從這篇文章開始，徹底了解 Python 文件系統和磁盤管理
本篇博客將介紹文件加密和解密的高級應用、文件系統和磁盤管理以及Python文件處理工具包的設計，共分為三個部分。
一、文件加密和解密的高級應用
1、復雜加密算法的使用
復雜加密算法是指那些相對于簡單加密算法而言更為安全和可靠的加密算法。其中比較常見的加密算法包括對稱加密算法和非對稱加密算法。
對稱加密算法
對稱加密算法是一種將明文轉換為密文的加密方法，其特點是加密和解密使用同一個密鑰。由于加密和解密都使用同一個密鑰，因此對稱加密算法的加密和解密速度非常快，但密鑰的傳輸需要保證其安全性。常見的對稱加密算法有 DES、3DES、AES 等。
在 Python 中，我們可以使用 cryptography 庫來實現對稱加密算法。下面是一個使用 AES 加密算法對文件進行加密的示例代碼：
from cryptography.fernet import Fernet
import os
# 生成密鑰
key = Fernet.generate_key()
with open('key.key', 'wb') as f:
f.write(key)
# 讀取密鑰
with open('key.key', 'rb') as f:
key = f.read()
cipher = Fernet(key)
# 加密文件
with open('plaintext.txt', 'rb') as f:
plaintext = f.read()
encrypted = cipher.encrypt(plaintext)
with open('encrypted.bin', 'wb') as f:
f.write(encrypted)在上述代碼中，我們首先使用 Fernet.generate_key() 函數生成一個隨機的密鑰，并將其保存到文件 key.key 中。然后，我們通過 Fernet() 函數讀取密鑰，并創建了一個 Fernet 類型的對象 cipher。接下來，我們使用 cipher.encrypt() 函數對文件 plaintext.txt 進行加密，并將加密后的數據保存到文件 encrypted.bin 中。
非對稱加密算法
非對稱加密算法也是一種將明文轉換為密文的加密方法，但其加密和解密使用不同的密鑰。其中，公鑰用于加密數據，而私鑰用于解密數據。與對稱加密算法相比，非對稱加密算法更安全，但其計算復雜度更高，加解密速度更慢。常見的非對稱加密算法有 RSA、DSA、ECC 等。
在 Python 中，我們可以使用 cryptography 庫來實現非對稱加密算法。下面是一個使用 RSA 加密算法對文件進行加密的示例代碼：
from cryptography.hazmat.primitives.asymmetric import rsa, padding
from cryptography.hazmat.primitives import serialization
# 生成 RSA 密鑰對
private_key = rsa.generate_private_key(
public_exponent=65537,
key_size=2048
)
public_key = private_key.public_key()
# 將密鑰保存到文件中
with open('private_key.pem', 'wb') as f:
f.write(private_key.private_bytes(
encoding=serialization.Encoding.PEM,
format=serialization.PrivateFormat.PKCS8,
encryption_algorithm=serialization.NoEncryption()
))
with open('public_key.pem', 'wb') as f:
f.write(public_key.public_bytes(
encoding=serialization.Encoding.PEM,
format=serialization.PublicFormat.SubjectPublicKeyInfo
))
# 讀取公鑰并加密數據
with open('public_key.pem', 'rb') as f:
public_key = serialization.load_pem_public_key(
f.read(),
backend=default_backend()
)
with open('plaintext.txt', 'rb') as f:
plaintext = f.read()
encrypted = public_key.encrypt(
