Python之IO编程——文件读写StringIO/BytesIO操作文件和目录序列化

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篇首语:本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理,主要介绍了Python之IO编程——文件读写StringIO/BytesIO操作文件和目录序列化相关的知识,希望对你有一定的参考价值。

IO编程

    IO在计算机中指Input/Output,也就是输入和输出。由于程序和运行时数据是在内存中驻留,由CPU这个超快的计算核心来执行,涉及到数据交换的地方,通常是磁盘、网络等,就需要IO接口。从磁盘读取文件到内存,就只有Input操作,反过来,把数据写到磁盘文件里,就只是一个Output操作。

    由于CPU和内存的速度远远高于外设的速度,所以,在IO编程中,就存在速度严重不匹配的问题。举个例子来说,比如要把100M的数据写入磁盘,CPU输出100M的数据只需要0.01秒,可是磁盘要接收这100M数据可能需要10秒,怎么办呢?有两种办法:

    第一种是CPU等着,也就是程序暂停执行后续代码,等100M的数据在10秒后写入磁盘,再接着往下执行,这种模式称为同步IO;

    另一种方法是CPU不等待,只是告诉磁盘,“您老慢慢写,不着急,我接着干别的事去了”,于是,后续代码可以立刻接着执行,这种模式称为异步IO。

    同步和异步的区别就在于是否等待IO执行的结果。异步IO来编写程序性能会远远高于同步IO,但是异步IO的缺点是编程模型复杂

一、文件读写

    读写文件是最常见的IO操作。Python内置了读写文件的函数,用法和C是兼容的。读写文件就是请求操作系统打开一个文件对象(通常称为文件描述符),然后,通过操作系统提供的接口从这个文件对象中读取数据(读文件),或者把数据写入这个文件对象(写文件)。

    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pi_digits.txt,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:
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    函数open() 接受一个参数:要打开的文件的名称。Python在当前执行的文件所在的目录中查找指定的文件,函数open() 返回一个表示文件的对象。在这里,open(‘pi_digits.txt‘) 返回一个表示文件pi_digits.txt 的对象;Python将这个对象存储在我们将在后面使用的变量中。

    关键字with 在不再需要访问文件后将其关闭。

    PS:在这个程序中,注意到我们调用了open() ,但没有调用close() ;调用open() 和close() 来打开和关闭文件,如果程序存在bug,导致close() 语句未执行,文件将不会关闭。未妥善地关闭文件可能会导致数据丢失或受损。如果在程序中过早地调用close() ,需要使用文件时它已关闭(无法访问),会导致更多的错误。通过使用前面所示的结构,可让Python去确定:你只管打开文件,并在需要时使用它,Python自会在合适的时候自动将其关闭。

    函数read() 读取这个文件的全部内容,并将其作为一个长长的字符串存储在变量contents中。这样,通过打印contents 的值,就可将这个文本文件的全部内容显示出来。相比于原始文件,该输出不同的地方是末尾多了一个空行。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。要删除多出来的空行,可在print 语句中使用rstrip() :

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    调用read()会一次性读取文件的全部内容,如果文件有10G,内存就爆了,所以,要保险起见,可以反复调用read(size)方法,每次最多读取size个字节的内容。另外,调用readline()可以每次读取一行内容,调用readlines()一次读取所有内容并按行返回list。因此,要根据需要决定怎么调用。

    如果文件很小,read()一次性读取最方便;如果不能确定文件大小,反复调用read(size)比较保险;如果是配置文件,调用readlines()最方便:

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    file-like Object:像open()函数返回的这种有个read()方法的对象,在Python中统称为file-like Object。除了file外,还可以是内存的字节流,网络流,自定义流等等。file-like Object不要求从特定类继承,只要写个read()方法就行。StringIO就是在内存中创建的file-like Object,常用作临时缓冲。

    二进制文件:前面讲的默认都是读取文本文件,并且是UTF-8编码的文本文件。要读取二进制文件,比如图片、视频等等,用‘rb‘模式打开文件即可:

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    字符编码:要读取非UTF-8编码的文本文件,需要给open()函数传入encoding参数,例如,读取GBK编码的文件:

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    遇到有些编码不规范的文件,你可能会遇到UnicodeDecodeError,因为在文本文件中可能夹杂了一些非法编码的字符。遇到这种情况,open()函数还接收一个errors参数,表示如果遇到编码错误后如何处理。最简单的方式是直接忽略:

    1.2文件路径

    程序文件存储在文件夹python_work中,而在文件夹python_work中,有一个名为text_files的文件夹,用于存储程序文件操作的文本文件。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:

    在Windows系统中,在文件路径中使用反斜杠( )而不是斜杠(/ ):

    在相对文件路径行不通时,可使用绝对文件路径,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:

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    在Windows系统中,它们类似于下面这样:

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    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。

        1.3逐行读取

    读取文件时,常常需要检查其中的每一行:你可能要在文件中查找特定的信息,或者要以某种方式修改文件中的文本。
    例如,你可能要遍历一个包含天气数据的文件,并使用天气描述中包含字样sunny的行。在新闻报道中,你可能会查找包含标签<headline> 的行,并按特定的格式设置它。要以每次一行的方式检查文件,可对文件对象使用for 循环:
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    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。

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    要消除这些多余的空白行,可在print 语句中使用rstrip() :

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        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。
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        1.5使用文件内容

        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:
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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

    对于你可处理的数据量,Python没有任何限制;只要系统的内存足够多,你想处理多少数据都可以。包含精确到小数点后1 000 000位,打印前52位,判断是否包含你的生日。
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    2.写入文件

