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Python中的上下文管理器相关知识详解

前言

with 这个关键字,对于每一学习Python的人,都不会陌生。

操作文本对象的时候,几乎所有的人都会让我们要用 with open ,这就是一个上下文管理的例子。你一定已经相当熟悉了,我就不再废话了。

with open('test.txt') as f:
  print f.readlines()

什么是上下文管理器?

基本语法

with EXPR as VAR:
  BLOCK

先理清几个概念

1. 上下文表达式:with open('test.txt') as f:

2. 上下文管理器:open('test.txt')

3. f 不是上下文管理器,应该是资源对象。

如何写上下文管理器?

要自己实现这样一个上下文管理,要先知道上下文管理协议。

简单点说,就是在一个类里,实现了__enter__和__exit__的方法,这个类的实例就是一个上下文管理器。

例如这个示例:

class Resource():
  def __enter__(self):
    print('===connect to resource===')
    return self
  def __exit__(self, exc_type, exc_val, exc_tb):
    print('===close resource connection===')     
  def operate(self):
    print('===in operation===')     
with Resource() as res:
  res.operate()

我们执行一下,通过日志的打印顺序。可以知道其执行过程。
===connect to resource==
===in operation===
===close resource connection===

从这个示例可以很明显的看出,在编写代码时,可以将资源的连接或者获取放在__enter__中,而将资源的关闭写在__exit__ 中。

为什么要用上下文管理器?

学习时多问自己几个为什么,养成对一些细节的思考,有助于加深对知识点的理解。

为什么要使用上下文管理器?

在我看来,这和 Python 崇尚的优雅风格有关。

  • 可以以一种更加优雅的方式,操作(创建/获取/释放)资源,如文件操作、数据库连接;
  • 可以以一种更加优雅的方式,处理异常;

第一种,我们上面已经以资源的连接为例讲过了。

而第二种,会被大多数人所忽略。这里会重点讲一下。

大家都知道,处理异常,通常都是使用 try...execept.. 来捕获处理的。这样做一个不好的地方是,在代码的主逻辑里,会有大量的异常处理代理,这会很大的影响我们的可读性。

好一点的做法呢,可以使用 with 将异常的处理隐藏起来。

仍然是以上面的代码为例,我们将1/0 这个一定会抛出异常的代码写在 operate 里

class Resource():
  def __enter__(self):
    print('===connect to resource===')
    return self
 
  def __exit__(self, exc_type, exc_val, exc_tb):
    print('===close resource connection===')
    return True
 
  def operate(self):
    1/0
 
with Resource() as res:
  res.operate()

运行一下,惊奇地发现,居然不会报错。

这就是上下文管理协议的一个强大之处,异常可以在__exit__ 进行捕获并由你自己决定如何处理,是抛出呢还是在这里就解决了。在__exit__ 里返回 True(没有return 就默认为 return False),就相当于告诉 Python解释器,这个异常我们已经捕获了,不需要再往外抛了。

在 写__exit__ 函数时,需要注意的事,它必须要有这三个参数:

  • exc_type:异常类型
  • exc_val:异常值
  • exc_tb:异常的错误栈信息

当主逻辑代码没有报异常时,这三个参数将都为None。

理解并使用 contextlib

在上面的例子中,我们只是为了构建一个上下文管理器,却写了一个类。如果只是要实现一个简单的功能,写一个类未免有点过于繁杂。这时候,我们就想,如果只写一个函数就可以实现上下文管理器就好了。

这个点Python早就想到了。它给我们提供了一个装饰器,你只要按照它的代码协议来实现函数内容,就可以将这个函数对象变成一个上下文管理器。

我们按照 contextlib 的协议来自己实现一个打开文件(with open)的上下文管理器。

import contextlib
 @contextlib.contextmanager
def open_func(file_name):
  # __enter__方法
  print('open file:', file_name, 'in __enter__')
  file_handler = open(file_name, 'r')
     # 【重点】:yield
  yield file_handler
   # __exit__方法
  print('close file:', file_name, 'in __exit__')
  file_handler.close()
  return
 with open_func('/Users/MING/mytest.txt') as file_in:
  for line in file_in:
    print(line)

在被装饰函数里,必须是一个生成器(带有yield),而yield之前的代码,就相当于__enter__里的内容。yield 之后的代码,就相当于__exit__ 里的内容。

上面这段代码只能实现上下文管理器的第一个目的(管理资源),并不能实现第二个目的(处理异常)。

如果要处理异常,可以改成下面这个样子。

import contextlib
@contextlib.contextmanager
def open_func(file_name):
  # __enter__方法
  print('open file:', file_name, 'in __enter__')
  file_handler = open(file_name, 'r')
  try:
    yield file_handler
  except Exception as exc:
    # deal with exception
    print('the exception was thrown')
  finally:
    print('close file:', file_name, 'in __exit__')
    file_handler.close()
    return
with open_func('/Users/MING/mytest.txt') as file_in:
  for line in file_in:
    1/0
    print(line)

好像只要讲到上下文管理器,大多数人都会谈到打开文件这个经典的例子。

但是在实际开发中,可以使用到上下文管理器的例子也不少。我这边举个我自己的例子。

在OpenStack中,给一个虚拟机创建快照时,需要先创建一个临时文件夹,来存放这个本地快照镜像,等到本地快照镜像创建完成后,再将这个镜像上传到Glance。然后删除这个临时目录。

这段代码的主逻辑是创建快照,而创建临时目录,属于前置条件,删除临时目录,是收尾工作。

虽然代码量很少,逻辑也不复杂,但是“创建临时目录,使用完后再删除临时目录”这个功能,在一个项目中很多地方都需要用到,如果可以将这段逻辑处理写成一个工具函数作为一个上下文管理器,那代码的复用率也大大提高。

代码是这样的

Python中的上下文管理器相关知识详解

总结起来,使用上下文管理器有三个好处:

  • 提高代码的复用率;
  • 提高代码的优雅度;
  • 提高代码的可读性;
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