Python新增功能 詳解上下文管理器
這篇文章是關于什么的？
- 什么是Python中的上下文管理器
- 怎么使用上下文管理器
- 如何創建自己的上下文管理器
- 關于Python上下文庫(contextlib)
1. 上下文管理器是什么？
舉個例子，你在寫Python代碼的時候經常將一系列操作放在一個語句塊中：
當某條件為真 – 執行這個語句塊
當某條件為真 – 循環執行這個語句塊
有時候我們需要在當程序在語句塊中運行時保持某種狀態，并且在離開語句塊后結束這種狀態。
所以，事實上上下文管理器的任務是 – 代碼塊執行前準備，代碼塊執行后收拾。
上下文管理器是在Python2.5加入的功能，它能夠讓你的代碼可讀性更強并且錯誤更少。接下來，讓我們來看看該如何使用。
2. 如何使用上下文管理器？
看代碼是***的學習方式，來看看我們通常是如何打開一個文件并寫入”Hello World”？
- filename = 'my_file.txt'
- mode = 'w' # Mode that allows to write to the file
- writer = open(filename, mode)
- writer.write('Hello ')
- writer.write('World')
- writer.close()
1-2行，我們指明文件名以及打開方式(寫入)。
第3行，打開文件，4-5行寫入“Hello world”，第6行關閉文件。
這樣不就行了，為什么還需要上下文管理器？但是我們忽略了一個很小但是很重要的細節：如果我們沒有機會到達第6行關閉文件，那會怎樣？
舉個例子，磁盤已滿，因此我們在第4行嘗試寫入文件時就會拋出異常，而第6行則根本沒有機會執行。
當然，我們可以使用try-finally語句塊來進行包裝：
- writer = open(filename, mode)
- try:
- writer.write('Hello ')
- writer.write('World')
- finally:
- writer.close()
finally語句塊中的代碼無論try語句塊中發生了什么都會執行。因此可以保證文件一定會關閉。這么做有什么問題么？當然沒有，但當我們進行一些比寫入“Hello world”更復雜的事情時，try-finally語句就會變得丑陋無比。例如我們要打開兩個文件，一個讀一個寫，兩個文件之間進行拷貝操作，那么通過with語句能夠保證兩者能夠同時被關閉。
OK，讓我們把事情分解一下：
首先，創建一個名為“writer”的文件變量。
然后，對writer執行一些操作。
***，關閉writer。
這樣是不是優雅多了？
- with open(filename, mode) as writer:
- writer.write('Hello ')
- writer.write('World')
讓我們深入一點，“with”是一個新關鍵詞，并且總是伴隨著上下文管理器出現。“open(filename, mode)”曾經在之前的代碼中出現。“as”是另一個關鍵詞，它指代了從“open”函數返回的內容，并且把它賦值給了一個新的變量。“writer”是一個新的變量名。
2-3行，縮進開啟一個新的代碼塊。在這個代碼塊中，我們能夠對writer做任意操作。這樣我們就使用了“open”上下文管理器，它保證我們的代碼既優雅又安全。它出色的完成了try-finally的任務。
open函數既能夠當做一個簡單的函數使用，又能夠作為上下文管理器。這是因為open函數返回了一個文件類型(file type)變量，而這個文件類型實現了我們之前用到的write方法，但是想要作為上下文管理器還必須實現一些特殊的方法，我會在接下來的小節中介紹。
3. 自定義上下文管理器
讓我們來寫一個“open”上下文管理器。
要實現上下文管理器，必須實現兩個方法 – 一個負責進入語句塊的準備操作，另一個負責離開語句塊的善后操作。同時，我們需要兩個參數：文件名和打開方式。
Python類包含兩個特殊的方法，分別名為：__enter__以及__exit__(雙下劃線作為前綴及后綴)。
當一個對象被用作上下文管理器時：
__enter__ 方法將在進入代碼塊前被調用。
__exit__ 方法則在離開代碼塊之后被調用(即使在代碼塊中遇到了異常)。
下面是上下文管理器的一個例子，它分別進入和離開代碼塊時進行打印。
- class PypixContextManagerDemo:
- def __enter__(self):
- print 'Entering the block'
- def __exit__(self, *unused):
- print 'Exiting the block'
- with PypixContextManagerDemo():
- print 'In the block'
- #Output:
- #Entering the block
- #In the block
- #Exiting the block
注意一些東西：
- 沒有傳遞任何參數。
- 在此沒有使用“as”關鍵詞。
- 稍后我們將討論__exit__方法的參數設置。
我們如何給一個類傳遞參數？其實在任何類中，都可以使用__init__方法，在此我們將重寫它以接收兩個必要參數(filename, mode)。
當我們進入語句塊時，將會使用open函數，正如***個例子中那樣。而當我們離開語句塊時，將關閉一切在__enter__函數中打開的東西。
以下是我們的代碼：
- class PypixOpen:
- def __init__(self, filename, mode):
- self.filename = filename
- self.mode = mode
- def __enter__(self):
- self.openedFile = open(self.filename, self.mode)
- return self.openedFile
- def __exit__(self, *unused):
- self.openedFile.close()
- with PypixOpen(filename, mode) as writer:
- writer.write("Hello World from our new Context Manager!")
