前言

本文聚焦在Python的上下文管理的講解和應(yīng)用。還是通過(guò)代碼實(shí)例的方式，對(duì)照理解和學(xué)習(xí)，以達(dá)到“多快好省”的理解、掌握和應(yīng)用。閑話(huà)少敘，開(kāi)始——

1.何為上下文管理器

上下文管理器是一個(gè)對(duì)象，它定義了在執(zhí)行with語(yǔ)句時(shí)要建立的運(yùn)行時(shí)上下文。上下文管理器是為代碼塊所執(zhí)行的上下文環(huán)境自動(dòng)處理進(jìn)入和退出所需的運(yùn)行時(shí)。上下文管理器通常使用with語(yǔ)句調(diào)用，但也可以通過(guò)直接調(diào)用它們的方法來(lái)使用。

上下文管理器的典型用途包括保存和恢復(fù)各種全局狀態(tài)，鎖定和解鎖資源，關(guān)閉打開(kāi)的文件，等等。

在章節(jié)中，我們將學(xué)習(xí)如何使用Python中的上下文管理器以及如何自定義上下文管理器。

1.With語(yǔ)句

with語(yǔ)句用于上下文管理器定義的方法包裝塊的執(zhí)行。這允許封裝常見(jiàn)的try…except…finally使用模式以方便重用。與傳統(tǒng)的try…except…finally塊相比，with語(yǔ)句提供了更短且可重用的代碼。

在Python標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)中，許多類(lèi)都支持with語(yǔ)句。一個(gè)非常常見(jiàn)的例子是內(nèi)置的open()函數(shù)，它提供了使用with語(yǔ)句處理文件對(duì)象的模式。

下面是with語(yǔ)句的一般語(yǔ)法:

with expression as target:
# 使用target
# 來(lái)處理事情

我們看一個(gè)使用open()函數(shù)的例子。在當(dāng)前項(xiàng)目的files文件夾中有一個(gè)文本文件。文件名為color_names.txt，其中包含一些顏色名稱(chēng)（可自行提供一些文本內(nèi)容）。我們希望通過(guò)使用open()函數(shù)和with語(yǔ)句打開(kāi)并打印該文件中的內(nèi)容。代碼示例如下：

import os
fileDirPath = os.getcwd()+os.sep+"ctxManager"+os.sep #自定義文件路徑
# 指定文件路徑和名稱(chēng)
path = fileDirPath+'files/color_names.txt'

# with 語(yǔ)句
with open(path, mode='r') as file:
    # 讀取文件內(nèi)容
    print(file.read())

運(yùn)行程序輸出結(jié)果如下

red
orange
yellow
green
blue
white
black

在上面清單中，所看到是with語(yǔ)句的一個(gè)常見(jiàn)用例。我們使用open()函數(shù)打開(kāi)給定的路徑（path）上的文件，且open()函數(shù)以只讀模式返回文件對(duì)象。然后代碼中使用這個(gè)文件對(duì)象讀取并通過(guò)代碼:print(file.read())將其內(nèi)容打印輸出。

上面示例是上下文管理器的一個(gè)典型用法。為了更好地理解和應(yīng)用上下文管理器，我們還得繼續(xù)往下看。

3. 上下文管理器協(xié)議

上下文管理器協(xié)議（Context Manager Protocol），說(shuō)白了就是上下文管理器的處理機(jī)制，或說(shuō)預(yù)定的規(guī)約標(biāo)準(zhǔn)。這部分內(nèi)容也可查看這里：Python核心協(xié)議。為了閱讀的獨(dú)立性，這里也再說(shuō)一說(shuō)。

Python的with語(yǔ)句支持由上下文管理器定義的運(yùn)行時(shí)上下文的概念。這是通過(guò)一對(duì)方法實(shí)現(xiàn)的，它們?cè)试S用戶(hù)定義的類(lèi)定義運(yùn)行時(shí)上下文，該上下文在語(yǔ)句體執(zhí)行之前進(jìn)入，并在語(yǔ)句結(jié)束時(shí)退出。

