接前面的文章：

Python基础入门教学

2 Python的基础知识
- 2.15 文件和异常
- - 2.15.4 存储数据
  - - 2.15.4.1 使用json.dump()和json.load()
    - 2.15.4.2 保存和读取用户生成的数据
    - 2.15.4.3 重构
- 2.16 测试代码
- - 2.16.1 测试函数
  - - 2.16.1.1 单元测试和测试用例
    - 2.16.1.2 可通过的测试
    - 2.16.1.3 不能通过的测试
    - 2.16.1.4 测试未通过时怎么办
    - 2.16.1.5 添加新测试

2 Python的基础知识

2.15 文件和异常

2.15.4 存储数据

很多程序都要求用户输入某种信息，如让用户存储游戏首选项或提供要可视化的数据。不管专注的是什么，程序都把用户提供的信息存储在列表和字典等数据结构中。用户关闭程序时，我们几乎总是要保存他们提供的信息；一种简单的方式是使用模块json来存储数据。
模块json让我们能够将简单的Python数据结构转储到文件中，并在程序再次运行时加载该文件中的数据。我们还可以使用json在Python程序之间分享数据。更重要的是，JSON数据格式并非Python专用的，这让我们能够将以JSON格式存储的数据与使用其他编程语言的人分享。这是一种轻便格式，很有用，也易于学习。

注意：JSON（JavaScript Object Notation）格式最初是为JavaScript开发的，但随后成了一种常见格式，被包括Python在内的众多语言采用。

2.15.4.1 使用json.dump()和json.load()

我们来编写一个存储一组数字的简短程序，再编写一个将这些数字读取到内存中的程序。第一个程序将使用json.dump()来存储这组数字，而第二个程序将使用json.load()。
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：
number_writer.py

import json
numbers = [2, 3, 5, 7, 11, 13]
filename = 'number.json' ❶
with open(filename, 'w') as f_obj: ❶json.dump(numbers,f_obj)❸

我们先导入模块json，再创建一个数字列表。在❶处，我们指定了要将该数字列表存储到其中的文件的名称。通常使用文件扩展名.json来指出文件存储的数据为JSON格式。接下来，我们以写入模式打开这个文件，让json能够将数据写入其中（见❷）。在❸处，我们使用函数json.dump()将数字列表存储到文件numbers.json中。
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：

[2, 3, 5, 7, 11, 13]

下面再编写一个程序，使用json.load()将这个列表读取到内存中：
number_reader.py

import json
filename = 'number.json' ❶
with open(filename) as f_obj: ❷numbers = json.load(f_obj) ❸
print(numbers)

在❶处，我们确保读取的是前面写入的文件。这次我们以读取方式打开这个文件，因为Python只需读取这个文件（见❷）。在❸处，我们使用函数json.load()加载存储在numbers.json中的信息，并将其存储到变量numbers中。最后，我们打印恢复的数字列表，看看它是否与number_writer.py中创建的数字列表相同：

[2, 3, 5, 7, 11, 13]

这是一种在程序之间共享数据的简单方式。

2.15.4.2 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。下面来看一个这样的例子：用户首次运行程序时被提示输入自己的名字，这样再次运行程序时就记住他了。
我们先来存储用户的名字：
remember_me.py

import json
username = input("Whit is your name? ") ❶
filename = 'username.json'
with open(filename, 'w') as f_obj:json.dump(username, f_obj) ❷print("We'll remember you when you come back, "+username+"!") ❸

在❶处，我们提示输入用户名，并将其存储在一个变量中。接下来，我们调用json.dump()，并将用户名和一个文件对象传递给它，从而将用户名存储到文件中（见❷）。然后，我们打印一条消息，指出我们存储了他输入的信息（见❸）：

Whit is your name? shirley
We'll remember you when you come back, shirley!

现在再编写一个程序，向其名字被存储的用户发出问候：
greet_user.py

import json
filename = 'username.json'
with open(filename) as f_obj:username = json.load(f_obj) ❶print("Welcome back,"+username+"!") ❷

在❶处，我们使用json.load()将存储在username.json中的信息读取到变量username中。恢复用户名后，我们就可以欢迎用户回来了（见❷）：

Welcome back,shirley!

我们需要将这两个程序合并到一个程序（remember_me.py）中。这个程序运行时，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：
remember_me.py

import json
# 如果以前存储了用户名，就加载它
# 否则，就提示用户输入用户名并存储它
filename = 'username.json'
try:with open(filename) as f_obj: ❶username = json.load(f_obj) ❷
except FileNotFoundError: ❸username = input("Whit is your name? ") ❹with open(filename, 'w') as f_obj: ❺json.dump(username, f_obj)print("We'll remember you when you come back, "+username+"!")
else:print("Welcome back,"+username+"!")

