Python中具备精确分配和释放资源功能的上下文管理器

上下文管理器(Context managers)允许你在有需要的时候,精确地分配和释放资源

with 语法

使用上下文管理器最广泛的案例就是with 语句了。 想象下你有两个需要结对执行的相关操作,然后还要在它们中间放置一段代码。 上下文管理器就是专门让你做这种事情的。 with的语法格式:

with context_expression [as target(s)]:
    with-body

举个使用了with的例子:

with open('some_file', 'w') as opened_file:
    opened_file.write('Hola!')

上面这段代码打开了一个文件,往里面写入了一些数据,然后关闭该文件。如果在往文件写数据时发生异常,它也会尝试去关闭文件。上面那段代码与这一段是等价的:

file = open('some_file', 'w')
try:
    file.write('Hola!')
finally:
    file.close()

当与第一个例子对比时,我们可以看到,通过使用with,许多样板代码被消掉了。 这就是with语句的主要优势,它确保我们的文件会被关闭,而不用关注嵌套代码如何退出。

上下文管理器的常见用例,是资源的加锁和解锁,以及关闭已打开的文件

基于类的实现

with的语法非常简单,只需要 with一个表达式,就可以执行自定义的业务逻辑。但是with后面的表达式并不是可以任意写的。要想使用 with语法块,with后面的的对象需要实现上下文管理器协议。

一个类在 Python 中,只要实现以下方法,就实现了上下文管理器协议:

  • __enter__:在进入with语法块之前调用,返回值会赋值给 with的 target;

  • __exit__:在退出with语法块时调用,一般用作异常处理。

也就是说,一个上下文管理器的类,最起码要定义 __enter__ 和 __exit__ 方法。 接下来,我们来看一个构造自己的上下文管理器的例子:

class File(object):
    def __init__(self, file_name, method):
        self.file_obj = open(file_name, method)
        
    def __enter__(self):
        return self.file_obj
    
    def __exit__(self, type, value, traceback):
        self.file_obj.close()

通过定义__enter__ __exit__ 方法,我们就可以在with语句里使用它。

with File('demo.txt', 'w') as opened_file:
    opened_file.write('Hola!')

首先,要知道的是__exit__函数接受三个参数。这些参数对于每个上下文管理器类中的 __exit__方法都是必须的。我们来谈谈在底层都发生了什么。

  1. with语句先暂存了File类的__exit__方法。

  1. 然后它调用 File 类的__enter__方法。

  1. __enter__方法打开文件并返回给 with语句。

  1. 打开的文件句柄被传递给 opened_file 参数。

  1. 我们使用.write()来写文件。

  1. with语句调用之前暂存的 __exit__ 方法。

  1. __exit__方法关闭了文件。

处理异常

接着,我们来谈谈__exit__方法的这三个参数:type,value和 traceback。 在第4步和第6步之间,如果发生异常,Python 会将异常的type,value和 traceback传递给 __exit__方法。 它让 __exit__方法来决定如何关闭文件以及是否需要其他步骤。

也就是说如果在 with语句块内发生了异常,那么 __exit__方法可以拿到关于异常的详细信息:

  • type:异常类型

  • value:异常对象

  • tb:异常堆栈信息

当异常发生时,with语句会采取如下步骤。

它把异常的type,value和 traceback传递给 __exit__方法。

它让 __exit__方法来处理异常。

如果 __exit__返回的是 True,那么这个异常就被优雅地处理了。

如果 __exit__返回的是 True以外的任何东西,那么这个异常将被 with语句抛出。

基于生成器的实现

对于需要上下文管理的场景,除了自己实现 __enter__ 和 __exit__ 之外,还可以更简单。我们可以使用 Python 标准库提供的contextlib模块,来简化我们的代码。

使用contextlib模块,我们可以把上下文管理器当成一个装饰器来使用。其中,contextlib模块提供了 contextmanager装饰器和closing方法。

来看一个简单的例子:

from contextlib import contextmanager

@contextmanager
def test():
    print('before')
    yield 'hello'
    print('after')

with test() as t:
    print(t)

在这个例子中,使用 contextmanager装饰器和yield配合,实现了和前文上下文管理器相同的功能,它的执行流程如下:

  1. 执行 test() 方法,先打印出 before

  1. 执行 yield 'hello'test方法返回,hello返回值会赋值给 with语句块的 t变量

  1. 执行 with语句块内的逻辑,打印出 t 的值 hello

  1. 又回到 test方法中,执行 yield后面的逻辑,打印出 after

这样一来,当我们使用这个 contextmanager装饰器后,就不用再写一个类来实现上下文管理协议,只需要用一个方法装饰对应的方法,就可以实现相同的功能。

不过有一点需要我们注意:在使用 contextmanager装饰器时,如果被装饰的方法内发生了异常,那么我们需要在自己的方法中进行异常处理,否则将不会执行 yield之后的逻辑。

我们再来看 contextlib提供的 closing方法如何使用。closing主要用在已经实现 close方法的资源对象上:

from contextlib import closing

class Test():
    def close(self):  # 定义了 close 方法才可以使用 closing 装饰器
        print('closed')

        
# with 执行结束后 自动执行 close 方法
with closing(Test()):
    print('do something')

从执行结果我们可以看到,with语句块执行结束后,会自动调用 Test 实例的 close方法。所以,对于需要自定义关闭资源的场景,我们可以使用这个方法配合 with来完成。

总结

with非常适合用需要对于上下文处理的场景,例如操作文件Socket,这些场景都需要在执行完业务逻辑后,释放资源。

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