前所提到的這些方法稱(chēng)為上下文管理器協(xié)議。來(lái)具體看一下這兩個(gè)方法:

1）__enter__(self)

該方法由with語(yǔ)句調(diào)用，以進(jìn)入與當(dāng)前對(duì)象相關(guān)的運(yùn)行時(shí)上下文。with語(yǔ)句將此方法的返回值綁定到語(yǔ)句的as子句中指定的目標(biāo)(如果有的話(huà))。

上例中返回的上下文管理器的是文件對(duì)象。在背后，文件對(duì)象從__enter__()返回其本身，以允許open()被用作with語(yǔ)句中的上下文表達(dá)式。

2）__exit__(self, exc_type, exc_value, traceback):

當(dāng)執(zhí)行離開(kāi)with代碼塊時(shí)調(diào)用此方法。它退出與此對(duì)象相關(guān)的運(yùn)行時(shí)上下文。參數(shù)描述了導(dǎo)致退出上下文的異常信息。如果沒(méi)有異常而退出上下文，那么所有三個(gè)參數(shù)都將為None。

如果提供了異常，并且希望該方法抑制該異常(即，阻止它被傳播)，那么它應(yīng)該返回一個(gè)True值。否則，異常將在退出此方法時(shí)正常處理。__exit__()方法返回一個(gè)布爾值，可以是True或False。

使用上下文管理器協(xié)議中的方法執(zhí)行with語(yǔ)句的過(guò)程如下:

with EXPRESSION as TARGET:
SUITE

• 計(jì)算上下文表達(dá)式（EXPRESSION）以獲得上下文管理器。
• 加載上下文管理器的__enter__()以供隨后使用。
• 加載上下文管理器的__exit__()以供隨后使用。
•  調(diào)用上下文管理器的__enter__()方法。
•  如果在with語(yǔ)句中包含了一個(gè)TARGET，則會(huì)將__enter__()的返回值賦給它。
• 執(zhí)行套件(with語(yǔ)句作用域中的代碼塊)。
• 調(diào)用上下文管理器的__exit__()方法。如果異常導(dǎo)致套件退出，則其類(lèi)型、值和回溯將作為參數(shù)傳遞給__exit__()。否則，將提供三個(gè)None參數(shù)。

如果套件因異常以外的任何原因退出，則會(huì)忽略__exit__()的返回值，并在所執(zhí)行退出類(lèi)型的正常位置繼續(xù)執(zhí)行后續(xù)代碼（若有）。

4. 類(lèi)形式上下文管理器

現(xiàn)在我們了解了上下文管理器協(xié)議背后的基本思想，讓我們?cè)谝粋€(gè)類(lèi)中實(shí)現(xiàn)它。這個(gè)類(lèi)將是我們的上下文管理器，并稍后在with語(yǔ)句中使用它。

定義的上下文管理器類(lèi)參考示例清單如下：

# 自定義上下文管理器類(lèi)
class CustomContextManager:
# 初始化方法init -> 定義一些變量
def __init__(self, path, mode):
self.path = path
self.mode = mode
self.file = None

# __enter__ method -> open the file
def __enter__(self):
self.file = open(self.path, self.mode)
return self.file

# exit method to close the file

def __exit__(self, exc_type, exc_value,exc_traceback):
self.file.close()

我們的CustomContextManager類(lèi)實(shí)現(xiàn)了成為上下文管理器的必要方法:__enter__和__exit__。

在__init__方法中，它定義了三個(gè)實(shí)例變量來(lái)存儲(chǔ)路徑、模式和文件對(duì)象。

在__enter__方法中，它使用內(nèi)置的open()函數(shù)打開(kāi)指定路徑中的文件。由于open()函數(shù)返回file對(duì)象，我們將其賦值給self.file屬性。

