Python文件IO基础，看这篇文章就够了！
一切皆文件
Linux的设计哲学之一：一切皆文件。
因此，设备也是文件，对设备的操作可以转换成对文件的I/O操作。
冯诺依曼体系架构
- CPU由运算器和控制器组成，计算机的五大部件如下：
- 运算器：完成各种算数运算、逻辑运算、数据传输等数据加工处理
- 控制器：控制程序的执行
- 存储器：用于记忆程序和数据，如内存
- 输入设备：将数据或程序输入到计算机中，如键盘、鼠标
- 输出设备：将数据或程序的处理结果展示给用户，如显示器、打印机
一般地，IO操作直的是文件IO。如果指的是网络IO，会直接说成网络IO。
文件操作
文件的概念
在磁盘中存储为一个个字节，形成字节流bytes。其存储位置很可能是随机存放，需要通过磁头的转动来访问数据，此时为随机访问。
文件常用操作
| 名称 | 含义 |
|---|---|
| open | 打开文件 |
| read | 读取全部内容 |
| write | 写入内容 |
| close | 关闭文件 |
| readline | 单行读取 |
| readlines | 多行读取 |
| seek | 文件指针操作 |
| tell | 指针位置 |
open
open(file,mode='r',buffering=-1,encoding=None,errors=None,newline=None,closefd=True,opener=None)
打开一个文件，返回一个文件对象（流对象）和文件描述符。若打开文件失败，则返回异常。
基本使用：创建一个文件，然后打开它，用完关闭。
In [1]: f = open('test') #建立文件对象，文件必须事先存在
In [2]: type(f)
Out[2]: _io.TextIOWrapperIn [3]: f.read() # 读操作，读取全部内容
Out[3]: 'This is test file for PyIO\n'In [4]: f.close() # 关闭
注意：
- 文件内容的编码需要和Python默认字符编码兼容才能正常打印，否则会抛出字符编码非法异常
- 如果
f.open()文件后，其他编辑器对该文件修改，此时f.read()只能看到修改前的内容。重新打开才能看到新 内容。
文件操作中，最常用的操作就是读和写。
文件访问的模式有两种：文本模式和二进制模式。不同模式下，操作函数不尽相同，表现的结果也不一样。
open的参数
file
打开或者要创建的文件名。如果不指定路径，默认是当前路径。
mode
打开模式：
| 描述字符 | 含义 |
|---|---|
| r | 缺省，表示只读打开 |
| w | 只写打开 |
| x | 创建，并写入一个新文件 |
| a | 写入打开。如果文件存在，则追加 |
| b | 二进制模式 |
| t | 缺省，文本模式 |
| + | 读写打开一个文件。给原来只读、只写方式打开提供缺失的读或写能力 |
上例中，可知默认是文本模式打开，且是只读。
r
表示只读打开，如果使用write方法，会抛异常
如果文件不存在，则抛出
FileNotFoundError异常w
表示只写打开，如果使用read方法，会抛异常
如果文件不存在，则直接创建文件
如果文件存在，则清空文件内容
x
文件不存在，则创建文件，并以只写方式打开
文件存在，则抛出
FileExistsError异常a
文件存在，则只写打开，追加内容
文件不存在，则创建后，只写打开，追加内容
提示：
r是只读，wxa都是只写。
wxa都可产生新文件，w不管文件存在与否，都会生成全新内容的文件；a不管文件是否存在，都能在打开的文件尾部追加；x必须要求文件事先不存在，自己造一个新文件
文本模式t
字符流，将文件的字节按照某种字符编码理解，按照字符操作。open的默认mode为rt
二进制模式b
字节流，将文件就按照字节理解，与字符编码无关。二进制模式操作时，字节操作使用bytes类型。
提示：字符转字节，需要encode()编码；反之，则decode()解码
二进制模式的读取和写入
In [1]: f = open('test','rb') # 二进制模式读取
In [2]: f.read()
Out[2]: b'This is test file for PyIO\n' # 读取的类型字节类型bytesIn [3]: f1 = open('test2','a') # test2文本模式追加 In [4]: f1.write('啊') # 文本
Out[4]: 1In [5]: f.close()
In [6]: f1.close() In [7]: !cat test2
啊
In [8]: f = open('test2','rb') # test2二进制模式读取
In [9]: f.read()
Out[9]: b'\xe5\x95\x8a' # 字节类型，对应ASCII
In [1]: f = open('test3','wb') # 二进制模式写入
In [2]: f.write(b'啊') # 必须以ASCII码的方式写入 File "<ipython-input-2-5f74f1f1adca>", line 1f.write(b'啊')^
