在 Python 开发中，我们经常会使用到 with 语法块，例如在读写文件时，保证文件描述符的正确关闭，避免资源泄露问题。
你有没有思考过， with 背后是如何实现的？我们常常听到的上下文管理器究竟是什么？
这篇文章我们就来学习一下 Python 上下文管理器，以及 with 的运行原理。
with语法块
在讲解 with 语法之前，我们先来看一下不使用 with 的代码如何写？
我们在操作一个文件时，代码可以这么写：
# 打开文件
f = open('file.txt')
for line in f:
# 读取文件内容 执行其他操作
# do_something...
# 关闭文件
f.close()
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这个例子非常简单，就是打开一个文件，然后读取文件中的内容，最后关闭文件释放资源。
但是，代码这么写会有一个问题：在打开文件后，如果要对读取到的内容进行其他操作，在这操作期间发生了异常，这就会导致文件句柄无法被释放，进而导致资源的泄露。
如何解决这个问题？
也很简单，我们使用 try ... finally 来优化代码：
# 打开文件
f = open('file.txt')
try:
for line in f:
# 读取文件内容 执行其他操作
# do_something...
finally:
# 保证关闭文件
f.close()
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这么写的好处是，在读取文件内容和操作期间，无论是否发生异常，都可以保证最后能释放文件资源。
但这么优化，代码结构会变得很繁琐，每次都要给代码逻辑增加 try ... finally 才可以，可读性变得很差。
针对这种情况，我们就可以使用 with 语法块来解决这个问题：
with open('file.txt') as f:
for line in f:
# do_something...
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使用 with 语法块可以完成之前相同的功能，而且这么写的好处是，代码结构变得非常清晰，可读性也很好。
明白了 with 的作用，那么 with 究竟是如何运行的呢？
上下文管理器
首先，我们来看一下 with 的语法格式：
with context_expression [as target(s)]:
with-body
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with 语法非常简单，我们只需要 with 一个表达式，然后就可以执行自定义的业务逻辑。
但是，with 后面的表达式是可以任意写的吗？
答案是否定的。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」。
什么是「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
我们来看实现了这 2 个方法的例子：
class TestContext:
def __enter__(self):
print('__enter__')
return 1
def __exit__(self, exc_type, exc_value, exc_tb):
print('exc_type: %s' % exc_type)
print('exc_value: %s' % exc_value)
print('exc_tb: %s' % exc_tb)
with TestContext() as t:
print('t: %s' % t)
# Output:
# __enter__
# t: 1
# exc_type: None
# exc_value: None
# exc_tb: None
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在这个例子中，我们定义了 TestContext 类，它分别实现了 __enter__ 和 __exit__ 方法。
这样一来，我们就可以把 TestContext 当做一个「上下文管理器」来使用，也就是通过 with TestContext() as t 方式来执行。
从输出结果我们可以看到，具体的执行流程如下：
__enter__ 在进入 with 语句块之前被调用，这个方法的返回值赋给了 with 后的 t 变量
__exit__ 在执行完 with 语句块之后被调用
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：
exc_type：异常类型
exc_value：异常对象
exc_tb：异常堆栈信息
我们来看一个发生异常的例子，观察 __exit__ 方法拿到的异常信息是怎样的：
with TestContext() as t:
# 这里会发生异常
a = 1 / 0
print('t: %s' % t)
# Output:
# __enter__
# exc_type:
# exc_value: integer division or modulo by zero
# exc_tb:
# Traceback (most recent call last):
# File "base.py", line 16, in
# a = 1 / 0
# ZeroDivisionError: integer division or modulo by zero
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从输出结果我们可以看到，当 with 语法块内发生异常后，__exit__ 输出了这个异常的详细信息，其中包括异常类型、异常对象、异常堆栈。
如果我们需要对异常做特殊处理，就可以在这个方法中实现自定义逻辑。
回到最开始我们讲的，使用 with 读取文件的例子。之所以 with 能够自动关闭文件资源，就是因为内置的文件对象实现了「上下文管理器协议」，这个文件对象的 __enter__ 方法返回了文件句柄，并且在 __exit__ 中实现了文件资源的关闭，另外，当 with 语法块内有异常发生时，会抛出异常给调用者。