plaintext,
padding.OAEP(
mgf=padding.MGF1(algorithm=hashes.SHA256()),
algorithm=hashes.SHA256(),
label=None
)
)
with open('encrypted.bin', 'wb') as f:
f.write(encrypted)在上述代碼中，我們首先使用 rsa.generate_private_key() 函數生成一個 RSA 密鑰對，并將其保存到文件 private_key.pem 和 public_key.pem 中。然后，我們使用
serialization.load_pem_public_key() 函數讀取公鑰，并創建了一個 RSA 類型的對象 public_key。接下來，我們使用 public_key.encrypt() 函數對文件 plaintext.txt 進行加密，并將加密后的數據保存到文件 encrypted.bin 中。
2、對稱加密和非對稱加密的區別和使用場景
對稱加密算法和非對稱加密算法各有優缺點，在實際應用中需要選擇合適的加密算法。對稱加密算法的優點是加解密速度快，但其缺點是密鑰傳輸不安全，容易被破解。因此，對稱加密算法通常用于加密小文件或者在網絡傳輸時結合非對稱加密算法使用。
非對稱加密算法的優點是密鑰傳輸安全，難以被破解，但其缺點是加解密速度慢。因此，非對稱加密算法通常用于加密大文件或進行身份驗證等場景。
3、如何保護文件的安全性和完整性
文件的安全性和完整性是指保證文件不被未經授權的人訪問、篡改或刪除。為了保證文件的安全性和完整性，我們可以采取以下措施：
- 使用復雜加密算法對文件進行加密，防止未經授權的人訪問。
- 使用數字簽名技術對文件進行簽名，確保文件沒有被篡改。
- 使用哈希值技術對文件進行校驗，確保文件沒有被篡改或刪除。
下面是一個使用數字簽名和哈希值技術來保護文件安全性和完整性的示例代碼：
from cryptography.hazmat.primitives import hashes
from cryptography.hazmat.primitives.asymmetric import rsa, padding, utils
from cryptography.hazmat.primitives.serialization import Encoding, PrivateFormat, NoEncryption
# 生成 RSA 密鑰對
private_key = rsa.generate_private_key(
public_exponent=65537,
key_size=2048
)
public_key = private_key.public_key()
# 將密鑰保存到文件中
with open('private_key.pem', 'wb') as f:
f.write(private_key.private_bytes(
encoding=Encoding.PEM,
format=PrivateFormat.PKCS8,
encryption_algorithm=NoEncryption()
))
with open('public_key.pem', 'wb') as f:
f.write(public_key.public_bytes(
encoding=Encoding.PEM,
format=serialization.PublicFormat.SubjectPublicKeyInfo
))
# 數字簽名
with open('plaintext.txt', 'rb') as f:
plaintext = f.read()
signature = private_key.sign(
plaintext,
padding.PSS(
mgf=padding.MGF1(hashes.SHA256()),
salt_length=padding.PSS.MAX_LENGTH
),
hashes.SHA256()
)
with open('signature.bin', 'wb') as f:
f.write(signature)
with open('signature.bin', 'rb') as f:
signature = f.read()
# 驗證數字簽名
with open('plaintext.txt', 'rb') as f:
plaintext = f.read()
try:
public_key.verify(
signature,
plaintext,
padding.PSS(
mgf=padding.MGF1(hashes.SHA256()),
salt_length=padding.PSS.MAX_LENGTH