SyntaxError: bytes can only contain ASCII literal characters.In [3]: f.write('啊'.encode()) # 文本模式encode为二进制字节流类型
Out[3]: 3In [4]: f.close()
In [5]: !cat test3
啊
功能增强+
为r、w、a、x提供缺失的读写能力。但是，获取文件对象依旧按照r、w、a、x特征，+不能单独使用，可认为它是为前面的模式字符增强功能的。
读写访问r+
In [15]: f = open('test','r+') # 添加缺失的写能力，要求文件事先存在 In [16]: f.write('abcdefg') # 在开头写入
Out[16]: 7In [17]: f.read()
Out[17]: ' test file for PyIO\n' # 文件指针指向写入内容后，因此只能看到后面的内容In [18]: f.close() In [19]: !cat test
abcdefg test file for PyIO
可指定读取字符个数或字节个数：
In [35]: f = open('test','r+') In [36]: f.read(1)
Out[36]: '啊'In [38]: f = open('test2','rb') In [39]: f.read(1)
Out[39]: b'\xe5'
读写访问w+
In [20]: f = open('test','w+') In [21]: f.read()
Out[21]: ''In [22]: f.write('啊 Python')
Out[22]: 8In [23]: f.read()
Out[23]: ''In [24]: f.close() In [25]: !cat test
啊 Python
二进制的r+，w+
In [81]: f = open('test3','wb+')
In [82]: f.write('啊Python'.encode())
Out[82]: 9In [83]: f.close() In [84]: !cat test3
啊PythonIn [85]: f = open('test3','rb+') In [86]: f.read()
Out[86]: b'\xe5\x95\x8aPython'In [87]: f.write('啊python'.encode()) 追加内容
Out[87]: 9In [88]: f.close()
In [89]: !cat test3
啊Python啊python
注意：
如果读写能力都具备，使用r打开。如果打开后直接写，则从头开始写。如果打开后先读取，然后再写，则从尾部写。实际上是文件指针的原因。
追加 a+
直接从尾部开始追加内容，或者直接从尾部读取内容，因此是无法读取到任何内容的。
也可使用x+
文件指针
文件指针，指向当前字节位置
mode=r，指针起始在0
mode=a，指针起始在EOF
tell()显示指针当前位置
seek(offset[,whence])
移动文件指针位置。offset偏移多少字节，whence从哪里开始
whence 0缺省值，表示从头开始，offset只能正整数
whence 1 表示从当前位置，offset只接受0，比如f.seek(0,1) 表示指针在文件开头或当前位置
whence 2 表示从EOF开始，offset只接受0，比如f.seek(0,2)表示指针在文件结尾
In [2]: f = open('test','r') In [3]: f.tell()
Out[3]: 0In [4]: f.read(1)
Out[4]: '啊'In [5]: f.tell()
Out[5]: 3In [6]: f.read(1)
Out[6]: ' 'In [7]: f.tell()
Out[7]: 4
指针一边写，一边移动。因此若f.write(‘xyz’)后，f.read()无法读取到内容，因为指针已经移动到结尾。此时可以seek重新指定指针的位置。
In [8]: f.seek(0)
Out[8]: 0
In [10]: f.read()
Out[10]: '啊 Python'注意下面的特性：如果在数据中间覆盖，会自动追加到末尾。
In [12]: f = open('test','r+')
In [13]: f.read()
Out[13]: '啊 Python'
In [14]: f.seek(3)
Out[14]: 3
In [15]: f.read(3) # 指针移动到Py处
Out[15]: ' Py'
In [16]: f.write('THON') # 在Py处写入
Out[16]: 4
In [17]: f.seek(0)
Out[17]: 0
In [18]: f.read()
Out[18]: '啊 PythonTHON' # 追加到末尾
文本模式
文本模式支持从开头向后偏移的方式。
whence为1表示从当前位置开始偏移，但只支持偏移0，相当于原地不动。
whence为2表示从EOF开始，只支持偏移0，相当于移动文件指针到EOF。
seek是按照字节偏移的。
二进制模式
whence 0 缺省值，表示从头开始，offset只能是正整数