在__exit__方法中，我們將文件關(guān)閉:self.file.close()。

__exit__方法接受三個(gè)參數(shù)，它們是上下文管理器協(xié)議所需要的。

現(xiàn)在我們可以在with語(yǔ)句中使用自定義上下文管理器。

使用自定義的類(lèi)上下文管理器的示例（和我們前面的示例雷同）:

# 應(yīng)用示例
import os
fileDirPath = os.getcwd()+os.sep+"ctxManager"+os.sep
# 在with語(yǔ)句中使用自定義上下文管理器
file_path = fileDirPath + 'files/color_names.txt'

with CustomContextManager(path=file_path, mode='r') as file:
#輸出文件file內(nèi)容
print(file.read())

運(yùn)行輸出結(jié)果這里不再贅述。簡(jiǎn)單解釋一下代碼。

上面清單中，在with語(yǔ)句中使用CustomContexManager類(lèi)，通過(guò)它來(lái)讀取文件內(nèi)容并打印出來(lái)。下面是這個(gè)自定義上下文管理器幕后的故事:

1）在with行，調(diào)用類(lèi)CustomContextManager的方_enter__法

2） __enter__方法打開(kāi)文件并返回它。

3）我們將打開(kāi)的文件簡(jiǎn)單地命名為file。

4）在with語(yǔ)句塊中，讀取文件內(nèi)容并將其打印出來(lái)。

5）with語(yǔ)句自動(dòng)調(diào)用__exit__方法。

6）__exit__方法關(guān)閉文件。

我們?cè)賮?lái)定義另一個(gè)上下文管理器類(lèi)。這次我們想打印指定文件夾中的文件列表。

參考實(shí)現(xiàn)的代碼清單如下：

class ContentList:
'''Prints the content of a directory'''

def __init__(self, directory):
self.directory = directory

def __enter__(self):
return os.listdir(self.directory)

def __exit__(self, exc_type, exc_val, exc_tb):
if exc_type is not None:
print("Error getting directory list.")
return True

# 輸出項(xiàng)目目錄下的內(nèi)容
project_directory = '.'
with ContentList(project_directory) as directory_list:
print(directory_list)

在代碼清單中，我們定義了一個(gè)新的上下文管理器。這個(gè)類(lèi)的名字是ContentList。為什么它是一個(gè)上下文管理器?因?yàn)樗鼘?shí)現(xiàn)了上下文管理器協(xié)議(__enter__和__exit__方法)。

我們將目錄路徑作為類(lèi)構(gòu)造函數(shù)__init__方法中的參數(shù)。

在__enter__方法中，只需調(diào)用os模塊中的listdir()方法，就可以獲得該目錄中的內(nèi)容列表:os.listdir(self.directory)。然后返回這個(gè)列表。請(qǐng)注意，在這個(gè)上下文管理器中我們的__enter__方法返回一個(gè)列表。

在__exit__方法中，我們檢查是否存在任何錯(cuò)誤。如果我們的上下文管理器中有錯(cuò)誤，exc_type、exc_val、exc_tb參數(shù)值將不會(huì)為None。因此，我們檢查exc_type是否為None以打印錯(cuò)誤文本。

在with語(yǔ)句中使用該上下文管理器。由于它返回一個(gè)列表對(duì)象，我們只需將返回值賦值給directory_list變量。在with語(yǔ)句的主體中，我們打印這個(gè)列表。運(yùn)行程序后在輸出中，可以看到項(xiàng)目目錄中的內(nèi)容列表。記住,"."表示當(dāng)前目錄，在我們的例子中是項(xiàng)目根目錄（由于項(xiàng)目環(huán)境不同，輸出內(nèi)容可能也不一樣）。

6. 函數(shù)形式上下文管理器

前文中,我們學(xué)習(xí)了如何使用類(lèi)語(yǔ)法定義上下文管理器。但是有點(diǎn)繁瑣和冗長(zhǎng)。因?yàn)樾枰鞔_地實(shí)現(xiàn)__enter__和exit__方法,還需要處理可能的異常。所以希望Python中能有在創(chuàng)建上下文管理器更好的方法:基于函數(shù)的上下文管理器。