),
hashes.SHA256()
)
print("Signature is valid")
except:
print("Signature is invalid")
# 哈希值
file_hash = hashes.Hash(hashes.SHA256())
with open('plaintext.txt', 'rb') as f:
while True:
data = f.read(1024)
if not data:
break
file_hash.update(data)
hash_value = file_hash.finalize()
print("File hash value is:", hash_value.hex())在上述代碼中，我們首先使用 rsa.generate_private_key() 函數生成一個 RSA 密鑰對，并將其保存到文件 private_key.pem 和 public_key.pem 中。然后，我們使用
serialization.load_pem_public_key() 函數讀取公鑰，并創建了一個 RSA 類型的對象 public_key。
接著，我們使用 private_key.sign() 函數對文件 plaintext.txt 進行數字簽名，并將數字簽名保存到文件 signature.bin 中。然后，我們使用 public_key.verify() 函數驗證數字簽名的有效性。
最后，我們使用哈希值技術對文件進行校驗。在示例代碼中，我們使用 hashes.Hash() 函數生成一個 SHA256 算法的哈希值對象 file_hash，并通過循環讀取文件的方式逐塊更新哈希值。最終，我們使用 file_hash.finalize() 函數得到文件的哈希值，并將其打印輸出。
需要注意的是，在實際應用中，為了更好地保護文件的安全性和完整性，我們還需要采取其他措施，如使用訪問控制技術、備份數據等。
二、Python 文件系統和磁盤管理
1、系統調用（system call）的概念和作用
在 Python 中，我們可以通過標準庫中的 os 模塊來訪問操作系統底層的文件系統接口。這些接口通常是通過系統調用實現的，例如 os.open、os.read、os.write、os.close 等函數。
與操作系統提供的文件系統調用類似，Python 中的 os 模塊也可以用于進行文件和目錄的操作，包括打開、讀寫、復制、移動和刪除等操作。同時，os 模塊還提供了一些函數用于獲取文件和目錄的信息，例如文件大小、時間戳、權限等。
2、文件系統和磁盤結構的了解
Python 中的文件系統和磁盤結構與操作系統中的類似，主要包括以下幾個部分：
- 文件和目錄路徑：表示文件和目錄所在的位置和名稱。
- 文件描述符（file descriptor）：用于標識打開的文件，并記錄文件相關信息，例如文件類型、權限、大小等。
- 文件系統方法和屬性：提供了一些函數和屬性，用于訪問和操作文件系統中的文件和目錄。
在 Python 中，文件和目錄路徑可以使用字符串來表示，其中斜杠（/ 或 \）用于分隔不同的目錄層級。文件描述符則是通過 open 函數打開文件時返回的文件對象，可以用于操作文件和讀取文件信息。文件系統方法和屬性包括 os、shutil、glob 等模塊中提供的函數和變量，可以實現各種文件和目錄的操作。
3、文件操作相關命令的使用方法
在 Python 中，我們可以使用 os 模塊提供的函數來進行常見的文件和目錄操作，例如：
- 創建目錄：使用 os.mkdir 或 os.makedirs 函數創建一個或多個目錄。
- 刪除目錄：使用 os.rmdir 或 shutil.rmtree 函數刪除一個或多個目錄。
- 列出目錄：使用 os.listdir 函數列出指定目錄下的所有文件和子目錄。
- 復制文件：使用 shutil.copy 或 shutil.copy2 函數將文件復制到指定目錄或文件。
- 移動文件：使用 shutil.move 函數將文件移動到指定目錄或文件。
- 刪除文件：使用 os.remove 或 os.unlink 函數刪除一個文件。
需要注意的是，在進行文件和目錄操作時，需要考慮權限和異常處理等問題，以確保程序正常運行并避免潛在的錯誤和安全問題。
4、示例代碼
以下是一個示例代碼，演示了如何使用 Python 中的 os 和 shutil 模塊來進行文件和目錄的操作：
import os
import shutil
# 創建目錄
os.mkdir('test')
# 創建文件并寫入內容
with open('test/test.txt', 'w') as f:
f.write('Hello World!')