伪代码可以这么写：
class File:
def __enter__(self):
return file_obj
def __exit__(self, exc_type, exc_value, exc_tb):
# with 退出时释放文件资源
file_obj.close()
# 如果 with 内有异常发生 抛出异常
if exc_type is not None:
raise exception
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这里我们小结一下，通过对 with 的学习，我们了解到，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。
contextlib模块
对于需要上下文管理的场景，除了自己实现 __enter__ 和 __exit__ 之外，还有更简单的方式来做吗？
答案是肯定的。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。
下面我们通过例子来看一下它们是如何使用的。
contextmanager装饰器
我们先来看 contextmanager 装饰器的使用：
from contextlib import contextmanager
@contextmanager
def test():
print('before')
yield 'hello'
print('after')
with test() as t:
print(t)
# Output:
# before
# hello
# after
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在这个例子中，我们使用 contextmanager 装饰器和 yield配合，实现了和前面上下文管理器相同的功能，它的执行流程如下：
执行 test() 方法，先打印出 before
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
执行 with 语句块内的逻辑，打印出 t 的值 hello
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。
@contextmanager
def test():
print('before')
try:
yield 'hello'
# 这里发生异常 必须自己处理异常逻辑 否则不会向下执行
a = 1 / 0
finally:
print('after')
with test() as t:
print(t)
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closing方法
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():
# 定义了 close 方法才可以使用 closing 装饰器
def close(self):
print('closed')
# with 块执行结束后 自动执行 close 方法
with closing(Test()):
print('do something')
# Output:
# do something
# closed
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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。
contextlib的实现
学习完了 contextlib 模块的使用，最后我们来看一下 contextlib 模块是究竟是如何实现的？
contextlib 模块相关的源码如下：
class _GeneratorContextManagerBase:
def __init__(self, func, args, kwds):
# 接收一个生成器对象 (方法内包含 yield 的方法就是一个生成器)
self.gen = func(*args, **kwds)
self.func, self.args, self.kwds = func, args, kwds
doc = getattr(func, "__doc__", None)
if doc is None:
doc = type(self).__doc__
self.__doc__ = doc
class _GeneratorContextManager(_GeneratorContextManagerBase,
AbstractContextManager,
ContextDecorator):
def __enter__(self):
try:
# 执行生成器 代码会运行生成器方法的 yield 处
return next(self.gen)
except StopIteration:
raise RuntimeError("generator didn't yield") from None
def __exit__(self, type, value, traceback):
# with 内没有异常发生
if type is None:
try:
# 继续执行生成器
next(self.gen)
except StopIteration:
return False
else:
raise RuntimeError("generator didn't stop")
# with 内发生了异常
else:
if value is None:
value = type()
try:
# 抛出异常
self.gen.throw(type, value, traceback)
except StopIteration as exc:
return exc is not value
except RuntimeError as exc:
if exc is value:
return False
if type is StopIteration and exc.__cause__ is value:
return False
raise