其實(shí)函數(shù)上下文管理器是使用生成器和contextlib.contextmanager裝飾器的特殊函數(shù)。 contextlib.contextmanager裝飾器負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)上下文管理器協(xié)議。

下面就來(lái)定義一個(gè)函數(shù)型上下文管理器。

from contextlib import contextmanager

# 定義上下文管理器函數(shù)
@contextmanager
def function_based_context_manager():
print("進(jìn)入上下文: __enter__")
yield "這是個(gè)基于上下文管理器的函數(shù)"
print("離開(kāi)上下文: __exit__")

# with語(yǔ)句中使用上下文管理器函數(shù)
with function_based_context_manager() as yield_text:
print(yield_text)

運(yùn)行程序輸出結(jié)果類(lèi)似如下：

進(jìn)入上下文: __enter__
這是個(gè)基于上下文管理器的函數(shù)
離開(kāi)上下文: __exit__

在上面代碼中，我們定義了一個(gè)作為上下文管理器的自定義函數(shù)。contextmanager裝飾器將常規(guī)函數(shù)轉(zhuǎn)換為全堆棧上下文管理器（自動(dòng)實(shí)現(xiàn)上下文管理器的協(xié)議）。如果你為函數(shù)提供了@contextmanager裝飾器，就不需要擔(dān)心實(shí)現(xiàn)__enter__和__exit__函數(shù)。

代碼中的yield語(yǔ)句在基于類(lèi)的上下文管理器中的__enter__方法中充當(dāng)返回語(yǔ)句。由于我們使用了yield語(yǔ)句，故此，這個(gè)基于函數(shù)的上下文管理器也是生成器函數(shù)。

再來(lái)定義一個(gè)新的上下文管理器。這一次，它將以寫(xiě)的模式打開(kāi)一個(gè)文件并添加一些文本。示例如下:

代碼清單

在清單中，我們定義了一個(gè)基于函數(shù)的上下文管理器。在try塊中，它嘗試打開(kāi)指定路徑中的文件，并指定了文件的默認(rèn)編碼集。如果它成功地打開(kāi)它，那么它將生成(返回)file_object。在finally塊中，我們檢查是否有一個(gè)file_object要關(guān)閉。如果file_object不是None，則關(guān)閉file_object。

在with語(yǔ)句中，我們用文件名funBasedContextManagers.txt調(diào)用上下文管理器。上下文管理器以寫(xiě)模式打開(kāi)該文件并返回文件對(duì)象，我們將其簡(jiǎn)單命名為file。接著在這個(gè)文件中寫(xiě)入一些文本。記住，如果這樣的文件不存在，'w'模式將創(chuàng)建一個(gè)空文件。

運(yùn)行上面程序，若文件不存在，則生成相應(yīng)名稱(chēng)的文件并保持寫(xiě)入的內(nèi)容。若文件存在，則這種寫(xiě)入文件是每次情況源文件再寫(xiě)入內(nèi)容的，這一點(diǎn)操作請(qǐng)注意。

像這種處理“收尾”工作的，使用上下文管理器特別方便，尤其涉及到數(shù)據(jù)庫(kù)操作方面，比如可以自己包裝一個(gè)來(lái)完成自動(dòng)的關(guān)閉連接等。

本文小結(jié)

本期我們介紹了上下文管理器的相關(guān)編程內(nèi)容，諸如何為上下文管理器、上下文管理器協(xié)議、自定義的類(lèi)形式上下文管理器以及函數(shù)型上下文管理器等。相關(guān)內(nèi)容大都配合可實(shí)戰(zhàn)的代碼進(jìn)行了演示和解說(shuō)。要想提高編程技能，多動(dòng)手敲代碼是必不可少的要求。