Python编程从入门到实践（九）-文件和异常
1 从文件中读取数据
1.1 读取整个文件
要读取文件，需要一个包含几行文本的文件。下面首先来创建一个文件，它包含精确到小数点后30位的圆周率值，且在小数点后每10位处都换行：
pi_digits.txt
3.1415926535
8979323846
2643383279
为何会多出这个空行呢？因为read()到达文件末尾时返回一个空字符串，而将这个空字符串显示出来时就是一个空行。要删除末尾的空行，可在print语句中使用rstrip()：
with open('pi_digits.txt')as file_object:
contents=file_object.read()
print (contents.rstrip())输出：
3.1415926535
8979323846
2643383279
1.2 文件路径
要让Python打开不与程序文件位于同一个目录中的文件，需要提供文件路径，它让Python到系统的特定位置去查找。
由于文件夹text_files位于文件夹python_work中，因此可使用相对文件路径来打开该文件夹中的文件。相对文件路径让Python到指定的位置去查找，而该位置是相对于当前运行的程序所在目录的。在Linux和OS X中，你可以这样编写代码：
with open('text_files/filename.txt') as file_object:这行代码让Python到文件夹python_work下的文件夹text_files中去查找指定的．txt文件。在Windows系统中，在文件路径中使用反斜杠（\）而不是斜杠（/）：
with open('text_files\filename.txt') as file_object:你还可以将文件在计算机中的准确位置告诉Python，这样就不用关心当前运行的程序存储在什么地方了。这称为绝对文件路径。在相对路径行不通时，可使用绝对路径。例如，如果text_files并不在文件夹python_work中，而在文件夹other_files中，则向open()传递路径’text_files/filename.txt’行不通，因为Python只在文件夹python_work中查找该位置。为明确地指出你希望Python到哪里去查找，你需要提供完整的路径。
绝对路径通常比相对路径更长，因此将其存储在一个变量中，再将该变量传递给open()会有所帮助。在Linux和OS X中，绝对路径类似于下面这样：
file_path = '/home/ehmatthes/other_files/text_files/filename.txt'
with open(file_path) as file_object:而在Windows系统中，它们类似于下面这样：
file_path = 'C:\Users\ehmatthes\other_files\text_files\filename.txt'
with open(file_path) as file_object:通过使用绝对路径，可读取系统任何地方的文件。就目前而言，最简单的做法是，要么将数据文件存储在程序文件所在的目录，要么将其存储在程序文件所在目录下的一个文件夹（如text_files）中。
注意Windows系统有时能够正确地解读文件路径中的斜杠。如果你使用的是Windows系统，且结果不符合预期，请确保在文件路径中使用的是反斜杠。另外，由于反斜杠在Python即在开头的单引号前加上r。
1.3 逐行读取
要以每次一行的方式检查文件，可对文件对象使用for循环：
为何会出现这些空白行呢？因为在这个文件中，每行的末尾都有一个看不见的换行符，而print语句也会加上一个换行符，因此每行末尾都有两个换行符：一个来自文件，另一个来自print语句。要消除这些多余的空白行，可在print语句中使用rstrip()：
1.4 创建一个包含文件各行内容的列表
使用关键字with时，open()返回的文件对象只在with代码块内可用。如果要在with代码块外访问文件的内容，可在with代码块内将文件的各行存储在一个列表中，并在with代码块外使用该列表：你可以立即处理文件的各个部分，也可推迟到程序后面再处理。
下面的示例在with代码块中将文件pi_digits.txt的各行存储在一个列表中，再在with代码块外打印它们：
filename='pi_digits.txt'
with open(filename)as file_object:
lines=file_object.readlines()
for line in lines:
print (line.rstrip())1.5 使用文件的内容
将文件读取到内存中后，就可以以任何方式使用这些数据了。下面以简单的方式使用圆周率的值。首先，我们将创建一个字符串，它包含文件中存储的所有数字，且没有任何空格：
filename='pi_digits.txt'
with open(filename)as file_object:
lines=file_object.readlines()
pi_string=''
for line in lines:
pi_string+=line.rstrip()
print (pi_string)
print(pi_string.__len__())输出：
3.1415926535 8979323846 2643383279
36
在变量pi_string存储的字符串中，包含原来位于每行左边的空格，为删除这些空格，可使用strip()而不是rstrip()：
filename='pi_digits.txt'
