我们平时在做数据处理时，常常只需通过类似 pandas.read_csv 这样的高层命令就可以方便地把磁盘中的文件读取为 Python 的数据结构。但我们有必要掌握 Python 到底是怎样操作文件的。

在程序运行时，数据保存在内存的变量里。内存中的数据在程序结束或关机后就会消失。如果想要在下次开机运行程序时还使用同样的数据，就需要把数据存储在不易失的存储介质中，例如硬盘、光盘或 U 盘。而不易失存储介质上的数据保存在以路径命名的文件中。通过读写文件，程序就可以在运行时保存数据。

在 Python 中操作文件通常按照以下 3 个步骤进行：

使用 open() 函数打开或建立一个文件，返回一个文件句柄
使用文件句柄的读写方法对文件进行读写操作
使用 close() 函数关闭文件

打开/建立文件

如果想要打开某个文件进行读写操作，可以使用内置函数 open，参数可以为绝对路径或者相对路径：

path = 'A Game of Thrones.txt' # 这里使用相对路径
f = open(path)

默认情况下，文件以只读模式 r 打开。之后，我们可以把文件句柄 f 当作一个列表 (准确来说，它代表 Python Shell 与磁盘上文件之间的连接)。例如，我们可以这样遍历文件的行：

for line in f:pass

lines = [x.rstrip() for x in open(path, encoding='utf-8')]
lines
"""
Out: ['PROLOGUE','We should start back,” Gared urged as the woods began to grow dark around them.','','“The wildlings are dead.”','','“Do the dead frighten you?” Ser Waymar Royce asked with just the hint of a smile.','','Gared did not rise to the bait. He was an old man, past fifty, and he had seen the lordlings come andgo. “Dead is dead,” he said. “We have no business with the dead.”','','“Are they dead?” Royce asked softly. “What proof have we?”','',...]
"""

rstrip() 删除 string 字符串末尾的指定字符，默认为空白符，包括空格、换行符、回车符、制表符。

当我们完成对文件的操作之后，要记得关闭文件，释放资源：

f.close()

如果觉得自己记不住手动关闭文件，可使用 with 语句：

with open(path) as f:lines = [x.rstrip() for x in f]

当退出 with 语句后文件会被自动关闭。

除了默认的只读 r 模式，我们还可以用许多其它模式来打开一个文件：

Mode	Description
`r`	read-only mode
`w`	write-only mode; 如果文件不存在则创建一个新文件，否则覆盖原文件
`x`	write-only mode; 如果原文件已经存在，则会报错
`a`	追加模式，打开文件用于在末尾追加内容，如果文件不存在，则创建一个新文件
`+`	read and write，与其他模式结合使用
`b`	与其它模式结合使用，例如 `rb` 表示以二进制格式打开文件用于只读

不同模式可以相互组合。从上表中我们应该能推出组合模式的功能。例如，rb+ 表示以二进制格式打开一个文件用于读写；wb+ 也表示以二进制格式打开一个文件用于读写，但如果该文件不存在则创建一个新文件，否则覆盖原文件。

读取文件

对于可读文件，有几个最常用的方法，例如 read、readlines。

read 从文件中返回一定数量的字符，如果不指定数量，则将整个文件的内容读取为一个字符串。字符的构成是由文件的编码方式决定的：

path = 'A Game of Thrones.txt'
f = open(path, encoding='utf-8')
f.read(20)
"""
Out: 'PROLOGUE\nWe should s'
"""

path = 'A Game of Thrones.txt'
f2 = open(path, 'rb')
f2.read(20)
"""
Out: b'PROLOGUE\r\nWe should '
"""

read 方法根据读取的字节数，将当前指针的位置不断前移。tell 方法告诉我们当前指针的位置：

f.tell()
"""
Out: 21
"""

f2.tell()
"""
Out: 20
"""

UTF-8 是长度可变的 Unicode 编码，因此当我们从文件中读取指定数量的字符时（上例中 20），最少 20 字节可能就能对这些字符解码，但也有可能多达 40 字节。所以我们观察到指针的位置并不是 20。指针计算的是偏移的字节数。而当使用二进制格式时，字节数和字符数是完全匹配的。

readline 方法从文件中获取一个字符串，每个字符串就是文件中的一行。

readlines 方法返回一个字符串列表，其中的每一项是文件中每一行的字符串。

和 read 方法一样，readline 方法和readlines 方法也可以设置参数，指定一次读取的字符数。

我们还可以用 seek 方法来改变当前指针的位置：

f.seek(3)
f.read(1)
"""
Out: 'L'
"""

文件对象将缓冲区视为一个大的列表，其中的每一个元素都有自己的索引，文件对象按字节对缓冲区索引计数。许多方法隐式使用当前位置。例如在调用 readline() 方法后，文件当前位置移动到下一个回车处。

如果是在对非二进制格式的文件进行操作时，一定要注意 seek 的使用。如果指针位置恰好落在定义某个 Unicode 字符的字节流中间，那么接下来的读取会发生错误。

最后别忘记关闭文件！

f.close()
f2.close()

写入文件

往文件中写入内容，可使用 write 或者 writelines 方法。例如我们在一个新文件中写入之前文件内容的无空行版本：

with open('tmp.txt', 'w') as handle:handle.writelines(x for x in open(path, encoding='utf-8') if len(x) > 1)

with open('tmp.txt') as f:lines = f.readlines()

lines
"""
Out: ['PROLOGUE\n','We should start back,” Gared urged as the woods began to grow dark around them.\n','“The wildlings are dead.”\n','“Do the dead frighten you?” Ser Waymar Royce asked with just the hint of a smile.\n','Gared did not rise to the bait. He was an old man, past fifty, and he had seen the lordlings come andgo. “Dead is dead,” he said. “We have no business with the dead.”\n','“Are they dead?” Royce asked softly. “What proof have we?”\n',...]
"""

小结

下表总结了一些读写文件时常用的方法：

Method	Description
`read([size])`	以字符串形式从文件中读取数据，可选参数 `size` 指明要读取的字符数
`readlines([size])`	返回文件每行内容的列表，可选参数 `size` 指明要读取的字符数，返回的内容最少为一行
`write(str)`	向文件写入字符，如需换行需手动加入换行符
`writelines(strings)`	向文件写入一个序列字符串列表，如需换行需手动加入换行符
`flush()`	将内部I/O缓冲区刷新到磁盘
`seek(pos)`	将指针移动到指定位置，pos 为整数
`tell()`	返回目前文件指针的位置
`closed`	`True` 如果文件已经关闭

关于 flush()：

open 函数还有一个参数 buffering，用来控制缓冲。当该参数取 0 或 False 时， I/O 是无缓冲的，所有读写操作直接针对硬盘。当该参数取 1 或 True 时， I/O 有缓冲，此时 Python 使用内存代替硬盘，使程序的运行速度更快，只有在使用 flush() 或 close() 时才会将数据写入硬盘。当参数大于 1 时，表示缓冲区的大小，以字节为单位。

Python 没有二进制类型，但是可以用 string 类型来存储二进制类型数据，因为 string 是以字节为单位的。

References

[1] Python for Data Analysis, 2 n d ^{\rm nd} nd edition. Wes McKinney.

[2] 《Python 项目案例开发：从入门到实战》，郑秋生、夏敏捷主编。

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