except:
if sys.exc_info()[1] is value:
return False
raise
raise RuntimeError("generator didn't stop after throw()")
def contextmanager(func):
@wraps(func)
def helper(*args, **kwds):
return _GeneratorContextManager(func, args, kwds)
return helper
class closing(AbstractContextManager):
def __init__(self, thing):
self.thing = thing
def __enter__(self):
return self.thing
def __exit__(self, *exc_info):
self.thing.close()
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源码中我已经添加好了注释，你可以详细看一下。
contextlib 源码中逻辑其实比较简单，其中 contextmanager 装饰器实现逻辑如下：
初始化一个 _GeneratorContextManager 类，构造方法接受了一个生成器 gen
这个类实现了上下文管理器协议 __enter__ 和 __exit__
执行 with 时会进入到 __enter__ 方法，然后执行这个生成器，执行时会运行到 with 语法块内的 yield 处
__enter__ 返回 yield 的结果
如果 with 语法块没有发生异常，with 执行结束后，会进入到 __exit__ 方法，再次执行生成器，这时会运行 yield 之后的代码逻辑
如果 with 语法块发生了异常，__exit__ 会把这个异常通过生成器，传入到 with 语法块内，也就是把异常抛给调用者
再来看 closing 的实现，closing 方法就是在 __exit__ 方法中调用了自定义对象的 close，这样当 with 结束后就会执行我们定义的 close 方法。
使用场景
学习完了上下文管理器，那么它们具体会用在什么场景呢？
下面我举几个常用的例子来演示下，你可以参考一下结合自己的场景使用。
Redis分布式锁
from contextlib import contextmanager
@contextmanager
def lock(redis, lock_key, expire):
try:
locked = redis.set(lock_key, 'locked', expire)
yield locked
finally:
redis.delete(lock_key)
# 业务调用 with 代码块执行结束后 自动释放锁资源
with lock(redis, 'locked', 3) as locked:
if not locked:
return
# do something ...
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[点击并拖拽以移动]
在这个例子中，我们实现了 lock 方法，用于在 Redis 上申请一个分布式锁，然后使用 contextmanager 装饰器装饰了这个方法。
之后我们业务在调用 lock 方法时，就可以使用 with 语法块了。
with 语法块的第一步，首先判断是否申请到了分布式锁，如果申请失败，则业务逻辑直接返回。如果申请成功，则执行具体的业务逻辑，当业务逻辑执行完成后，with 退出时会自动释放分布式锁，就不需要我们每次都手动释放锁了。
Redis事物和管道
from contextlib import contextmanager
@contextmanager
def pipeline(redis):
pipe = redis.pipeline()
try:
yield pipe
pipe.execute()
except Exception as exc:
pipe.reset()
# 业务调用 with 代码块执行结束后 自动执行 execute 方法
with pipeline(redis) as pipe:
pipe.set('key1', 'a', 30)
pipe.zadd('key2', 'a', 1)
pipe.sadd('key3', 'a')
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[点击并拖拽以移动]
在这个例子中，我们定义了 pipeline 方法，并使用装饰器 contextmanager 让它变成了一个上下文管理器。
之后在调用 with pipeline(redis) as pipe 时，就可以开启一个事物和管道，然后在 with 语法块内向这个管道中添加命令，最后 with 退出时会自动执行 pipeline 的 execute 方法，把这些命令批量发送给 Redis 服务端。
如果在执行命令时发生了异常，则会自动调用 pipeline 的 reset 方法，放弃这个事物的执行。
总结
总结一下，这篇文章我们主要介绍了 Python 上下文管理器的使用及实现。
首先我们介绍了不使用 with 和使用 with 操作文件的代码差异，然后了解到使用 with 可以让我们的代码结构更加简洁。之后我们探究了 with 的实现原理，只要实现 __enter__ 和 __exit__ 方法的实例，就可以配合 with 语法块来使用。
之后我们介绍了 Python 标准库的 contextlib 模块，它提供了实现上下文管理更好的使用方式，我们可以使用 contextmanager 装饰器和 closing 方法来操作我们的资源。
最后我举了两个例子，来演示上下文管理器的具体使用场景，例如在 Redis 中使用分布式锁和事物管道，用上下文管理器帮我们管理资源，执行前置和后置逻辑。
所以，如果我们在开发中把操作资源的前置和后置逻辑，通过上下文管理器来实现，那么我们的代码结构和可维护性也会有所提高，推荐使用起来。
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