Python 文件 IO

简述

文件是磁盘上的一个指定位置，用来存储相关信息。它用于永久地将数据存储在非易失性的内存中（例如：硬盘）。

在 Windows 中，文件可以是文本文档、图片、程序等，且通常会有相应的扩展名（例如：.txt）。而在 Linux 中，一切皆文件。

对于 Python 而言，文件是一种类型对象，像前面介绍的其他类型（例如：str）一样。

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三部曲

在 Python 中，文件操作按照以下顺序进行：

• 打开文件（open）
• 执行读取/写入操作（read/write）
• 关闭文件（close）

在读写文件时，首先要打开它。在操作完成后，需要对文件进行关闭，以便释放与文件绑定的资源。

打开模式

在打开文件时，可以指定打开模式（mode）：

模式	描述
'r'	以读方式打开文件，可读取文件信息（默认）
'w'	以写方式打开文件，可向文件写入信息（清空该文件，再写入新内容）。若文件不存在，则创建。
'x'	打开独占创建，如果文件已经存在，则失败。
'a'	以追加方式打开文件（写入的数据会被加到文件末尾，即：文件原先的内容会被保留）。若文件不存在，则创建。
'b'	二进制模式
't'	文本模式（默认）
'+'	打开一个用于更新（读取和写入）的文件

默认模式是 'r'，以只读方式打开文件，用于读取文本（相当于 'rt'）。对于二进制读写访问，模式 'w+b' 打开并将文件截断为 0 字节（清空文件），'r+b' 打开文件而不截断。

可以看出，Python 区分了二进制和文本 I/O：

• 以二进制模式打开文件（mode 中包含 'b'），内容将作为 bytes 对象返回，无需任何解码。
• 以文本模式打开文件（默认值，或 mode 中包含 't'），内容将作为 str 返回。首先使用平台相关编码对字节进行了解码，如果给出，则使用指定的编码。

打开文件

内置函数 open() 用于打开文件，并返回一个文件对象（也称为：句柄）：

>>> f = open("test.txt")  # 打开当前目录中的文件
>>> f = open("/home/wang/workspace/python/test.txt")  # 指定完整路径

指定打开模式

如果不指定模式，那么默认为 'r'，以只读方式打开文件：

>>> f = open("test.txt")  # 相当于 'r' 或 'rt'
>>> f.mode
'r'

此外，还可以显式指定打开模式 - 读取使用 'r'、写入使用 'w'、追加使用 'a'：

>>> f = open("test.txt", 'w')  # 以文本模式写入

还可以指定以文本模式或二进制模式打开文件：

>>> f = open("img.bmp", 'r+b')  # 以二进制模式读写

注意： 二进制模式是处理非文本文件（例如：图像、exe）时使用的模式。

指定编码类型

默认的编码依赖于平台。在 Windows 中：

>>> f = open("E:/test.txt")
>>> f.encoding
'cp936'

在 Linux 中：

>>> f = open("/home/wang/workspace/python/test.txt")
>>> f.encoding
'UTF-8'

可以看到，不同平台上的编码是不一样的。所以如果依赖于默认编码，那么代码在不同平台上将会有不同表现。

因此，当以文本模式处理文件时，强烈建议指定编码类型：

f = open("test.txt", mode = 'r', encoding = 'utf-8')

关闭文件

当完成对文件的操作时，需要适当地关闭，以释放与该文件绑定的资源。

常规方式

使用 close() 方法来完成：

f = open("test.txt", encoding = 'utf-8')
# ... 执行文件操作
f.close()

然而，这种方式并不完全安全，因为在对文件执行某些操作时很有可能会引发 IOError。一旦出错，代码将会退出而无法关闭文件。

异常处理

更安全的方式是使用 try...finally 块：

try:
   f = open("test.txt", encoding = 'utf-8')
   # 执行文件操作
finally:
   f.close()

这样，即使出现异常，也可以确保文件能够被正确地关闭。

使用 with 语句

每次都要这么写，简直太繁琐了。所以，Python 引入了 with 语句：

with open("test.txt", encoding = 'utf-8') as f:
    # 执行文件操作

这可以确保当 with 中的块退出时，文件被安全地关闭，该动作是在内部完成的。

这和 try ... finally 的效果是一样的，而且无需显式地调用 close()，代码简洁、优雅，更符合 Pythonic 的要求。

文件写入

为了写入文件，需要以写 'w' 模式打开，追加则使用 'a' 或独占创建使用 'x'。

注意： 在使用 'w' 模式时需要小心，因为如果文件存在，则会进行覆盖，以前的所有数据都将被清除。

要写入一个字符串或字节序列（对于二进制文件），使用 write() 方法，该方法会返回写入文件的字符数。

>>> with open("poem.txt", 'w', encoding = 'utf-8') as f:
...     f.write("Very quietly I take my leave\n")
...     f.write("As quietly as I came here\n")
... 
29
26

注意： 要区分不同的行，需要包含换行符（\n）。

可以看到，文件已经被创建了，而且包含了写入的内容：

$ cat poem.txt 
Very quietly I take my leave
As quietly as I came here

如果要向文件追加内容，使用模式 'a'：

>>> with open("poem.txt", 'a', encoding = 'utf-8') as f:
...     f.write('Gently I flick my sleeves\n')
...     f.write('Not even a wisp of cloud will I bring away\n')
... 
26
43

再次打开文件，可以看到之前的内容也会被保留：

$ cat poem.txt 
Very quietly I take my leave
As quietly as I came here
Gently I flick my sleeves
Not even a wisp of cloud will I bring away