    保存数据的最简单的方式之一是将其写入到文件中

        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。传入标识符‘w‘或者‘wb‘表示写文本文件或写二进制文件:

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    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+‘ )。如果省略了模式实参,Python将以默认的只读模式打开文件。

    如果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,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。
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二、StringIO和BytesIO

StringIO

    很多时候,数据读写不一定是文件,也可以在内存中读写。StringIO顾名思义就是在内存中读写str。要把str写入StringIO,我们需要先创建一个StringIO,然后,像文件一样写入即可:

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getvalue()方法用于获得写入后的str。

要读取StringIO,可以用一个str初始化StringIO,然后,像读文件一样读取:

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BytesIO

    StringIO操作的只能是str,如果要操作二进制数据,就需要使用BytesIO。BytesIO实现了在内存中读写bytes,我们创建一个BytesIO,然后写入一些bytes:  写入的不是str,而是经过UTF-8编码的bytes。

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和StringIO类似,可以用一个bytes初始化BytesIO,然后,像读文件一样读取:
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小结:StringIO和BytesIO是在内存中操作str和bytes的方法,使得和读写文件具有一致的接口。

三、操作文件和目录

    操作文件和目录的函数一部分放在os模块中,一部分放在os.path模块中,这一点要注意一下。查看、创建和删除目录可以这么调用:

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    把两个路径合成一个时,不要直接拼字符串,而要通过os.path.join()函数,这样可以正确处理不同操作系统的路径分隔符。在Linux/Unix/Mac下,os.path.join()返回这样的字符串:
    Windows下会返回这样的字符串:
    同样的道理,要拆分路径时,也不要直接去拆字符串,而要通过os.path.split()函数,这样可以把一个路径拆分为两部分,后一部分总是最后级别的目录或文件名:
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os.path.splitext()可以直接让你得到文件扩展名,很多时候非常方便:
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    这些合并、拆分路径的函数并不要求目录和文件要真实存在,它们只对字符串进行操作。文件操作使用下面的函数。假定当前目录下有一个test.txt文件:

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    复制文件的函数在os模块中不存在!原因是复制文件并非由操作系统提供的系统调用。但是shutil模块提供了copyfile()的函数,你还可以在shutil模块中找到很多实用函数,它们可以看做是os模块的补充。

    利用Python的特性来过滤文件,列出当前目录下的所有目录,只需要一行代码:
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    列出所有的.py文件,也只需一行代码:
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四、序列化
 

    变量从内存中变成可存储或传输的过程称之为序列化,在Python中叫pickling,序列化之后,就可以把序列化后的内容写入磁盘,或者通过网络传输到别的机器上。反过来,把变量内容从序列化的对象重新读到内存里称之为反序列化,即unpickling。Python提供了pickle模块来实现序列化。
把一个对象序列化并写入文件:

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    把对象从磁盘读到内存时,可以先把内容读到一个bytes,然后用pickle.loads()方法反序列化出对象
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  1、JSON

    如果要在不同的编程语言之间传递对象,就必须把对象序列化为标准格式,比如XML,但更好的方法是序列化为JSON,因为JSON表示出来就是一个字符串,可以被所有语言读取,也可以方便地存储到磁盘或者通过网络传输。JSON不仅是标准格式,并且比XML更快,而且可以直接在Web页面中读取,非常方便。

    Python内置的json模块提供了非常完善的Python对象到JSON格式的转换

    JSON表示的对象就是标准的JavaScript语言的对象,JSON和Python内置的数据类型对应如下:

JSON Python
{} dict
[] list
"string" str
1234.56 int或float
true/false True/False
null None

    1.1使用模块json 来存储数据    

    1.1.1使用json.dump() 和json.load()

    Python内置的json模块提供了非常完善的Python对象到JSON格式的转换。我们先看看如何把Python对象变成一个JSON,
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    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。下面演示了如何使用json.dump() 来存储数字列表:
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    这个程序没有输出,但我们可以打开文件numbers.json,看看其内容。数据的存储格式与Python中一样。
     对中文进行JSON序列化时,json.dumps()提供了一个ensure_ascii参数
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     要把JSON反序列化为Python对象,用loads()或者对应的load()方法,前者把JSON的字符串反序列化,后者从file-like Object中读取字符串并反序列化:
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   使用json.load() 将这个列表读取到内存中:
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    1.2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。
    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:
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    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:
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否则,输出将如下:

    

    1.3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1.2代码,可将其大部分逻辑放到一个或多个函数中。1.2代码的重点是问候用户,因此我们将其所有代码都放到一个名为greet_user() 的函数中:
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这个程序更清晰些,但函数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:
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    新增的函数get_stored_username() 目标明确,?处的文档字符串指出了这一点。如果存储了用户名,这个函数就获取并返回它;如果文件username.json不存在,这个函数就返回None (见?)。这是一种不错的做法:函数要么返回预期的值,要么返回None ;这让我们能够使用函数的返回值做简单测试。在?处,如果成功地获取了用户名,就打印一条欢迎用户回来的消息,否则就提示用户输入用户名。

    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:
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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。要编写出清晰而易于维护和扩展的代码,这种划分工作必不可少。







以上是关于Python之IO编程——文件读写StringIO/BytesIO操作文件和目录序列化的主要内容,如果未能解决你的问题,请参考以下文章

Python(11)IO编程

python模块之StringIO/cStringIO(内存文件)

Python3 IO编程之文件读写

python 在内存中读写:StringIO / BytesIO

第九章-IO编程

Python文件读写StringIO和BytesIO