whence 1表示从当前位置，offset可正可负
whence 2表示从EOF开始，offset可正可负
二进制模式支持任意起点的偏移，从头、从尾、从中间位置开始均可。
向后seek可超界，但是向前seek时不可超界，否则抛出异常。
缓冲区
-1表示使用缺省大小的buffer。如果是二进制模式，使用io.DEFAULT_BUFFER_SIZE值，默认是4096或者8192。如果是文本模式，如果是终端设备，则是行缓存方式，否则，使用二进制模式策略。
- 0只在二进制模式使用，关闭关闭buffer
- 1只在文本模式使用，表示使用行缓冲。意思为遇到换行符就flush。
- 大于1用于指定buffer的大小。
buffer缓冲区
缓冲区是一个内存空间，一般而言是一个FIFO队列，到缓冲区满了或者达到阈值时，数据才会flush到磁盘中。
flush()将缓冲区数据写入磁盘
close()关闭前会调用flush()
io.DEFAULT_BUFFER_SIZE缺省缓冲区大小，单位是字节
In [1]: import io
In [2]: print(io.DEFAULT_BUFFER_SIZE)
8192
文本模式：默认开启buffer，默认为-1.
如果是1，则表示使用行缓冲
读写打开：w+
In [3]: f = open('test','w+') In [4]: !cat test In [5]: f.write('!'*10)
Out[5]: 10In [6]: f.read()
Out[6]: ''In [7]: !cat test
!!!!!!!!!!
即使没有flush，因为write执行完毕了，相当于程序执行完毕了，系统会自动触发缓冲清理，就会触发flush。
如果while True，只要程序没执行完毕，则必须写满缓冲区才会flush。
只写打开：w
In [3]: f = open('test','w') In [4]: f.write('!' * 1024)
Out[4]: 1024In [5]: !cat test
只写方式打开，不会马上刷写到磁盘，无论遇到换行符，直到缓冲区溢出为止。
二进制模式：默认为-1，启动buffer
如果是二进制模式，默认buffer模式为-1，启动buffer
In [14]: f = open('test','wb+') In [15]: !cat test In [16]: f.write(b'!'*1024)
Out[16]: 1024In [17]: !cat test
内容写到了buffer中。
如果关闭buffer，置为0，一旦写入则马上落到磁盘中。
In [19]: f = open('test','wb+',0)
In [20]: !cat test
In [21]: f.write(b'abc')
Out[21]: 3In [22]: !cat test
abc一般，都需要打开缓冲区。
指定buffer大小：仅限于二进制模式下
在文本模式下，指定的buffer size无效。
指定buffer大小，比如指定为4字节：
In [24]: f = open('test','wb+',4) In [25]: !cat test In [26]: f.write(b'abc')
Out[26]: 3In [27]: !cat test In [28]: f.write(b'de')
Out[28]: 2In [29]: !cat test
abc
缓冲区超过的部分，会把此部分置回到磁盘中。
注意：文本模式无法关闭缓冲区。
Buffering 总结
buffering=0
这是一种特殊的二进制模式，不需要内存的buffer，可看做是一个FIFO的文件。
In [85]: f = open('test4','wb+',0) In [86]: f.write(b"m")
Out[86]: 1In [87]: !cat test4
m
In [88]: f.write(b"a")
Out[88]: 1In [89]: !cat test4
ma
In [90]: f.write(b"g")
Out[90]: 1In [91]: !cat test4
mag
如果字节流关闭buffer，相当于先进先出的文件。此时一直在尾部追加数据，一般不使用f.seek()重新移动指针，否则FIFO失去意义。
如果buffer的模式为1，则用于文本模式下的行缓冲。缓冲区一旦满，则会刷写到磁盘中。不过，只要给定换行符，则会马上把内容刷写到磁盘中。
| buffering | 说明 |
|---|---|
| buffering=-1 | t和b，都是io.DEFAULT_BUFFER_SIZE |
| buffering=0 | b关闭缓冲区；t不支持 |
| buffering=1 | b是1个字节；t是行缓冲，遇到换行符才flush |
| buffering>1 | b模式表示行缓冲大小，缓冲区的值可超过io.DEFAULT_BUFFER_SIZE的值，直到溢出后把超过部分flush到磁盘中；t模式，是io.DEFAULT_BUFFER_SIZE。 |
总结：
- 文本模式下，一般都用默认缓冲区大小
- 二进制模式下，是一个个字节操作，因此可指定buffer的大小