with open(filename)as file_object:
lines=file_object.readlines()
pi_string=''
for line in lines:
pi_string+=line.strip()
print (pi_string)
print(pi_string.__len__())输出：
3.141592653589793238462643383279
32
注意读取文本文件时，Python将其中的所有文本都解读为字符串。如果你读取的是数字，并要将其作为数值使用，就必须使用函数int()将其转换为整数，或使用函数float()将其转换为浮点数。
1.6 包含一百万位的大型文件
前面我们分析的都是一个只有三行的文本文件，但这些代码示例也可处理大得多的文件。如果我们有一个文本文件，其中包含精确到小数点后1000000位而不是30位的圆周率值，也可创建一个包含所有这些数字的字符串。为此，我们无需对前面的程序做任何修改，只需将这个文件传递给它即可。在这里，我们只打印到小数点后12位
filename='pi_digits.txt'
with open(filename)as file_object:
lines=file_object.readlines()
pi_string=''
for line in lines:
pi_string+=line.strip()
print (pi_string[:12]+"...")
print(len(pi_string))1.7 圆周率值中包含你的生日吗
我一直想知道自己的生日是否包含在圆周率值中。下面来扩展刚才编写的程序，以确定某个人的生日是否包含在圆周率值的前1000000位中。为此，可将生日表示为一个由数字组成的字符串，再检查这个字符串是否包含在pi_string中：
filename='pi_digits.txt'
with open(filename)as file_object:
lines=file_object.readlines()
pi_string=''
for line in lines:
pi_string+=line.strip()
birthday=input("Enter you birthday,in the form mmddyy:")
if birthday in pi_string:
print ("Your birthday appears in the first million digits of pi! ")
else:
print("Your birthday does not appear in the first million digits of pi.")2 写入文件
2.1 写入空文件
要将文本写入文件，你在调用open()时需要提供另一个实参，告诉Python你要写入打开的文件。我们来将一条简单的消息存储到文件中，而不是将其打印到屏幕上：
filename='pi_digits.txt'
with open(filename,'w')as file_object:
file_object.write("I love programming!")
在这个示例中，调用open()时提供了两个实参，第一个实参也是要打开的文件的名称；第二个实参（'w'）告诉Python，我们要以写入模式打开这个文件。打开文件时，可指定读取模式（'r'）、写入模式（'w'）、附加模式（'a'）或让你能够读取和写入文件的模式（'r+'）。如果你省略了模式实参，Python将以默认的只读模式打开文件。
如果你要写入的文件不存在，函数open()将自动创建它。然而，以写入（'w'）模式打开文件时千万要小心，因为如果指定的文件已经存在，Python将在返回文件对象前清空该文件。
注意 Python只能将字符串写入文本文件。要将数值数据存储到文本文件中，必须先使用函数str()将其转换为字符串格式。
2.2 写入多行
要让每个字符串都单独占一行，需要在write()语句中包含换行符：
filename='pi_digits.txt'
with open(filename,'w')as file_object:
file_object.write("I love programming!\n")
file_object.write("I love creating new games.\n")现在，输出出现在不同行中：
I love programming.
I love creating new games.
2.3 附加到文件
如果你要给文件添加内容，而不是覆盖原有的内容，可以附加模式打开文件。你以附加模式打开文件时，Python不会在返回文件对象前清空文件，而你写入到文件的行都将添加到文件末尾。如果指定的文件不存在，Python将为你创建一个空文件。
filename='pi_digits.txt'
with open(filename,'a')as file_object:
file_object.write("I also love finding meaning in large datasets.\n")
file_object.write("I love creating apps that can run in a browser.\n")此时文件内容：
I love programming.
I love creating new games.
I also love finding meaning in large datasets.
I love creating apps that can run in a browser.
