IO编程
来源:互联网 发布:最新网络金融理财产品 编辑:程序博客网 时间:2024/05/14 07:34
该文章转至廖雪峰,在此上做红色重点标注,以备后用
是什么?
IO在计算机中指Input/Output,也就是输入和输出。由于程序和运行时数据是在内存中驻留,由CPU这个超快的计算核心来执行,涉及到数据交换的地方,通常是磁盘、网络等,就需要IO接口。
比如你打开浏览器,访问新浪首页,浏览器这个程序就需要通过网络IO获取新浪的网页。浏览器首先会发送数据给新浪服务器,告诉它我想要首页的HTML,这个动作是往外发数据,叫Output,随后新浪服务器把网页发过来,这个动作是从外面接收数据,叫Input。所以,通常,程序完成IO操作会有Input和Output两个数据流。当然也有只用一个的情况,比如,从磁盘读取文件到内存,就只有Input操作,反过来,把数据写到磁盘文件里,就只是一个Output操作。
IO编程中,Stream(流)是一个很重要的概念,可以把流想象成一个水管,数据就是水管里的水,但是只能单向流动。Input Stream就是数据从外面(磁盘、网络)流进内存,Output Stream就是数据从内存流到外面去。对于浏览网页来说,浏览器和新浪服务器之间至少需要建立两根水管,才可以既能发数据,又能收数据。
由于CPU和内存的速度远远高于外设的速度,所以,在IO编程中,就存在速度严重不匹配的问题。举个例子来说,比如要把100M的数据写入磁盘,CPU输出100M的数据只需要0.01秒,可是磁盘要接收这100M数据可能需要10秒,怎么办呢?有两种办法:
第一种是CPU等着,也就是程序暂停执行后续代码,等100M的数据在10秒后写入磁盘,再接着往下执行,这种模式称为同步IO;
另一种方法是CPU不等待,只是告诉磁盘,“您老慢慢写,不着急,我接着干别的事去了”,于是,后续代码可以立刻接着执行,这种模式称为异步IO。
同步和异步的区别就在于是否等待IO执行的结果。好比你去麦当劳点餐,你说“来个汉堡”,服务员告诉你,对不起,汉堡要现做,需要等5分钟,于是你站在收银台前面等了5分钟,拿到汉堡再去逛商场,这是同步IO。
你说“来个汉堡”,服务员告诉你,汉堡需要等5分钟,你可以先去逛商场,等做好了,我们再通知你,这样你可以立刻去干别的事情(逛商场),这是异步IO。
很明显,使用异步IO来编写程序性能会远远高于同步IO,但是异步IO的缺点是编程模型复杂。想想看,你得知道什么时候通知你“汉堡做好了”,而通知你的方法也各不相同。如果是服务员跑过来找到你,这是回调模式,如果服务员发短信通知你,你就得不停地检查手机,这是轮询模式。总之,异步IO的复杂度远远高于同步IO。
操作IO的能力都是由操作系统提供的,每一种编程语言都会把操作系统提供的低级C接口封装起来方便使用,Python也不例外。我们后面会详细讨论Python的IO编程接口。
注意,本章的IO编程都是同步模式,异步IO由于复杂度太高,后续涉及到服务器端程序开发时我们再讨论。
怎么做?
文件读写
读写文件是最常见的IO操作。Python内置了读写文件的函数,用法和C是兼容的。
读写文件前,我们先必须了解一下,在磁盘上读写文件的功能都是由操作系统提供的,现代操作系统不允许普通的程序直接操作磁盘,所以,读写文件就是请求操作系统打开一个文件对象(通常称为文件描述符),然后,通过操作系统提供的接口从这个文件对象中读取数据(读文件),或者把数据写入这个文件对象(写文件)。
读文件
要以读文件的模式打开一个文件对象,使用Python内置的open()函数,传入文件名和标示符:
>>> f = open('/Users/michael/test.txt', 'r')
>>> f=open('/Users/michael/notfound.txt', 'r')Traceback (most recent call last): File "<stdin>", line 1, in <module>IOError: [Errno 2] No such file or directory: '/Users/michael/notfound.txt'
>>> f.read()'Hello, world!'最后一步是调用close()方法关闭文件。文件使用完毕后必须关闭,因为文件对象会占用操作系统的资源,并且操作系统同一时间能打开的文件数量也是有限的:
>>> f.close()
try: f = open('/path/to/file', 'r') print f.read()finally: if f: f.close()但是每次都这么写实在太繁琐,所以,Python引入了with语句来自动帮我们调用close()方法:
with open('/path/to/file', 'r') as f: print f.read()
for line in f.readlines(): print(line.strip()) # 把末尾的'\n'删掉
二进制文件
前面讲的默认都是读取文本文件,并且是ASCII编码的文本文件。要读取二进制文件,比如图片、视频等等,用'rb'模式打开文件即可:
>>> f = open('/Users/michael/test.jpg', 'rb')>>> f.read()'\xff\xd8\xff\xe1\x00\x18Exif\x00\x00...' # 十六进制表示的字节
>>> f = open('/Users/michael/gbk.txt', 'rb')>>> u = f.read().decode('gbk')>>> uu'\u6d4b\u8bd5'>>> print u测试如果每次都这么手动转换编码嫌麻烦(写程序怕麻烦是好事,不怕麻烦就会写出又长又难懂又没法维护的代码),Python还提供了一个
codecs
模块帮我们在读文件时自动转换编码,直接读出unicode:import codecswith codecs.open('/Users/michael/gbk.txt', 'r', 'gbk') as f: f.read() # u'\u6d4b\u8bd5'
>>> f = open('/Users/michael/test.txt', 'w')>>> f.write('Hello, world!')>>> f.close()
with open('/Users/michael/test.txt', 'w') as f: f.write('Hello, world!')