这里没有任何新代码，只是将前两个示例的代码合并到了一个程序中。在❶处，我们尝试打开文件username.json。如果这个文件存在，就将其中的用户名读取到内存中（见❷），再执行else代码块，即打印一条欢迎用户回来的消息。用户首次运行这个程序时，文件username.json不存在，将引发FileNotFoundError异常（见❸），因此Python将执行except代码块：提示用户输入其用户名（见❹），再使用json.dump()存储该用户名，并打印一句问候语（见❺）。
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：

Whit is your name? shirley
We'll remember you when you come back, shirley!

否则，输出将如下：

Welcome back,shirley!

这是程序之前至少运行了一次时的输出。

2.15.4.3 重构

我们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remember_me.py，可将其大部分逻辑放到一个或多个函数中。remember_me.py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：
remember_me.py

import json
def greet_user():"""问候用户，并指出其名字""" ❶filename = 'username.json'try:with open(filename) as f_obj:username = json.load(f_obj)except FileNotFoundError:username = input("Whit is your name? ")with open(filename, 'w') as f_obj:json.dump(username, f_obj)print("We'll remember you when you come back, "+username+"!")else:print("Welcome back,"+username+"!")
greet_user()

考虑到现在使用了一个函数，我们删除了注释，转而使用一个文档字符串来指出程序是做什么的（见❶）。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：

import json
def get_stored_username():"""如果存储了用户名，就获取它""" ❶filename = 'username.json'try:with open(filename) as f_obj:username = json.load(f_obj)except FileNotFoundError:return None ❷else:return username
def greet_user():"""问候用户，并指出其名字"""username = get_stored_username()if username: ❸print("Welcome back," + username + "!")else:username = input("Whit is your name? ")filename = 'username.json'with open(filename, 'w') as f_obj:json.dump(username, f_obj)print("We'll remember you when you come back, "+username+"!")
greet_user()

新增的函数get_stored_username()目标明确，❶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❷）。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❸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：

import json
def get_stored_username():"""如果存储了用户名，就获取它"""filename = 'username.json'try:with open(filename) as f_obj:username = json.load(f_obj)except FileNotFoundError:return Noneelse:return username
def get_new_username():"""提示用户输入用户名"""username = input("What is your name? ")filename = 'username.json'with open(filename, 'w') as f_obj:json.dump(username, f_obj)return username
def greet_user():"""问候用户，并指出其名字"""username = get_stored_username()if username:print("Welcome back," + username + "!")else:username = get_new_username()print("We'll remember you when you come back, "+username+"!")
greet_user()

在remember_me.py的这个最终版本中，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。

2.16 测试代码

编写函数或类时，还可为其编写测试。通过测试，可确定代码面对各种输入都能够按要求的那样工作。测试让我们信心满满，深信即便有更多的人使用我们的程序，它也能正确地工作。在程序中添加新代码时，我们也可以对其进行测试，确认它们不会破坏程序既有的行为。程序员都会犯错，因此每个程序员都必须经常测试其代码，在用户发现问题前找出它们。

2.16.1 测试函数

要学习测试，得有要测试的代码。下面是一个简单的函数，它接受名和姓并返回整洁的姓名：name_function.py

def get_formatted_name(first, last):"""Generate a neatly formatted full name."""full_name =  first+' '+lastreturn full_name.title()

函数get_formatted_name()将名和姓合并成姓名，在名和姓之间加上一个空格，并将它们的首字母都大写，再返回结果。为核实get_formatted_name()像期望的那样工作，我们来编写一个使用这个函数的程序。程序names.py让用户输入名和姓，并显示整洁的全名：
names.py

from name_function import get_formatted_name
print("Enter 'q' at any time to quit.'")
while True:first = input("\nPlease give me a first name: ")if first == 'q':breaklast = input("Please give me a last name: ")if last == 'q':breakformatted_name = get_formatted_name(first, last)print("\tNeatly formatted name: "+formatted_name+'.')

这个程序从name_function.py中导入get_formatted_name()。用户可输入一系列的名和姓，并看到格式整洁的全名：

Enter 'q' at any time to quit.'Please give me a first name: janis
Please give me a last name: joplinNeatly formatted name: Janis Joplin.Please give me a first name: bob
Please give me a last name: dylanNeatly formatted name: Bob Dylan.Please give me a first name: q

从上述输出可知，合并得到的姓名正确无误。现在假设我们要修改get_formatted_name()，使其还能够处理中间名。这样做时，我们要确保不破坏这个函数处理只有名和姓的姓名的方式。为此，我们可以在每次修改get_formatted_name()后都进行测试：运行程序names.py，并输入像JanisJoplin这样的姓名，但这太烦琐了。所幸Python提供了一种自动测试函数输出的高效方式。倘若我们对get_formatted_name()进行自动测试，就能始终信心满满，确信给这个函数提供我们测试过的姓名时，它都能正确地工作。

