Python教程（十五）：IO 编程

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• Python教程（十）：面向对象编程（OOP）
• Python教程（十一）：单元测试与异常捕获
• Python教程（十二）：面向对象高级编程详解
• Python教程（十三）：常用内置模块详解
• Python教程（十四）：Requests模块详解

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引言

IO在计算机中指Input/Output，也就是输入和输出。输入输出（IO）是计算机程序与外部世界交互的基本方式。在Python中，IO编程涉及到文件读写、网络通信等操作。

基础概念

什么是IO？

IO是Input/Output的缩写，即输入和输出。在编程中，IO操作包括从用户那里获取输入（如键盘输入）和向用户发送输出（如屏幕显示或文件写入）。

同步IO vs 异步IO

同步IO（Synchronous IO）和异步IO（Asynchronous IO）是两种不同的IO操作模式同步IO简单但效率可能较低，特别是在IO密集型的应用中。异步IO可以提高效率和并发性，但编程模型更复杂。

同步IO（Synchronous IO）

在同步IO中，当一个IO操作（如读取文件、网络请求）发起时，发起请求的线程会被阻塞，直到IO操作完成。这意味着在等待IO操作完成的过程中，线程不能执行其他任务。

特点：

• 简单直观，容易理解和实现。
• 线程在IO操作完成前被阻塞，不能做其他事情。

异步IO（Asynchronous IO）

异步IO允许程序在发起IO请求后立即去做其他事情，而不需要等待IO操作完成。当IO操作完成时，操作系统会通知程序，或者通过回调函数、事件、或未来（promises）等方式来处理结果。

程序发起IO请求后，不是等待IO操作完成，而是继续执行其他任务。当操作系统通知IO操作完成时，程序再处理IO结果。

特点：

• 非阻塞，提高程序的并发性能。
• 编程模型相对复杂，需要处理回调、事件循环等。

Python中的IO

Python提供了多种IO操作的方式，包括：

• 标准IO：使用input()函数从标准输入读取数据，使用print()函数向标准输出发送数据。
• 文件IO：使用内置的open()函数来打开文件，并进行读写操作。
• 网络IO：通过第三方库如requests进行网络请求，或使用内置库如socket进行底层网络通信。

标准IO

标准输入和输出

在Python中，可以通过input()函数读取用户输入的字符串，并通过print()函数输出信息到控制台。

# 标准输入示例
user_input = input("请输入你的名字：")
print("你好，" + user_input + "！")

文件IO

文件操作的上下文管理器

with语句提供了一种优雅的方式来处理文件操作，它可以自动关闭文件，即使发生异常也是如此。不用我们每次都像下面这样写, 需要手动去捕获异常，然后关闭文件

try:f = open('example.txt', 'r') print(f.read())
finally:if f:f.close()

打开文件

使用open()函数可以打开一个文件，并指定操作模式，如'r'（只读）、'w'（只写）、'a'（追加）等。

# 打开文件示例
with open('example.txt', 'w') as file:file.write("Hello, IO!")

读取文件

使用open()函数打开文件后，可以读取文件内容。

# 读取文件示例
with open('example.txt', 'r') as file:content = file.read() print(content)

调用readlines()一次读取所有内容并按行返回list

for line in f.readlines():print(line.strip()) # 把末尾的'\n'删掉

操作内存中的数据

很多时候，数据读写不一定是文件，也可以在内存中读写 , StringIO顾名思义就是在内存中读写str,StringIO操作的只能是str，如果要操作二进制数据，就需要使用BytesIO。

from io import StringIO,BytesIOs = StringIO()
s.write('Hello')
s.write(' -- ')
s.write('World')
print(f'获取内存s的值：{s.getvalue()}')# BytesIO
f = BytesIO()
f.write('中文'.encode('utf-8'))
print(f'获取内存f的值：{f.getvalue()}')

高级文件操作

读写二进制文件

除了文本文件，Python也可以读写二进制文件。

# 写入二进制文件示例
with open('image.png', 'wb') as file:file.write(b'\x89PNG\r\n\x1a\n')# 读取二进制文件示例
with open('image.png', 'rb') as file:data = file.read()

使用文件指针

可以控制文件指针的位置，实现文件的随机访问。

with open('example.txt', 'r+') as file:file.seek(0, 2)  # 移动到文件末尾file.write(" New content")

网络IO

使用requests库

• 可以参考前文：Python教程（十四）：Requests模块详解
• requests是一个简单易用的HTTP库，可以用来发送网络请求。

import requestsresponse = requests.get('https://baidu.com')
print(response.text)

使用socket库

socket是Python的底层网络通信库，可以用来实现TCP/IP通信。

import socket# 创建socket对象
s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
s.connect(('www.example.com', 80))
s.send(b'GET / HTTP/1.1\r\nHost: www.example.com\r\n\r\n')
response = s.recv(1024)
s.close()
print(response.decode())

异常处理

在进行IO操作时，可能会遇到各种异常，如文件不存在、网络连接错误等。使用try...except语句可以捕获并处理这些异常。

try:with open('nonexistent.txt', 'r') as file:file.read()
except FileNotFoundError:print("文件不存在")

总结

IO编程是Python编程中的一个重要组成部分。从简单的标准IO到复杂的文件和网络IO，Python提供了丰富的功能和库来支持各种IO操作。掌握这些技能，可以帮助你构建更加强大和灵活的应用程序。

参考文献

• Python官方文档关于IO的部分。
• requests官方文档。
• socket编程的详细教程。