3 异常
异常是使用try-except代码块处理的。try-except代码块让Python执行指定的操作，同时告诉Python发生异常时怎么办。使用了try-except代码块时，即便出现异常，程序也将继续运行：显示你编写的友好的错误消息，而不是令用户迷惑的traceback。
3.1使用try-except代码块
处理ZeroDivisionError异常的try-except代码块类似于下面这样：
try:
print(5/0)
except ZeroDivisionError:
print("You can't divide by zero! ")输出：
You can't divide by zero!
如果try-except代码块后面还有其他代码，程序将接着运行，因为已经告诉了Python如何处理这种错误。下面来看一个捕获错误后程序将继续运行的示例。
3.3 使用异常避免崩溃
发生错误时，如果程序还有工作没有完成，妥善地处理错误就尤其重要。这种情况经常会出现在要求用户提供输入的程序中；如果程序能够妥善地处理无效输入，就能再提示用户提供有效输入，而不至于崩溃。
下面来创建一个只执行除法运算的简单计算器：
#division.py
print("Give me two numbers, and I'll divide them.")
print("Enter 'q' to quit.")
while True:
first_number = input("\nFirst number: ")
if first_number == 'q':
break
second_number = input("Second number: ")
if second_number == 'q':
break
answer = int(first_number) / int(second_number)
print(answer)输出：
3.4 else代码块
依赖于try代码块成功执行的代码都应放到else代码块中：
#division.py
print("Give me two numbers, and I'll divide them.")
print("Enter 'q' to quit.")
while True:
first_number = input("\nFirst number: ")
if first_number == 'q':
break
second_number = input("Second number: ")
try:
answer = int(first_number) / int(second_number)
except ZeroDivisionError:
print("You can't divide by0! ")
else:
print(answer)
try-except-else代码块的工作原理大致如下：Python尝试执行try代码块中的代码；只有可能引发异常的代码才需要放在try语句中。有时候，有一些仅在try代码块成功执行时才需要运行的代码；这些代码应放在else代码块中。except代码块告诉Python，如果它尝试运行try代码块中的代码时引发了指定的异常，该怎么办。
通过预测可能发生错误的代码，可编写健壮的程序，它们即便面临无效数据或缺少资源，也能继续运行，从而能够抵御无意的用户错误和恶意的攻击。
3.5 处理FileNotFoundError异常
下面的程序尝试读取文件alice.txt的内容，但我没有将这个文件存储在alice.py所在的目录中：
#alice.py
filename = 'alice.txt'
try:
with open(filename) as f_obj:
contents = f_obj.read()
except FileNotFoundError:
msg = "Sorry, the file " + filename + " does not exist."
print(msg)输出：
Sorry, the file alice.txt does not exist.
3.6 分析文本
你可以分析包含整本书的文本文件。很多经典文学作品都是以简单文本文件的方式提供的，因为它们不受版权限制。本节使用的文本来自项目Gutenberg（http://gutenberg.org/），这个项目提供了一系列不受版权限制的文学作品，如果你要在编程项目中使用文学文本，这是一个很不错的资源。
下面来提取童话Alice in Wonderland的文本，并尝试计算它包含多少个单词。我们将使用方法split()，它根据一个字符串创建一个单词列表。下面是对只包含童话名"Alice in Wonderland"的字符串调用方法split()的结果：
>>> title = "Alice in Wonderland">>> title.split()['Alice', 'in', 'Wonderland']方法split()以空格为分隔符将字符串分拆成多个部分，并将这些部分都存储到一个列表中。结果是一个包含字符串中所有单词的列表，虽然有些单词可能包含标点。为计算Alice in Wonderland包含多少个单词，我们将对整篇小说调用split()，再计算得到的列表包含多少个元素，从而确定整篇童话大致包含多少个单词：
filename = 'alice.txt'
try:
with open(filename) as f_obj:
contents = f_obj.read()
except FileNotFoundError:
msg = "Sorry, the file " + filename + " does not exist."
print(msg)
else:
# 计算文件大致包含多少个单词
words = contents.split()
num_words = len(words)
print("The file " + filename + " has about " + str(num_words) + " words.")3.7 使用多个文件
下面多分析几本书。
#word_count.py
def count_words(filename):
"""计算一个文件大致包含多少个单词"""
try:
with open(filename) as f_obj:
contents = f_obj.read()
except FileNotFoundError:
msg = "Sorry, the file " + filename + " does not exist."