>>> import os>>> os.name # 操作系统名字'posix'如果是posix,说明系统是Linux、Unix或Mac OS X,如果是nt,就是Windows系统。
>>> os.uname()('Darwin', 'iMac.local', '13.3.0', 'Darwin Kernel Version 13.3.0: Tue Jun 3 21:27:35 PDT 2014; root:xnu-2422.110.17~1/RELEASE_X86_64', 'x86_64')
>>> os.environ{'VERSIONER_PYTHON_PREFER_32_BIT': 'no', 'TERM_PROGRAM_VERSION': '326', 'LOGNAME': 'michael', 'USER': 'michael', 'PATH': '/usr/bin:/bin:/usr/sbin:/sbin:/usr/local/bin:/opt/X11/bin:/usr/local/mysql/bin', ...}要获取某个环境变量的值,可以调用os.getenv()函数:
>>> os.getenv('PATH')'/usr/bin:/bin:/usr/sbin:/sbin:/usr/local/bin:/opt/X11/bin:/usr/local/mysql/bin'操作文件和目录
# 查看当前目录的绝对路径:>>> os.path.abspath('.')'/Users/michael'# 在某个目录下创建一个新目录,# 首先把新目录的完整路径表示出来:>>> os.path.join('/Users/michael', 'testdir')'/Users/michael/testdir'# 然后创建一个目录:>>> os.mkdir('/Users/michael/testdir')# 删掉一个目录:>>> os.rmdir('/Users/michael/testdir')把两个路径合成一个时,不要直接拼字符串,而要通过os.path.join()函数,这样可以正确处理不同操作系统的路径分隔符。在Linux/Unix/Mac下,os.path.join()返回这样的字符串:
part-1/part-2
part-1\part-2同样的道理,要拆分路径时,也不要直接去拆字符串,而要通过os.path.split()函数,这样可以把一个路径拆分为两部分,后一部分总是最后级别的目录或文件名:
>>> os.path.split('/Users/michael/testdir/file.txt')('/Users/michael/testdir', 'file.txt')
os.path.splitext()
可以直接让你得到文件扩展名,很多时候非常方便:>>> os.path.splitext('/path/to/file.txt')('/path/to/file', '.txt')这些合并、拆分路径的函数并不要求目录和文件要真实存在,它们只对字符串进行操作。
# 对文件重命名:>>> os.rename('test.txt', 'test.py')# 删掉文件:>>> os.remove('test.py')但是复制文件的函数居然在os模块中不存在!原因是复制文件并非由操作系统提供的系统调用。理论上讲,我们通过上一节的读写文件可以完成文件复制,只不过要多写很多代码。
>>> [x for x in os.listdir('.') if os.path.isdir(x)]['.lein', '.local', '.m2', '.npm', '.ssh', '.Trash', '.vim', 'Adlm', 'Applications', 'Desktop', ...]要列出所有的.py文件,也只需一行代码:
>>> [x for x in os.listdir('.') if os.path.isfile(x) and os.path.splitext(x)[1]=='.py']['apis.py', 'config.py', 'models.py', 'pymonitor.py', 'test_db.py', 'urls.py', 'wsgiapp.py']
d = dict(name='Bob', age=20, score=88)
try: import cPickle as pickleexcept ImportError: import pickle首先,我们尝试把一个对象序列化并写入文件:
>>> d = dict(name='Bob', age=20, score=88)>>> pickle.dumps(d)"(dp0\nS'age'\np1\nI20\nsS'score'\np2\nI88\nsS'name'\np3\nS'Bob'\np4\ns."pickle.dumps()方法把任意对象序列化成一个str,然后,就可以把这个str写入文件。或者用另一个方法pickle.dump()直接把对象序列化后写入一个file-like Object:
>>> f = open('dump.txt', 'wb')>>> pickle.dump(d, f)>>> f.close()看看写入的dump.txt文件,一堆乱七八糟的内容,这些都是Python保存的对象内部信息。
>>> f = open('dump.txt', 'rb')>>> d = pickle.load(f)>>> f.close()>>> d{'age': 20, 'score': 88, 'name': 'Bob'}变量的内容又回来了!
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