- 一般来说，默认缓冲区大小是个比较好的选择，除非明确知道自己在做什么，否则不要调整
- 一般编程中，明确知道需要写磁盘，都会手动调用一次flush
encoding：编码，仅在文本模式使用
None表示使用缺省编码，依赖操作系统。windows下缺省编码为GBK(0xB0A1)，Linux下缺省UTF-8(0xE5 95 8A)
在文本模式下，要求统一编码，比如全部使用UTF-8：英文为一个字节，为ASCII；而中文则是三个字节，某些字可能使用四个字节。
在跨平台的场景中，使用UTF-8比较合适和通用。但是在存储中文时，由于它多用了字节，因此会增大存储压力。而且在多副本的情况下，存储效率会降低，并且增加网络传输的字节数，这是它的坏处。
Unit code
Unit Code：用字节，表示世界上所有的文字。而且是全球统一编码，它使用两个字节，全部表示了全世界的文字，而且它把ASCII也使用了两个字节来表示。但是这样比较浪费存储空间。因此，它不太能推行得下去。
到了网络时代，出现了UTF（通过Unit Code转换而来）。而UTF-8，则是8位传递的。
编码的相互转换：unitCode -> GBK。此时需要编码转换表。
open的其他参数
errors
什么样的编码错误将被捕获
None和strict表示有编码错误将抛出ValueError异常；ignore表示忽略。
newline
文本模式下，换行的转换。可以为None、‘空串’、’\r’、’\n’、’\r\n’
读取时，None表示’\r’、’\n’、’\r\n’都被转换为’\n’；空串’'表示不会自动转换通用换行符；其他合法字符表示换行符就是指定字符，按照指定字符分行。
写入时，None表示’\n’都会被替换为系统缺省行分隔符os.linesep；’\n’或空串’‘表示’\n’不替换；其他合法字符表示’\n’会被替换为指定字符
In [7]: import os In [8]: os.linesep
Out[8]: '\n'In [9]: f = open('test','w') In [10]: f.write('hello\npython!\r\n')
Out[10]: 15In [11]: f.close() In [12]: !cat test
hello
python!In [13]: f = open('test','r') In [14]: f.read()
Out[14]: 'hello\npython!\n'In [15]: f.close() In [16]: f = open('test','rb') In [17]: f.read()
Out[17]: b'hello\npython!\r\n'
closefd
关闭文件描述符，True表示关闭它。Flase会在文件关闭后，保持这个文件描述符。可用fileobj.fileno()查看。
文件描述符：文件打开后会占用一个文件对象，它和文件建立连接。文件对象保存了文件描述符。比如0,1,2分别代表标准输入，标准输出，错误输出的文件描述符。
如果文件关闭后，文件描述符会被回收。
读、写、关闭和其他方法
read 字符/字节读取
read(size=-1)
size表示读取的多少个字符或字节；负数或者None表示读取到EOF。
文本模式下为字符读取；二进制模式下为字节读取。
# 文本模式
In [12]: f = open('test','r+')
In [13]: f.read(3)
Out[13]: 'www'# 二进制模式：
In [15]: f = open('test','rb+')
In [16]: f.read(3)
Out[16]: b'www'
行读取的问题：f对象,read,readline(),readlines()
readline(size=-1)
一行行读取内容，size设置一次能读取行内几个字符或者字节。
readlines(hint=-1)
读取所有行的列表，指定hint则返回指定的函数。
In [18]: f = open('test','r+')
In [19]: f.readline() # 按行读取 Out[19]: 'www.python.org\n'In [20]: f.readline()
Out[20]: 'www.jaywin.com\n'In [21]: f.seek(0)
Out[21]: 0In [22]: f.readlines() # 读取所有行，返回列表 Out[22]: ['www.python.org\n', 'www.jaywin.com\n', '\n']In [23]: f.seek(0)
Out[23]: 0In [24]: f.readline(1) # 读取指定字符数 Out[24]: 'w'In [25]: f.readline(1)
Out[25]: 'w'
In [27]: for line in f.readlines(): ...: print(line.strip()) ...:
www.python.org
www.jaywin.com
有些初学者往往将以下的情况混淆
假设一个文件的内容如下：
This is first line
This is second line
and so on...