print(msg)
else:
# 计算文件大致包含多少个单词
words = contents.split()
num_words = len(words)
print("The file " + filename + " has about " + str(num_words) +" words.")
filename = 'alice.txt'
count_words(filename)
def count_words(filename):
--snip--
filenames = ['alice.txt', 'siddhartha.txt', 'moby_dick.txt', 'little_women.txt']
for filename in filenames:
count_words(filename)
文件siddhartha.txt不存在，但这丝毫不影响这个程序处理其他文件：
The file alice.txt has about 29461 words.
Sorry, the file siddhartha.txt does not exist.
The file moby_dick.txt has about 215136 words.
The file little_women.txt has about 189079 words.
在这个示例中，使用try-except代码块提供了两个重要的优点：避免让用户看到traceback；让程序能够继续分析能够找到的其他文件。如果不捕获因找不到siddhartha.txt而引发的FileNotFoundError异常，用户将看到完整的traceback，而程序将在尝试分析Siddhartha后停止运行——根本不分析Moby Dick和Little Women。
3.8 失败时一声不吭
Python有一个pass语句，可在代码块中使用它来让Python什么都不要做：
def count_words(filename):
"""计算一个文件大致包含多少个单词"""
try:
--snip--
except FileNotFoundError:
pass
else:
--snip--
filenames = ['alice.txt', 'siddhartha.txt', 'moby_dick.txt', 'little_women.txt']
for filename in filenames:
count_words(filename)
相比于前一个程序，这个程序唯一不同的地方是pass语句。现在，出现FileNotFoundError异常时，将执行except代码块中的代码，但什么都不会发生。这种错误发生时，不会出现traceback，也没有任何输出。用户将看到存在的每个文件包含多少个单词，但没有任何迹象表明有一个文件未找到：
The file alice.txt has about 29461 words.
The file moby_dick.txt has about 215136 words.
The file little_women.txt has about 189079 words.
pass语句还充当了占位符，它提醒你在程序的某个地方什么都没有做，并且以后也许要在这里做些什么。例如，在这个程序中，我们可能决定将找不到的文件的名称写入到文件missing_files.txt中。用户看不到这个文件，但我们可以读取这个文件，进而处理所有文件找不到的问题。
4 存储数据
一种简单的方式是使用模块json来存储数据。
模块json让你能够将简单的Python数据结构转储到文件中，并在程序再次运行时加载该文件中的数据。你还可以使用json在Python程序之间分享数据。更重要的是，JSON数据格式并非Python专用的，这让你能够将以JSON格式存储的数据与使用其他编程语言的人分享。
注意 JSON（JavaScript Object Notation）格式最初是为JavaScript开发的，但随后成了一种常见格式，被包括Python在内的众多语言采用。
4.1 使用json.dump()和json.load()
我们来编写一个存储一组数字的简短程序，再编写一个将这些数字读取到内存中的程序。第一个程序将使用json.dump()来存储这组数字，而第二个程序将使用json.load()。
函数json.dump()接受两个实参：要存储的数据以及可用于存储数据的文件对象。
下面再编写一个程序，使用json.load()将这个列表读取到内存中：
#number_reader.py
import json
filename = 'numbers.json'
with open(filename) as f_obj:
numbers = json.load(f_obj)
print(numbers)我们使用函数json.load()加载存储在numbers.json中的信息，并将其存储到变量numbers中。最后，我们打印恢复的数字列表：
[2, 3, 5, 7, 11, 13]
这是一种在程序之间共享数据的简单方式。
4.2 保存和读取用户生成的数据
对于用户生成的数据，使用json保存它们大有裨益，因为如果不以某种方式进行存储，等程序停止运行时用户的信息将丢失。下面来看一个这样的例子：用户首次运行程序时被提示输入自己的名字，这样再次运行程序时就记住他了。
我们先来存储用户的名字：
#remember_me.py
import json
username = input("What is your name? ")
filename = 'username.json'
with open(filename, 'w') as f_obj:
json.dump(username, f_obj)
print("We'll remember you when you come back, " + username + "! ")
现在再编写一个程序，向其名字被存储的用户发出问候：
#greet_user.py
import json
filename = 'username.json'
with open(filename) as f_obj:
username = json.load(f_obj)
print("Welcome back, " + username + "! ")
我们使用json.load()将存储在username.json中的信息读取到变量username中。恢复用户名后，我们就可以欢迎用户回来了：