# 復制文件到指定目錄
shutil.copy('test/test.txt', 'test/test_copy.txt')
# 移動文件到指定目錄
shutil.move('test/test.txt', 'test_backup/')
# 刪除目錄和文件
shutil.rmtree('test')在上述示例代碼中，我們首先使用 os.mkdir 函數創建一個名為 test 的目錄，并在該目錄下創建一個名為 test.txt 的文件，并將文件內容寫入文件。然后，我們使用 shutil.copy 和 shutil.move 函數分別將文件復制和移動到指定的目錄中，最后使用 shutil.rmtree 函數刪除整個 test 目錄及其子目錄和文件。
三、綜合應用：Python 文件處理工具包的設計
1、Python 文件處理工具包的必要性和實現思路
在日常編程中，我們經常需要對文件進行讀寫、復制、移動、刪除等操作。雖然 Python 提供了豐富的文件操作模塊和函數，但是有時候我們可能需要自定義一些功能更加強大、易于使用的文件處理工具包。
為此，我們可以開發一個 Python 文件處理工具包，該工具包可以提供以下功能：
- 文件夾的遞歸遍歷和查找
- 文件或文件夾的復制、移動和刪除
- 文件的讀寫和編輯
- 文件信息的獲取和修改
- 文件格式的轉換和壓縮等
實現這些功能的基本思路是通過調用 Python 標準庫中的 os、shutil、io、zipfile 等模塊，結合一些第三方庫如 Pillow（圖像處理）、pandas（數據分析）等，封裝成易于使用的 API 接口。
2、工具包的架構設計和模塊劃分
為了方便管理和組織，我們可以將文件處理工具包分為多個模塊，每個模塊負責不同的功能。下面是一個可能的工具包架構設計和模塊劃分：
filetool/
├── __init__.py
├── copymove.py
├── edit.py
├── find.py
├── info.py
├── io.py
├── transform.py
└── utils.py其中，init.py 文件是 Python 包必須的文件，用于將該目錄轉換成一個 Python 包。其他模塊的作用如下：
- copymove.py：實現文件或文件夾的復制、移動和刪除功能。
- edit.py：實現文件的讀寫和編輯功能。
- find.py：實現文件夾的遞歸遍歷和查找功能。
- info.py：實現文件信息的獲取和修改功能。
- io.py：實現對不同類型文件的讀寫操作功能。
- transform.py：實現文件格式的轉換和壓縮功能。
- utils.py：實現一些輔助函數，如路徑處理、字符串處理等。
3、打包和發布 Python 文件處理工具包
在完成文件處理工具包開發之后，我們需要將其打包并發布到 Python Package Index（PyPI）上，以便其他人可以方便地安裝和使用。具體步驟如下：
- 在本地創建一個 setup.py 文件，該文件包含了工具包的基本信息、依賴庫、安裝方式等配置項。其中，名稱、版本、作者等信息需要與 PyPI 上注冊的名稱保持一致。
- 使用 setuptools 包提供的命令將工具包打包成一個源碼包或多個二進制包，并生成一個 distribution 格式的文件。
- 登錄 PyPI 賬號或注冊賬號，并使用 twine 工具將 distribution 文件上傳到 PyPI 上，完成發布。
下面是一個示例的 setup.py 文件：
from setuptools import setup, find_packages
setup(
name='filetool',
version='0.1.0',
author='John Doe',
description='A Python file processing toolkit.',
packages=find_packages(),
install_requires=[
'pillow',
'pandas'
],
classifiers=[
'Development Status :: 3 - Alpha',
'Intended Audience :: Developers',
'License :: OSI Approved :: MIT License',
'Programming Language :: Python :: 3',
'Programming Language :: Python :: 3.6',
'Programming Language :: Python :: 3.7',
'Programming Language :: Python :: 3.8',
'Programming Language :: Python :: 3.9',
],
)4、示例代碼
以下是一個示例代碼，演示了如何使用文件處理工具包中的函數來復制、移動和刪除文件：
from filetool import copymove
# 復制文件
copymove.copyfile('path/to/source/file', 'path/to/target/directory')
# 移動文件
copymove.movefile('path/to/source/file', 'path/to/target/directory')
# 刪除文件
copymove.deletefile('path/to/file')在上述示例代碼中，我們首先導入了文件處理工具包中的 copymove 模塊，并使用其中的 copyfile、movefile 和 deletefile 函數來進行文件的復制、移動和刪除操作。
需要注意的是，在使用這些函數時，我們需要傳遞正確的文件路徑參數。可以使用 os.path 模塊提供的函數來處理路徑，例如使用 join、abspath、dirname 等函數來拼接路徑、獲取絕對路徑和目錄名等信息。