2.16.1.1 单元测试和测试用例

Python标准库中的模块unittest提供了代码测试工具。
单元测试用于核实函数的某个方面没有问题；
测试用例是一组单元测试，这些单元测试一起核实函数在各种情形下的行为都符合要求。良好的测试用例考虑到了函数可能收到的各种输入，包含针对所有这些情形的测试。
全覆盖式测试用例包含一整套单元测试，涵盖了各种可能的函数使用方式。对于大型项目，要实现全覆盖可能很难。通常，最初只要针对代码的重要行为编写测试即可，等项目被广泛使用时再考虑全覆盖。

2.16.1.2 可通过的测试

创建测试用例的语法需要一段时间才能习惯，但测试用例创建后，再添加针对函数的单元测试就很简单了。要为函数编写测试用例，可先导入模块unittest以及要测试的函数，再创建一个继承unittest.TestCase的类，并编写一系列方法对函数行为的不同方面进行测试。
下面是一个只包含一个方法的测试用例，它检查函数get_formatted_name()在给定名和姓时能否正确地工作：
test_name_function.py

import unittest
from name_function import get_formatted_name
class NamesTestCase(unittest.TestCase): ❶"""测试name_function.py"""def test_first_last_name(self):"""能够正确地处理像Janis Joplin这样地姓名吗？"""formatted_name = get_formatted_name('janis', 'joplin') ❷self.assertEqual(formatted_name,'Janis Joplin') ❸
unittest.main()

首先，我们导入了模块unittest和要测试的函数get_formatted_name()。在❶处，我们创建了一个名为NamesTestCase的类，用于包含一系列针对get_formatted_name()的单元测试。我们可随便给这个类命名，但最好让它看起来与要测试的函数相关，并包含字样Test。这个类必须继承unittest.TestCase类，这样Python才知道如何运行我们编写的测试。
NamesTestCase只包含一个方法，用于测试get_formatted_name()的一个方面。我们将这个方法命名为test_first_last_name()，因为我们要核实的是只有名和姓的姓名能否被正确地格式化。我们运行testname_function.py时，所有以test打头的方法都将自动运行。在这个方法中，我们调用了要测试的函数，并存储了要测试的返回值。在这个示例中，我们使用实参’janis’和’joplin’调用get_formatted_name()，并将结果存储到变量formatted_name中（见❷）。
在❸处，我们使用了unittest类最有用的功能之一：一个断言方法。断言方法用来核实得到的结果是否与期望的结果一致。在这里，我们知道get_formatted_name()应返回这样的姓名，即名和姓的首字母为大写，且它们之间有一个空格，因此我们期望formatted_name的值为Janis Joplin。为检查是否确实如此，我们调用unittest的方法assertEqual()，并向它传递formatted_name和’Janis Joplin’。代码行self.assertEqual(formatted_name, ‘Janis Joplin’)的意思是说：“将formatted_name的值同字符串’Janis Joplin’进行比较，如果它们相等，就万事大吉，如果它们不相等，跟我说一声！”
代码行unittest.main()让Python运行这个文件中的测试。运行test_name_function.py时，得到的输出如下：

.
----------------------------------------------------------------------
Ran 1 tests in 0.000sOK

第1行的句点表明有一个测试通过了。接下来的一行指出Python运行了一个测试，消耗的时间不到0.001秒。最后的OK表明该测试用例中的所有单元测试都通过了。上述输出表明，给定包含名和姓的姓名时，函数get_formatted_name()总是能正确地处理。修改get_formatted_name()后，可再次运行这个测试用例。如果它通过了，我们就知道在给定Janis Joplin这样的姓名时，这个函数依然能够正确地处理。

2.16.1.3 不能通过的测试

测试未通过时结果是什么样的呢？我们来修改get_formatted_name()，使其能够处理中间名，但这样做时，故意让这个函数无法正确地处理像Janis Joplin这样只有名和姓的姓名。
下面是函数get_formatted_name()的新版本，它要求通过一个实参指定中间名：

def get_formatted_name(first, middle, last):"""生成整洁地姓名"""full_name = first+' '+middle+' '+lastreturn full_name.title()

这个版本应该能够正确地处理包含中间名的姓名，但对其进行测试时，我们发现它再也不能正确地处理只有名和姓的姓名。这次运行程序test_name_function.py时，输出如下：

E ❶
======================================================================
ERROR: test_first last_name(_main_.NamesTestCase)  ❷
Traceback (most recent call last):  ❸File"test_name_function.py",line 8,in test_first_last_nameformatted name = get_formatted_name('janis','joplin')
TypeError: get_formatted_name() missing 1 required positional argumen
t:'last"
----------------------------------------------------------------------
Ran 1 test in 0. 000s ❹
FAILED(errors=1) ❺