我们需要将这两个程序合并到一个程序（remember_me.py）中。这个程序运行时，我们将尝试从文件username.json中获取用户名，因此我们首先编写一个尝试恢复用户名的try代码块。如果这个文件不存在，我们就在except代码块中提示用户输入用户名，并将其存储在username.json中，以便程序再次运行时能够获取它：
#remember_me.py
import json
# 如果以前存储了用户名，就加载它# 否则，就提示用户输入用户名并存储它
filename = 'username.json'
try:
with open(filename) as f_obj:
username = json.load(f_obj)
except FileNotFoundError:
username = input("What is your name? ")
with open(filename, 'w') as f_obj:
json.dump(username, f_obj)
print("We'll remember you when you come back, " + username + "! ")
else:
print("Welcome back, " + username + "! ")
无论执行的是except代码块还是else代码块，都将显示用户名和合适的问候语。如果这个程序是首次运行，输出将如下：
What is your name? Alena
We'll remember you when you come back, Alena!否则，输出将如下：
Welcome back, Alena!4.3 重构
你经常会遇到这样的情况：代码能够正确地运行，但可做进一步的改进——将代码划分为一系列完成具体工作的函数。这样的过程被称为重构。重构让代码更清晰、更易于理解、更容易扩展。
要重构remember_me.py，可将其大部分逻辑放到一个或多个函数中。remember_me.py的重点是问候用户，因此我们将其所有代码都放到一个名为greet_user()的函数中：
#remember_me.py
import json
def greet_user():
"""问候用户，并指出其名字"""
filename = 'username.json'
try:
with open(filename) as f_obj:
username = json.load(f_obj)
except FileNotFoundError:
username = input("What is your name? ")
with open(filename, 'w') as f_obj:
json.dump(username, f_obj)
print("We'll remember you when you come back, " + username + "! ")
else:
print("Welcome back, " + username + "! ")
greet_user()函数greet_user()所做的不仅仅是问候用户，还在存储了用户名时获取它，而在没有存储用户名时提示用户输入一个。
下面来重构greet_user()，让它不执行这么多任务。为此，我们首先将获取存储的用户名的代码移到另一个函数中：
#import json
def get_stored_username():
"""如果存储了用户名，就获取它"""
filename = 'username.json'
try:
with open(filename) as f_obj:
username = json.load(f_obj)
except FileNotFoundError:
return None
else:
return username
def greet_user():
"""问候用户，并指出其名字"""
username = get_stored_username()
if username:
print("Welcome back, " + username + "! ")
else:
username = input("What is your name? ")
filename = 'username.json'
with open(filename, 'w') as f_obj:
json.dump(username, f_obj)
print("We'll rememberyou when you come back, " + username + "! ")
greet_user()
我们还需将greet_user()中的另一个代码块提取出来：将没有存储用户名时提示用户输入的代码放在一个独立的函数中：
#import json
def get_stored_username():
"""如果存储了用户名，就获取它"""
--snip--
def get_new_username():
"""提示用户输入用户名"""
username = input("What is your name? ")
filename = 'username.json'
with open(filename, 'w') as f_obj:
json.dump(username, f_obj)
return username
def greet_user():
"""问候用户，并指出其名字"""
username = get_stored_username()
if username:
print("Welcome back, " + username + "! ")
else:
username = get_new_username()
print("We'll remember you when you come back, " + username + "! ")
greet_user()
在remember_me.py的这个最终版本中，每个函数都执行单一而清晰的任务。我们调用greet_user()，它打印一条合适的消息：要么欢迎老用户回来，要么问候新用户。为此，它首先调用get_stored_username()，这个函数只负责获取存储的用户名（如果存储了的话），再在必要时调用get_new_username()，这个函数只负责获取并存储新用户的用户名。