文件操作 (File I/O)

导语

你每天都在和文件打交道——打开一篇文档、保存一张图片、读取配置文件。在编程中，文件 I/O（file input/output）是程序与外部世界交换数据的基本方式。Python 提供了简洁而强大的文件操作 API：简单的 open()、自动管理资源的上下文管理器（context manager）、以及面向对象的 pathlib 模块。学会文件操作，你的程序才能持久化数据、读取配置、处理日志。

学习目标

• 掌握 open() 三种基本模式：读取（r）、写入（w）、追加（a）
• 熟练使用 with 语句（上下文管理器）自动管理文件资源
• 学会使用 pathlib.Path 进行现代文件系统操作

概念介绍

文件操作的核心是 open() 函数——它打开一个文件并返回文件对象。打开文件时必须指定模式（mode）："r" 只读、"w" 写入（覆盖已有内容）、"a" 追加（在末尾添加而不覆盖）。

Python 推荐始终使用 with 语句（with statement）来操作文件。with 背后是上下文管理器（context manager）协议——无论代码是否正常结束，with 都会确保文件被正确关闭，避免资源泄露。

读取大文件时，逐行读取（line-by-line）比一次性 read() 更高效——Python 的文件对象本身就是可迭代的，每次 for 循环只将一行加载到内存。

[!NOTE] Python 3.4 引入的 pathlib 是目前官方推荐的现代路径操作方式。相比旧的 os.path，pathlib.Path 使用面向对象的链式调用，更直观、更 Pythonic。

代码示例

示例 1：open() 读写模式

# 写入文件（w 模式）
with open("hello.txt", "w") as f:
    f.write("Hello, Python!\n")
    f.write("你好，世界！\n")

# 读取文件（r 模式）
with open("hello.txt", "r") as f:
    content = f.read()
    print(f"file content:\n{content}")

# 追加内容（a 模式）
with open("hello.txt", "a") as f:
    f.write("Appended line.\n")

[!NOTE] "r" 是默认模式，open("file.txt") 等价于 open("file.txt", "r")。"w" 模式会清空已有文件内容，小心使用。

示例 2：with 语句与逐行读取

# 用 with 自动管理资源
with open("data.txt", "w") as f:
    f.write("Line 1\n")
    f.write("Line 2\n")

# 逐行读取——内存友好
with open("data.txt", "r") as f:
    for line in f:
        print(f"line: {line.strip()}")
# 输出:
# line: Line 1
# line: Line 2

[!TIP] for line in f: 是读取文件的最高效方式。相比 f.readlines()（一次性加载全部行到列表），逐行读取只需维护一行内容的内存。

示例 3：pathlib.Path 现代操作

from pathlib import Path

path = Path(".")

# 检查路径是否存在
print(f"current dir exists: {path.exists()}")

# 列出当前目录下的 .py 文件
py_files = [p.name for p in path.iterdir() if p.name.endswith(".py")]
print(f"Python files in current dir: {py_files}")

# 路径拼接与文件信息
readme = path / "README.md"
if readme.exists():
    print(f"README.md size: {readme.stat().st_size} bytes")

# 一步读写文件
readme_content = readme.read_text()
print(f"README length: {len(readme_content)} characters")

[!TIP] Path / "subdir" 使用 / 运算符拼接路径，比 os.path.join() 更直观。Path.read_text() 和 Path.write_text() 可以一步完成整个文件的读写。

常见错误与解决

[!WARNING] 错误 1：忘记关闭文件

f = open("data.txt", "r")
content = f.read()
# 💥 忘记 f.close()，文件句柄泄露

解决：始终使用 with 语句，让 Python 自动关闭文件：

with open("data.txt", "r") as f:
    content = f.read()

[!WARNING] 错误 2：写入中文时报 UnicodeEncodeError

在 Windows 上，open() 默认编码可能是 gbk，遇到 UTF-8 字符会报错。

解决：始终显式指定编码：open("file.txt", "w", encoding="utf-8")。

最佳实践

1. 永远用 with 打开文件——自动关闭、异常安全，无需手动 f.close()
2. 大文件逐行读取——for line in f: 比 f.read() 或 f.readlines() 更节省内存
3. 优先 pathlib——Path.read_text() 一行完成读写，/ 运算符拼接路径优雅清晰
4. 显式指定 encoding——避免平台差异导致的编码问题

练习

1. 使用 pathlib 找出当前目录下所有 .md 文件，并打印它们的大小（字节）。

from pathlib import Path

for p in Path(".").iterdir():
    if p.suffix == ".md":
        print(f"{p.name}: {p.stat().st_size} bytes")

2. 读取一个日志文件 app.log，只打印包含 "ERROR" 的行。

with open("app.log", "r", encoding="utf-8") as f:
    for line in f:
        if "ERROR" in line:
            print(line.strip())

知识检查

1. open("file.txt", "a") 的作用是？

   • A. 清空文件重新写入
   • B. 在文件末尾追加内容
   • C. 只读模式打开
   • D. 删除文件

2. 关于 with open(...) 以下说法正确的是？

   • A. 需要手动调用 .close()
   • B. 只读取文件的一部分
   • C. 代码结束后自动关闭文件
   • D. 仅二进制文件需要

3. Path(".").iterdir() 返回什么？

   • A. 一个字符串列表
   • B. 当前目录下的 Path 对象迭代器
   • C. 布尔值
   • D. 文件内容

本章小结

• open() 支持 "r"（读）、"w"（写）、"a"（追加）三种基本模式
• with 语句确保文件资源安全释放，是 Python 文件操作的标准写法
• for line in f: 是逐行读取的高效方式，内存友好
• pathlib.Path 提供面向对象的路径操作，/ 运算符拼接路径、.read_text() 一步读写
• 始终显式指定 encoding="utf-8" 避免跨平台编码问题

术语表

下一步

• 异常处理 → 学会优雅地处理运行错误

源码链接

• file_io_sample.py