详解python with 上下文管理器

作为一个 Java 为母语的程序员来讲,学习起其他新的语言就难免任何事都与 Java 进行横向对比。Java 7 引入了能省去许多重复代码的 try-with-resources 特性,不用每回 try/finally 来释放资源(不便之处有局部变量必须声明在 try 之前,finally 里还要嵌套 try/catch 来处理异常)。比如下面的 Java 代码

try(InputStream inputStream = new FileInputStream("abc.txt")) {
  System.out.println(inputStream.read());
} catch (Exception ex) {
}

它相应的不使用 try-with-resources 语法的代码就是

InputStream inputStream = null;
try {
  inputStream = new FileInputStream("abc.txt");
} catch (Exception ex) {
} finally {
  if(inputStream != null) {
    try {
      inputStream.close();
    } catch (Exception ex) {
    }
  }
}

类似的 Python 也有自己的 try-with-resources 写法,就是 with 关键字,它的概念叫做上下文管理器(Context Manager)。

with 关键字的使用

with open('some_file', 'w') as opened_file:
  opened_file.write('Hola!')

以上的代码相当于

opened_file = open('some_file', 'w')
try:
  opened_file.write('Hola!')
finally:
  opened_file.close()

也就是 with 关键字打开的资源会在 with 语句块结束后自动调用相应的方法自动释放(无论 with 中操作是否有异常)。

with 用起来是很方便的,但是什么样的资源可以用 with 关键字?Python 是怎么知道要调用哪个方法来关闭资源的?进而如何实现自己的支持上下文管理器的 Python 类。

再次回顾 Java 的 try-with-resources 语法,try(...) 括号支持的类必须是实现了 AutoCloseable 接口,它的接口方法是

public void close() throws IOException

也就是 Java 的 try-with-resources 语法会自动调用以上方法来释放资源,要实现可被自动释放的 Java 就只须遵照这一规则就行。

而在 Python 中,能被 with 的类有两种实现方式

实现基本方法以支持上下文管理器的类

一个 Python 类要能被用于 with 上下文,必须实现至少 __enter__ __exit__ 方法。这两个方法的意思好理解,一个是创建资源后,后者是退出 with 语句块后。请看下面的例子

class File(object):
  def __init__(self, file_name, method):
    self.file_obj = open(file_name, method)

  def __enter__(self):
    print("---enter")
    return self.file_obj

  def __exit__(self, type, value, traceback):
    print("---exit")
    self.file_obj.close()

with File('data.txt', 'r') as data_file:
  print(data_file.read())

假设 data.txt 文件中的内容是

hello
world

那么以上程序执行后的输出就是

--enter
hello
world
---exit

  1. __enter__ 返回的值作为 with ... as data_file 中的 data_file 变量的值,如果 __enter__ 没有返回,data_file 得到的就是 NoneType object 了。
  2. __exit__ 可利用来释放资源
  3. 没有 __enter__ 方法试图用 with 的写法执行时会得到 AttributeErro: __enter__ 异常
  4. 同样,没有 __exit__ 方法试图用 with 的写法执行时会得到 AttributeErro: __exit__ 异常
  5. __exit__ 有其他额外的三个参数,可获得资源的值,以及能处理 with 块中执行出现异常的情况
  6. __exit__ 的返回值也有用途,如果它返回 True 则出现的异常不再向外传播,其他值的话直接向外抛

利用生成器(Generator) 和装饰器创建支持上下文管理器的方法

此种方式比较简单,不过逻辑控制上没有这么强。

from contextlib import contextmanager

@contextmanager
def open_file(name, method):
  f = open(name, method)
  yield f
  f.close()

使用 f 的执行代码将被放置在 yield f 所处的位置,with 使用以上方法。yield 后的 f 变量将是 with...as 后的变量值

with open_file('some_file', 'w') as file_object:
  file_object.write('hola!')

这里也要注意异常处理的情况,比如把上面代码打开文件的模式换作 r, 仍然试图去写文件,这样在 open_file 方法的 yield f 位置将产生异常,会造成 f.close() 得不到执行,不能正确释放该资源。

欲更具防御性,前面的 yield f 可以扩展也如下的形式

try:
  yield f
except Exception as ex:
  pass #处理异常,或继续向外抛
finally:
  f.close()

@contextmanager 装饰器内部也是封装为一个实现了 __enter__ __exit__ 方法的对象。

参考链接:Context Managers

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