Python进阶-day15: 上下文管理器（上下文容器）
学习目标
- 理解上下文管理器和 with 语句：
- 掌握 with 语句的语法和用途，理解其在资源管理中的作用。
- 实现自定义上下文管理器：
- 学会通过类（__enter__ 和 __exit__ 方法）和 contextlib 模块创建上下文管理器。
- 熟悉 contextlib 模块：
- 使用 @contextmanager 装饰器简化上下文管理器实现。
- 处理异常和资源管理：
- 理解上下文管理器如何确保资源正确释放，即使发生异常。
- 实践文件操作上下文管理器：
- 实现一个自定义文件操作的上下文管理器，应用于实际场景。
概念解释
- 上下文管理器：
- 上下文管理器是一个支持 __enter__ 和 __exit__ 方法的对象，用于管理资源（如文件、数据库连接、锁等）的分配和释放。
- 常见用途：确保资源在使用后正确清理，例如关闭文件或释放锁。
- with 语句：
- Python 的 with 语句用于简化资源管理，自动调用上下文管理器的 __enter__ 和 __exit__ 方法。
- 语法：with 上下文管理器 as 变量: 代码块
- 优点：代码简洁，异常安全，自动清理资源。
- contextlib 模块：
- Python 标准库中的模块，提供工具简化上下文管理器创建。
- @contextmanager 装饰器允许用生成器函数定义上下文管理器，减少样板代码。
- enter 和 exit 方法：
- __enter__：在进入 with 语句时调用，返回供代码块使用的对象（如文件对象）。
- __exit__：在退出 with 语句时调用，处理清理工作（如关闭文件），可处理异常。
- 异常处理：
- 上下文管理器的 __exit__ 方法接收异常信息（类型、值、追溯），可选择抑制异常（返回 True）或让异常抛出（返回 False）。
代码示例及用法
以下代码展示 with 语句、自定义上下文管理器（基于类和 contextlib）、以及异常处理的实现，附带详细注释。
python
# Day 15: 上下文管理器学习课程
# 主题：with 语句、contextlib 模块、自定义文件操作上下文管理器
# 1. 基础：使用 with 语句操作文件
def basic_with_statement():
# with 语句自动管理文件资源，无需手动调用 close()
with open('example.txt', 'w') as f:
f.write('Hello, Context Manager!')
print("文件已写入并自动关闭")
# 2. 自定义上下文管理器（基于类）
class FileManager:
def __init__(self, filename, mode):
self.filename = filename
self.mode = mode
self.file = None
def __enter__(self):
# 进入 with 语句时调用，打开文件并返回文件对象
print(f"打开文件: {self.filename}")
self.file = open(self.filename, self.mode)
return self.file
def __exit__(self, exc_type, exc_val, exc_tb):
# 退出 with 语句时调用，关闭文件
if self.file:
self.file.close()
print(f"关闭文件: {self.filename}")
# 返回 False，不抑制异常（如有异常会抛出）
return False
# 3. 使用 contextlib 模块简化上下文管理器
from contextlib import contextmanager
@contextmanager
def file_manager(filename, mode):
# 使用 @contextmanager 装饰器，简化上下文管理器实现
print(f"打开文件: {filename}")
file = open(filename, mode)
try:
# yield 之前相当于 __enter__，返回文件对象
yield file
finally:
# yield 之后相当于 __exit__，确保文件关闭
file.close()
print(f"关闭文件: {filename}")
# 4. 异常处理示例
def test_exception_handling():
# 测试上下文管理器在异常情况下的行为
try:
with FileManager('test_error.txt', 'w') as f:
f.write('尝试写入文件')
# 模拟一个异常
raise ValueError("模拟一个错误")
except ValueError as e:
print(f"捕获到异常: {e}")
# 5. 测试所有功能
def main():
print("=== Day 15: 上下文管理器学习 ===")
# 测试基础 with 语句
print("\n1. 基础 with 语句示例:")
basic_with_statement()