仔细领悟下面四种读取文件内容方式的异同：
f = open('test.txt','r+')
for line in f:print(line)
->
This is first lineThis is second lineand so on...
f = open('test.txt','r+')
for line in f.read():print(line)
->
T
h
i
s 全部内容
...
f = open('test.txt','r+')
for line in f.readline():print(line)
->
T
h
i
s 一行
...
f = open('test.txt','r+')
for line in f.readlines():print(line)
->
This is first lineThis is second lineand so on...可以看出，f对象和f.readlines()单行打印的内容是一致的。实际上，f对象是一个迭代器，支持next()，而f.readlines()则返回列表。
write
write(s)，把字符串s写入到文件中，并返回字符的个数
writelines(lines)，把字符串列表写入文件中。注意是字符串列表。
In [29]: f = open('test','w+') In [30]: lines = ['abc','123\n','jaywin.com'] In [31]: f.writelines(lines) In [32]: f.seek(0) Out[32]: 0In [33]: f.read() Out[33]: 'abc123\njaywin.com'close
flush并关闭文件对象，此时会把文件描述符归还给操作系统。
若文件已关闭，再次关闭则无任何效果。
其他
seekable() 是否可seek
readable() 是否可读
writeable() 是否可写
closed() 是否已关闭
上下文管理
问题的引出：
f = open('test','w+')
f.write(str(1/0))
print('~~~')
f.close()
考虑上述例子，抛出异常后程序退出，并没有释放文件描述符。如果存在大量的异常退出，将会占据操作系统的文件描述符资源。
在Linux中，可通过ulimt -n命令查看文件最大打开数。
如果文件描述符不及时释放，会导致文件描述符占用过多。如果程序在正常关闭前抛出异常，则程序自动终止，来不及释放文件描述符。
处理方式：
异常处理
当出现异常时，拦截异常。但是，很多代码都可能出现OSError异常，不好判断异常是否因为资源限制产生。
f = open('test') try:f.write("abc") finally:f.close()使用finally可保证打开的文件被关闭。
上下文管理
一种特殊的语法，交给解释器去释放文件对象。
- 使用with…as关键字
- 上下文管理的语句并不会开启新的作用域
- with语句执行完毕后，会自动关闭文件对象
f = open('test','w+') with f:f.write('efg')f.write(str(1/0)) # error即使执行失败，也会自动关闭文件描述符。
其中，with是一个语法糖。
所有文件对象都支持上下文管理，支持with。
另一种写法：
with open('test') as f: # 把文件对象重命名为ff.write('efg') # f对象写f.write(str(1/0)) # 保证文件对象退出时，关闭文件对象
对于类似于文件对象的IO对象，一般都需要在不使用时关闭、注销以释放资源。IO被打开时，会获得一个文件描述符。计算机资源有限，所有操作系统都会对其做限制，这是为了保护计算机资源不被完全耗尽。一般情况下，除非特别明确知道资源情况，否则不要提高资源的限制值来解决问题。
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