Python 完美诠释"高内聚"概念的 IO 流 API 体系结构

Posted 2022-03-11 一枚大果壳

1. 前言

第一次接触 Python 语言的 IO API 时，是惊艳的。相比较其它语言所提供的 IO 流 API 。
无论是站在使用者的角度还是站在底层设计者的角度，都可以称得上无与伦比。
很多人在学习 JAVA 语言中的 IO 流 API 时，几乎是崩溃的。其 API 太多、API 之间的关系过于复杂。类的层次结构需要花费很多时间才能搞明白。API 设计者未免有炫技之嫌。
而 Python 的 IO 流操作，才真正应了哪句话：人生苦短，我学 python 。

以 open( ) 函数 为操作起点，便捷、快速地完成所有操作，绝对算得上轻量级设计的典范，且高度诠释了“高内聚”概念。使用起来颇有“四两拨千金”的轻松。
通过了解 open( ) 函数的参数设计，其开闭设计思想可谓使用到了极致。

2. open( ) 函数

2.1 函数原型

def open(file, mode=r, buffering=None, encoding=None, errors=None, newline=None, closefd=True):
    ……

2.2 函数功能

打开一个指定位置的文件并返回 IO 流对象。

2.3 函数参数

Tip: open( ) 函数的参数看起来虽然有点多，在使用时，很多参数都可以采用默认设置，它会提供最优的工作方案。

• file 参数： 指定文件位置。可以是一个字符串描述的文件路径，也可以是一个文件描述符（int 类型）。

Tip： 当使用字符串描述时，可以是绝对路径，也可以是相对路径。

绝对路径： 以绝对位置作为路径的起点。 不同的操作系统中会有差异性，windows 以逻辑盘符为绝对起点，Liunx 以 "/" 根目录为绝对起点。

file=open("d:/guoke.txt")

Tip： 上述代码运行时，需要保证在系统的 d 盘下有一个名字 "guoke.txt" 的文件。

相对路径： 所谓相对路径指以某一个已经存在的路径（或叫参照目录、当前目录）做起点。 默认情况下，相对路径以当前项目目录作为参照目录。可以使用 os 模块 中的 getcwd( ) 方法获取当前参照目录的信息。

import os
print(os.getcwd())
# 本代码的测试项目放在 d:\\myc 下;项目名称：filedmeo
# 输出结果
# D:\\myc\\filedmeo

如下代码需要保证在项目目录中存在 " guoke.txt "

file = open("guoke.txt")
# 执行时， python 解释器会自动拼接一个完整路径 D:\\myc\\filedmeo\\guoke.txt

参照目录 可以是不固定的，而是可变的。

改变相对路径的参考目录：

import os
# 把 d 盘作为当前目录
os.chdir("d:/")
print(os.getcwd())
file = open("guoke.txt")
# python 解释器会从 d 盘根目录下查找 guoke.txt 文件

描述符： 使用 open( ) 函数打开一个文件后，python 解释器系统会为此文件指定一个唯一的数字标识符。可以用此描述符作为 open( ) 参数。

file = open("guo_ke.txt")
# fileno() 获取文件的描述符
file1 = open(file.fileno())

Tip： 用户文件的描述符从 3 开始。0，1，2 是系统保留文件描述符。

- 0：表示标准输入（键盘）设备描述符。

> file = open(0)
 > print("请输入一个数字：")
 > res = file.readline()
 > print("回显:", res)
 > 
 > 输出结果
 > 请输入一个数字：
 > 88
 > 回显: 88
 > 
  >

- 1：表示标准输出设备（显示器）描述符。

> file = open(1, "w")
 > file.write("you are welcome!")
 > #类似于 print("you are welcome!") 的功能
  >

- 2：表示标准错误输出设备（显示器）描述符。

> file = open(2, "w")
 > file.write("you are welcome!")
 > #输出文字会以红色亮显
  >

• mode： 文件操作模式。默认为 "r" ，表示只读模式。

模式关键字

描述

异常

| r | 以只读方式打开文件 | 文件不存时，会抛出 FileNotFoundError 异常 |
| ‘r+’ | 以可读、可写方式打开文件 | 文件不存时，会抛出 FileNotFoundError 异常 |
| ‘w’ | 以可写方式打开文件 | 文件不存在时，创建一个字节 0 的空文件 |
| ‘w+’ | 以可写、可读方式打开文件（清空原内容） | 文件不存在时，创建一个字节 0 的空文件 |
| ‘a’ | 以追加方式打开文件 | 文件不存在时，创建一个字节 0 的空文件 |
| ‘a+’ | 以可追加、可读方式打开文件 | 文件不存在时，创建一个字节 0 的空文件 |
| ‘t’ | 以文本文件格式打开文件 | 默认 |
| ‘b’ | 以二进制格式打开文件 | |
| ‘x’ | 创建空文件并且可写 | 文件存在时，抛出 FileExistsError 异常 |

