)except IOError as e:print(e)print('保存數(shù)據(jù)完成!')if __name__ == '__main__':main()

json模塊主要有四個比較重要的函數(shù)，分別是：

• dump - 將Python對象按照JSON格式序列化到文件中
• dumps - 將Python對象處理成JSON格式的字符串
• load - 將文件中的JSON數(shù)據(jù)反序列化成對象
• loads - 將字符串的內(nèi)容反序列化成Python對象

這里出現(xiàn)了兩個概念，一個叫序列化，一個叫反序列化。自由的百科全書維基百科上對這兩個概念是這樣解釋的：“序列化（serialization）在計算機科學(xué)的數(shù)據(jù)處理中，是指將數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)或?qū)ο鬆顟B(tài)轉(zhuǎn)換為可以存儲或傳輸?shù)男问?#xff0c;這樣在需要的時候能夠恢復(fù)到原先的狀態(tài)，而且通過序列化的數(shù)據(jù)重新獲取字節(jié)時，可以利用這些字節(jié)來產(chǎn)生原始對象的副本（拷貝）。與這個過程相反的動作，即從一系列字節(jié)中提取數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的操作，就是反序列化（deserialization）”。

目前絕大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)服務(wù)（或稱之為網(wǎng)絡(luò)API）都是基于HTTP協(xié)議提供JSON格式的數(shù)據(jù)，關(guān)于HTTP協(xié)議的相關(guān)知識，可以看看阮一峰老師的《HTTP協(xié)議入門》，如果想了解國內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)服務(wù)，可以看看聚合數(shù)據(jù)和阿凡達數(shù)據(jù)等網(wǎng)站，國外的可以看看{API}Search網(wǎng)站。下面的例子演示了如何使用requests模塊（封裝得足夠好的第三方網(wǎng)絡(luò)訪問模塊）訪問網(wǎng)絡(luò)API獲取國內(nèi)新聞，如何通過json模塊解析JSON數(shù)據(jù)并顯示新聞標(biāo)題，這個例子使用了天行數(shù)據(jù)提供的國內(nèi)新聞數(shù)據(jù)接口，其中的APIKey需要自己到該網(wǎng)站申請。

import requests
import jsondef main():resp = requests.get('http://api.tianapi.com/guonei/?key=APIKey&num=10')data_model = json.loads(resp.text)for news in data_model['newslist']:print(news['title'])if __name__ == '__main__':main()

在Python中要實現(xiàn)序列化和反序列化除了使用json模塊之外，還可以使用pickle和shelve模塊，但是這兩個模塊是使用特有的序列化協(xié)議來序列化數(shù)據(jù)，因此序列化后的數(shù)據(jù)只能被Python識別。關(guān)于這兩個模塊的相關(guān)知識可以自己看看網(wǎng)絡(luò)上的資料。另外，如果要了解更多的關(guān)于Python異常機制的知識，可以看看segmentfault上面的文章《總結(jié)：Python中的異常處理》，這篇文章不僅介紹了Python中異常機制的使用，還總結(jié)了一系列的最佳實踐，很值得一讀。