其中包含的信息很多，因为测试未通过时，需要让我们知道的事情可能有很多。第1行输出只有一个字母E（见❶），它指出测试用例中有一个单元测试导致了错误。接下来，我们看到NamesTestCase中的test_first_last_name()导致了错误（见❷）。测试用例包含众多单元测试时，知道哪个测试未通过至关重要。在❸处，我们看到了一个标准的traceback，它指出函数调用get_formatted_name(‘janis’,‘joplin’)有问题，因为它缺少一个必不可少的位置实参。
我们还看到运行了一个单元测试（见❹）。最后，还看到了一条消息，它指出整个测试用例都未通过，因为运行该测试用例时发生了一个错误（见❺）。这条消息位于输出末尾，让我们一眼就能看到——我们可不希望为获悉有多少测试未通过而翻阅长长的输出。

2.16.1.4 测试未通过时怎么办

测试未通过时怎么办呢？如果我们检查的条件没错，测试通过了意味着函数的行为是对的，而测试未通过意味着我们编写的新代码有错。因此，测试未通过时，不要修改测试，而应修复导致测试不能通过的代码：检查刚对函数所做的修改，找出导致函数行为不符合预期的修改。
在这个示例中，get_formatted_name()以前只需要两个实参——名和姓，但现在它要求提供名、中间名和姓。新增的中间名参数是必不可少的，这导致get_formatted_name()的行为不符合预期。就这里而言，最佳的选择是让中间名变为可选的。这样做后，使用类似于Janis Joplin的姓名进行测试时，测试就会通过了，同时这个函数还能接受中间名。下面来修改get_formatted_name()，将中间名设置为可选的，然后再次运行这个测试用例。如果通过了，我们接着确认这个函数能够妥善地处理中间名。
要将中间名设置为可选的，可在函数定义中将形参middle移到形参列表末尾，并将其默认值指定为一个空字符串。我们还要添加一个if测试，以便根据是否提供了中间名相应地创建姓名：

def get_formatted_name(first, last, middle=''):"""生成整洁地姓名"""if middle:full_name = first+' '+middle+' '+lastelse:full_name = first+' '+lastreturn full_name.title()

在get_formatted_name()的这个新版本中，中间名是可选的。如果向这个函数传递了中间名（if middle:），姓名将包含名、中间名和姓，否则姓名将只包含名和姓。现在，对于两种不同的姓名，这个函数都应该能够正确地处理。为确定这个函数依然能够正确地处理像Janis Joplin这样的姓名，我们再次运行test_name_function.py：

.
----------------------------------------------------------------------
Ran 1 tests in 0.000sOK

现在，测试用例通过了。太好了，这意味着这个函数又能正确地处理像JanisJoplin这样的姓名了，而且我们无需手工测试这个函数。这个函数很容易就修复了，因为未通过的测试让我们得知新代码破坏了函数原来的行为。

2.16.1.5 添加新测试

确定get_formatted_name()又能正确地处理简单的姓名后，我们再编写一个测试，用于测试包含中间名的姓名。为此，我们在NamesTestCase类中再添加一个方法：

import unittest
from name_function import get_formatted_name
class NamesTestCase(unittest.TestCase):"""测试name_function.py"""def test_first_last_name(self):"""能够正确地处理像Janis Joplin这样地姓名吗？"""formatted_name = get_formatted_name('janis', 'joplin')self.assertEqual(formatted_name,'Janis Joplin')def test_first_last_middle_name(self):"""能够正确地处理像Wolfgang Amadeus Mozart这样的姓名吗？"""formatted_name = get_formatted_name( ❶'wolfgang','mozart','amadeus')self.assertEqual(formatted_name,'Wolfgang Amadeus Mozart')
unittest.main()

我们将这个方法命名为test_first_last_middle_name()。方法名必须以test_打头，这样它才会在我们运行test_name_function.py时自动运行。这个方法名清楚地指出了它测试的是get_formatted_name()的哪个行为，这样，如果该测试未通过，我们就会马上知道受影响的是哪种类型的姓名。在TestCase类中使用很长的方法名是可以的；这些方法的名称必须是描述性的，这才能让我们明白测试未通过时的输出；这些方法由Python自动调用，我们根本不用编写调用它们的代码。
为测试函数get_formatted_name()，我们使用名、姓和中间名调用它（见❶），再使用assertEqual()检查返回的姓名是否与预期的姓名（名、中间名和姓）一致。我们再次运行test_name_function.py时，两个测试都通过了：

..
----------------------------------------------------------------------
Ran 2 tests in 0.000sOK

太好了！现在我们知道，这个函数又能正确地处理像Janis Joplin这样的姓名了，我们还深信它也能够正确地处理像Wolfgang Amadeus Mozart这样的姓名。

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