只要在模式组合中有 r 关键字，则文件必须提前存在：

file = open("guo_ke.txt")
file = open("guo_ke.txt", r)
file = open("guo_ke.txt", rt)
file = open("guo_ke.txt", r+t)

只要在模式组合中有 ‘w’ 关键字，则文件可以不必预先存在，如果存在，则原文件中内容会被清空。

# 可写
file = open("guo_ke.txt", w)
# 可写、可读
file = open("guo_ke.txt", w+)

只要在模式组合中有 ‘a’ 关键字，则文件可以不必预先存在，如果存在，原文件中内空不会被清空

# 追加写
file = open("guo_ke.txt", a)
# 追加写、且可读
file = open("guo_ke.txt", a+)

• buffering： 设置缓冲策略。可取值为 0、1、>1 。
• 0： 在二进制模式下关闭缓冲。
• 1：在文本模式下使用行缓冲。

行缓冲：以行数据为单位进行缓存。

• >1 的整数： 指定缓冲区的大小（以字节为单位）。

如果没有指定 buffering 参数，则会提供默认缓冲策略：

• 二进制文件使用固定大小的缓冲块。

在许多系统上，缓冲区的长度通常为 4096 或 8192 字节。

• "Interactive" 文本文件（ isatty() 返回 True 的文件）使用行缓冲。其他文本文件使用和二进制文件相同的缓冲策略。

isatty( ) 方法检测文件是否连接到一个终端设备。

• encoding： 指定解码或编码文件时使用的编码名称。

只能用于文本文件。默认使用平台编码。

• errors： 指定如何处理编码和解码时抛出的错误。可选项如下：
• strict： 如果存在编码错误，则引发 ValueError 异常。 默认值 None 具有相同的效果。
• ignore： 忽略错误。有可能会数据丢失。
• replace： 会将替换标记（例如 ? ）插入有错误数据的地方。
• newline： 在读或写文本内容时如何处理换行符号。可取值 None， ，\\n，\\r 和 \\r\\n。

OS 不同，换行符的描述也有差异。Unix 的行结束 \\n、Windows 中为 \\r\\n

• 从流中读数据时，如果 newline 为 None，则启用平台约定换行模式。
• 写入流时，如果 newline 为 None，则写入的任何 \\n 字符都将转换为系统默认行分隔符 。如果 newline 是 或 \\n，则直接写入。如果 newline 是任何其他合法值，则写入的任何 \\n 字符将被转换为给定的字符串。
• closefd：

file = open("guo_ke.txt",closefd=False)

输出结果
Traceback (most recent call last):
  File "D:/myc/filedmeo/文件嵌套.py", line 1, in <module>
    file = open("guo_ke.txt",closefd=False)
ValueError: Cannot use closefd=False with file name

如果通过一个字符串路径描述打开文件， closefd 必须为 True （默认值），否则将引发错误。

file = open("guo_ke.txt", )
# 通过 file 文件的描述符打开文件
file1 = open(file.fileno(), closefd=False)
file1.close()
print("先打开文件：", file.closed)
print("后打开文件：", file1.closed)

输出结果
先打开文件： False
后打开文件： True

当 open file1 文件时设置为 closefd=False ，则当 file1 文件关闭后，file 文件将保持打开状态。

• opener：可理解为 open( ) 函数是一个高级封装对象，本质是通过 opener 参数接入了一个真正的具有底层文件操作能力的接口。

import os

def opener(path, flags):
    return os.open(path, flags)
# 调用 opener(guo_ke.txt,r) 时的参数来自于 open() 的第一个和第二个
with open(guo_ke.txt, r, opener=opener) as f:
    print(f.read())

默认 opener 参数引用的就是 os.open( ) 方法。

3. 读写操作

调用 open( ) 函数后会返回一个 IO 流对象。IO 流对象中提供了常规的与读写相关的属性和方法。

class IO(Generic[AnyStr]):
    #返回文件的读写模式
    @abstractproperty
    def mode(self) -> str:
        pass
    #返回文件的名称
    @abstractproperty
    def name(self) -> str:
        pass
    #关闭文件
    @abstractmethod
    def close(self) -> None:
        pass
    #判断文件是否关闭
    @abstractproperty
    def closed( 
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