來看看有哪些變化：
3-5行，通過__init__接收了兩個參數。
7-9行，打開文件并返回。
12行，當離開語句塊時關閉文件。
14-15行，模仿open使用我們自己的上下文管理器。
#p#
除此之外，還有一些需要強調的事情：
如何處理異常
我們完全忽視了語句塊內部可能出現的問題。
如果語句塊內部發生了異常，__exit__方法將被調用，而異常將會被重新拋出(re-raised)。當處理文件寫入操作時，大部分時間你肯定不希望隱藏這些異常，所以這是可以的。而對于不希望重新拋出的異常，我們可以讓__exit__方法簡單的返回True來忽略語句塊中發生的所有異常(大部分情況下這都不是明智之舉)。
我們可以在異常發生時了解到更多詳細的信息，完備的__exit__函數簽名應該是這樣的：
- def __exit__(self, exc_type, exc_val, exc_tb)
這樣__exit__函數就能夠拿到關于異常的所有信息(異常類型，異常值以及異常追蹤信息)，這些信息將幫助異常處理操作。在這里我將不會詳細討論異常處理該如何寫，以下是一個示例，只負責拋出SyntaxErrors異常。
- class RaiseOnlyIfSyntaxError:
- def __enter__(self):
- pass
- def __exit__(self, exc_type, exc_val, exc_tb):
- return SyntaxError != exc_type
4. 談一些關于上下文庫(contextlib)的內容
contextlib是一個Python模塊，作用是提供更易用的上下文管理器。
contextlib.closing
假設我們有一個創建數據庫函數，它將返回一個數據庫對象，并且在使用完之后關閉相關資源(數據庫連接會話等)
我們可以像以往那樣處理或是通過上下文管理器：
- with contextlib.closing(CreateDatabase()) as database:
- database.query()
contextlib.closing方法將在語句塊結束后調用數據庫的關閉方法。
contextlib.nested
另一個很cool的特性能夠有效地幫助我們減少嵌套：
假設我們有兩個文件，一個讀一個寫，需要進行拷貝。
以下是不提倡的：
- with open('toReadFile', 'r') as reader:
- with open('toWriteFile', 'w') as writer:
- writer.writer(reader.read())
可以通過contextlib.nested進行簡化：
- with contextlib.nested(open('fileToRead.txt', 'r'),
- open('fileToWrite.txt', 'w')) as (reader, writer):
- writer.write(reader.read())
在Python2.7中這種寫法被一種新語法取代：
- with open('fileToRead.txt', 'r') as reader, \
- open('fileToWrite.txt', 'w') as writer:
- writer.write(reader.read())
contextlib.contextmanager
對于Python高級玩家來說，任何能夠被yield關鍵詞分割成兩部分的函數，都能夠通過裝飾器裝飾的上下文管理器來實現。任何在yield之前的內容都可以看做在代碼塊執行前的操作，而任何yield之后的操作都可以放在exit函數中。
這里我舉一個線程鎖的例子：
鎖機制保證兩段代碼在同時執行時不會互相干擾。例如我們有兩塊并行執行的代碼同時寫一個文件，那我們將得到一個混合兩份輸入的錯誤文件。但如果我們能有一個鎖，任何想要寫文件的代碼都必須首先獲得這個鎖，那么事情就好辦了。如果你想了解更多關于并發編程的內容，請參閱相關文獻。
下面是線程安全寫函數的例子：
- import threading
- lock = threading.Lock()
- def safeWriteToFile(openedFile, content):
- lock.acquire()
- openedFile.write(content)
- lock.release()
接下來，讓我們用上下文管理器來實現，回想之前關于yield和contextlib的分析：
- @contextlib.contextmanager
- def loudLock():
- print 'Locking'
- lock.acquire()
- yield
- print 'Releasing'
- lock.release()
- with loudLock():
- print 'Lock is locked: %s' % lock.locked()
- print 'Doing something that needs locking'
- #Output:
- #Locking
- #Lock is locked: True
- #Doing something that needs locking
- #Releasing
特別注意，這不是異常安全(exception safe)的寫法。如果你想保證異常安全，請對yield使用try語句。幸運的是threading。lock已經是一個上下文管理器了，所以我們只需要簡單地：
- @contextlib.contextmanager
- def loudLock():
- print 'Locking'
- with lock:
- yield
- print 'Releasing'
因為threading.lock在異常發生時會通過__exit__函數返回False，這將在yield被調用是被重新拋出。這種情況下鎖將被釋放，但對于“print ‘Releasing’”的調用則不會被執行，除非我們重寫try-finally。
如果你希望在上下文管理器中使用“as”關鍵字，那么就用yield返回你需要的值，它將通過as關鍵字賦值給新的變量。