文件读取

读取和写入一样简单，要读取文件的内容，必须以读 'r' 模式打开文件。

读取方式有多种：

• read([size])： size 为可选参数，如果指定了 size，就按照指定长度从文件中读取内容；否则，就读取全部内容。被读取的内容作为字符串返回，这样做的好处是：内容被存放在内存中，随用随取，方便快捷。但也因为这一点，如果文件过大，内存会吃不消。
• readline([size])：size 含义同上。它以行为单位返回字符串，也就是每次读取一行，依次循环，如果不限定 size，直到最后一个返回的是空字符串，意味着到文件的末尾（EOF - End-of-file）。
• readlines([size])：size 含义同上。返回以行为单位的列表，相当于先执行 readline()，得到每一行，然后将所有行放入列表中，最后将列表返回。

read([size])

可以使用 read(size) 方法读取数据的大小。如果没有指定 size，将读取并返回到文件的末尾。

>>> with open("poem.txt", 'r', encoding = 'utf-8') as f:
...     f.read(4)  # 读取前 4 个节数
...     f.read(9)  # 读取后续的 9 个节数
...     f.read()  # 读取剩余的内容（直到文件末尾）
...     f.read()  # 进一步读取，返回空字符串
... 
'Very'
' quietly '
'I take my leave\nAs quietly as I came here\nGently I flick my sleeves\nNot even a wisp of cloud will I bring away\n'
''

可以看到，read() 方法将换行作为 \n 返回。一旦到达文件的末尾，在进一步读取时便会返回空字符串。

可以使用 seek() 方法来更改当前的文件的游标（位置）。类似地，tell() 方法返回当前的位置（以字节数为单位）。

>>> with open("poem.txt", 'r', encoding = 'utf-8') as f:
...     f.read(4)  # 读取前 4 个节数
...     f.tell()  # 获取当前文件位置
...     f.seek(0)  # 将文件游标移到初始位置
...     print(f.read())  # 读取整个文件
... 
'Very'
4
0
Very quietly I take my leave
As quietly as I came here
Gently I flick my sleeves
Not even a wisp of cloud will I bring away

readline([size])

另外，可以使用 readline() 方法来读取文件的各个行，该方法会读取文件直到换行符（包括换行符）。

>>> with open("poem.txt", 'r', encoding = 'utf-8') as f:
...     f.readline(4)  # 读取第一行中前 4 个字节
...     f.readline()  # 读取第一行中的剩余内容
...     f.readline()  # 读取第二行
...     f.readline()  # 读取第三行
...     f.readline()  # 读取第四行
...     f.readline()  # 进一步读取，返回空字符串
... 
'Very'
' quietly I take my leave\n'
'As quietly as I came here\n'
'Gently I flick my sleeves\n'
'Not even a wisp of cloud will I bring away\n'
''

readlines([size])

最后，readlines() 方法返回整个文件的剩余行数的列表，所有这些读取方法在到达文件结束时（EOF）返回空值。

指定 size：

>>> with open("poem.txt", 'r', encoding = 'utf-8') as f:
...     f.readlines(35)
... 
['Very quietly I take my leave\n', 'As quietly as I came here\n']

注意： 返回总和大约为 size 字节的行，而且所返回的必然都是完整的行数据。大多数情况下，实际读取的可能比 size 大，因为需要填充缓冲区。

不指定 size：

>>> with open("poem.txt", 'r', encoding = 'utf-8') as f:
...     f.readlines()
... 
['Very quietly I take my leave\n', 'As quietly as I came here\n', 'Gently I flick my sleeves\n', 'Not even a wisp of cloud will I bring away\n']

通常情况下，如果文件不太大，则可以很方便地使用这种方式将文件读取到完整的数据结构中。

文件的方法

文件对象提供了许多方法：

>>> f = open("poem.txt")
>>>
>>> type(f)
<class '_io.TextIOWrapper'>
>>> 
>>> dir(f)
['_CHUNK_SIZE', '__class__', '__del__', '__delattr__', '__dict__', '__dir__', '__doc__', '__enter__', '__eq__', '__exit__', '__format__', '__ge__', '__getattribute__', '__getstate__', '__gt__', '__hash__', '__init__', '__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']

其中一些在上面已经介绍过了，以下是方法列表的简单说明：

方法	描述
close()	关闭一个打开的文件。如果文件已经关闭，则没有效果。
detach()	将底层二进制缓冲区从 TextIOBase 中分离出来并返回
fileno()	返回文件的整数号（文件描述符）
flush()	刷新文件流的写缓冲区
isatty()	如果文件流是交互式的，返回 True。
read(n)	从文件中读出最多 n 个字符。如果是负数的或不指定，则读到文件的末尾。
readable()	如果可以读取文件流，则返回 True。
readline(n=-1)	从文件读取并返回一行。如果指定，最多读取 n 个字节。
readlines(n=-1)	从文件中读取并返回列表行。如果指定，最多读取 n 个字符。
seek(offset,from=SEEK_SET)	将文件位置更改为 offset 字节，参考 from (start, current, end)
seekable()	如果文件流支持随机访问，则返回 True。
tell()	返回当前文件位置
truncate(size=None)	将文件流大小调整为 size 字节。如果未指定 size，调整大小至当前位置。
writable()	如果文件流可以写入，则返回 True。
write(s)	将字符串 s 写入文件，并返回写入的字符数。
writelines(lines)	写入文件列表