# 测试基于类的上下文管理器
print("\n2. 基于类的 FileManager 测试:")
with FileManager('test_class.txt', 'w') as f:
f.write('这是基于类的上下文管理器测试')
# 测试基于 contextlib 的上下文管理器
print("\n3. 基于 contextlib 的 file_manager 测试:")
with file_manager('test_contextlib.txt', 'w') as f:
f.write('这是基于 contextlib 的上下文管理器测试')
# 测试异常处理
print("\n4. 异常处理测试:")
test_exception_handling()
# 主程序入口
if __name__ == "__main__":
main()运行结果（示例输出）
=== Day 15: 上下文管理器学习 ===
1. 基础 with 语句示例:
文件已写入并自动关闭
2. 基于类的 FileManager 测试:
打开文件: test_class.txt
关闭文件: test_class.txt
3. 基于 contextlib 的 file_manager 测试:
打开文件: test_contextlib.txt
关闭文件: test_contextlib.txt
4. 异常处理测试:
打开文件: test_error.txt
关闭文件: test_error.txt
捕获到异常: 模拟一个错误代码解析
- 基础 with 语句：
- 使用内置的 open() 函数作为上下文管理器，写入文件并自动关闭。
- 展示 with 语句的基本用法。
- 基于类的上下文管理器：
- FileManager 类通过 __enter__ 打开文件，__exit__ 关闭文件。
- 返回文件对象供 with 语句使用，打印日志以观察执行流程。
- 基于 contextlib 的上下文管理器：
- 使用 @contextmanager 装饰器，通过 yield 分隔进入和退出逻辑。
- 实现与 FileManager 相同的功能，但代码更简洁。
- 异常处理：
- 模拟异常，验证上下文管理器在异常发生时仍能正确关闭文件。
- 使用 try-except 捕获异常，展示异常处理流程。
- 文件输出：
- 生成 example.txt、test_class.txt、test_contextlib.txt 和 test_error.txt，分别存储对应内容。
使用场景说明
上下文管理器广泛应用于需要管理资源或状态的场景，以下是典型应用场景：
- 文件操作：
场景：读写文件时确保文件正确关闭，避免资源泄漏。
示例：批量处理日志文件，写入数据后自动关闭。
代码中的 FileManager 和 file_manager 即为此场景设计。
- 数据库连接：
场景：连接数据库执行查询后，自动关闭连接或回滚事务。
示例：使用上下文管理器封装数据库会话，确保提交或回滚事务。
类似代码：
@contextmanager
def database_connection():
conn = connect_db()
try:
yield conn
finally:
conn.close()- 线程锁和同步：
场景：多线程编程中管理锁的获取和释放，避免死锁。
示例：保护共享资源（如计数器）访问。
示例代码：
from threading import Lock
lock = Lock()
with lock:
# 访问共享资源
counter += 1- 计时和性能分析：
场景：测量代码块的执行时间，用于性能优化。
示例：记录机器学习模型训练时间。
示例代码：
@contextmanager
def timer(description):
start = time.time()
yield
elapsed = time.time() - start
print(f"{description}: {elapsed:.2f} 秒")- 临时状态管理：
场景：临时更改环境变量或配置，完成后恢复。
示例：测试代码时临时修改日志级别。
示例代码：
@contextmanager
def temp_log_level(level):
old_level = logger.level
logger.setLevel(level)
try:
yield
finally:
logger.setLevel(old_level)- 网络连接：
- 场景：管理 socket 或 HTTP 连接，确保使用后正确关闭。
- 示例：爬虫程序中管理 HTTP 客户端连接。
总结
- 学习成果：通过 with 语句、类实现、和 contextlib 模块，掌握了上下文管理器的核心机制，并实现了一个文件操作上下文管理器。
- 关键点：上下文管理器简化资源管理，异常安全，适合文件、数据库、锁等场景。
- 扩展练习：
- 为 FileManager 添加编码支持（如 encoding='utf-8'）。
- 实现一个计时上下文管理器，记录代码执行时间。
- 尝试在 __exit__ 中处理特定异常（如 IOError）并抑制。
如果需要进一步讲解某个场景、扩展代码功能，或调试代码，请告诉我！