详解Python中的上下文管理器原理

with语句

在我们日常使用场景中，经常会操作一些资源，比如文件对象、数据库连接、Socket连接等，资源操作完了之后，不管操作的成功与否，最重要的事情就是关闭该资源，否则资源打开太多而没有关闭，程序会报错，以文件操作为例，通常我们会这样写：

f = open('file.txt', 'w')
try:
  f.write("Hello")
finally:
  f.close()

但既然close方法是必须的操作，那就没必要显式地调用，所以Python给我们提供了一种更优雅的方式，使用with语句：

with open('file.txt', 'w') as f:
  f.write("Hello")

在退出with语句下的代码块之后，f 对象会自动执行自己的close方法，实现资源的释放，简洁优雅。

上下文管理器原理

上下文管理器实际是内部实现了__enter__和__exit__方法的对象。

当我们使用with语法时：

__enter__()方法：返回一个值，可以将它赋值给as后面的对象，例如上面的中的f；

__exit__()方法：with语句退出或者发送异常时会执行这个方法。

1、__enter__方法说明

上下文管理器的__enter__方法是可以带返回值的，默认返回None，这个返回值通过with…as…中的 as 赋给它后面的那个变量，所以 with EXPR as VAR 就是将EXPR对象__enter__方法的返回值赋给 VAR。

当然with...as...并非固定组合，单独使用with...也是可以的，上下文管理器的__enter__方法还是正常执行，只是这个返回值并没有赋给一个变量，with下面的代码块也不能使用这个返回值。

2、__exit__方法说明

上下文管理器的__exit__方法接收3个参数exc_type、exc_val、exc_tb，如果代码块BLOCK发生了异常e并退出，这3个参数分别为type(e)、str(e)、e.__traceback__，否则都为None。

同样__exit__方法也是可以带返回值的，这个返回值应该是一个布尔类型True或False，默认为None（即False）。如果为False，异常会被抛出，用户需要进行异常处理。如果为True，则表示忽略该异常。

一个上下文管理器一般使用如下：

with EXPR as VAR:
  BLOCK

上述代码的执行过程等价于：

ContextManager = EXPR
VAR = ContextManager.__enter__()
try:
  BLOCK
finally:
  ContextManager.__exit__()

f 对象就是把自己的close方法定义在了它的__exit__方法内部，实现了代码块BLOCK执行完之后自动关闭自身。

自定义上下文管理器

下面我们定义一个文件类，内部实现了__enter__和__exit__两个方法：

class File:
  def __init__(self, filename, mode):
      self.filename = filename
      self.mode = mode

  def __enter__(self):
      print("进入")
      self.f = open(self.filename, self.mode)
      return self.f

  def __exit__(self, exc_type=None, exc_val=None, exc_tbs=None):
      print("退出")
      self.f.close()

这时候File类就是一个上下文管理器

我们分别通过 with语句 和 try/finally语句 使用File类对文件进行写入操作

通过with语句执行：

with File('file.txt', 'w') as f:
  print("正在写入...")
  f.write('Hello')

控制台输出：

进入
正在写入...
退出

并得到了一个写了 Hello 的 file.txt 文件

通过try/finally语句执行：

ContextManager = File('file.txt', 'w')
VAR = ContextManager .__enter__()
try:
  print("正在写入...")
  VAR.write('Hello')
finally:
  ContextManager.__exit__()

控制台输出：

进入
正在写入...
退出

并得到了一个写了 Hello 的 file.txt 文件

两者输出一致，所以验证了二中执行过程的等价关系是正确的。

contextmanager 装饰器

Python还提供了一个contextmanager装饰器，允许用户将一个生成器定义为上下文管理器，该装饰器将生成器中的代码通过yield语句分成两部分，yield之前的代码为__enter__方法，yield之后的代码为__exit__方法，yield的返回值即__enter__方法的返回值，用于赋给as后的变量。

下面我们通过contextmanager装饰器也实现一个关于文件的上下文管理器：

from contextlib import contextmanager

@contextmanager
def open_file(filename, mode):
  print('进入')
  f = open(filename, mode)
  try:
      yield f
  finally:
      print('退出')
      f.close()

说明：这里使用 try/finally 是确保yield的过程中就算出现异常，文件也能正常关闭，当然这里也能处理异常，使用 try/except/finally 即可。

通过with语句执行：

with open_file('file.txt', 'w') as f:
  print("正在写入...")
  f.write('Hello')

执行结果跟之前的上下文管理器执行结果一致，说明contextmanager装饰器也能定义一个上下文管理器。

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