浅谈 Python 的 with 语句

引言

with 语句是从 Python 2.5 开始引入的一种与异常处理相关的功能(2.5 版本中要通过 from __future__ import with_statement 导入后才可以使用),从 2.6 版本开始缺省可用(参考 What’s new in Python 2.6?中 with 语句相关部分介绍)。with 语句适用于对资源进行访问的场合,确保不管使用过程中是否发生异常都会执行必要的“清理”操作,释放资源,比如文件使用后自动关闭、线程中锁的自动获取和释放等。

 

术语

要使用 with 语句,首先要明白上下文管理器这一概念。有了上下文管理器,with 语句才能工作。

下面是一组与上下文管理器和with 语句有关的概念。

上下文管理协议(Context Management Protocol):包含方法 __enter__() 和 __exit__(),支持

该协议的对象要实现这两个方法。

上下文管理器(Context Manager):支持上下文管理协议的对象,这种对象实现了

__enter__() 和 __exit__() 方法。上下文管理器定义执行 with 语句时要建立的运行时上下文,

负责执行 with 语句块上下文中的进入与退出操作。通常使用 with 语句调用上下文管理器,

也可以通过直接调用其方法来使用。

运行时上下文(runtime context):由上下文管理器创建,通过上下文管理器的 __enter__() 和

__exit__() 方法实现,__enter__() 方法在语句体执行之前进入运行时上下文,__exit__() 在

语句体执行完后从运行时上下文退出。with 语句支持运行时上下文这一概念。

上下文表达式(Context Expression):with 语句中跟在关键字 with 之后的表达式,该表达式

要返回一个上下文管理器对象。

语句体(with-body):with 语句包裹起来的代码块,在执行语句体之前会调用上下文管

理器的 __enter__() 方法,执行完语句体之后会执行 __exit__() 方法。

基本语法和工作原理

with 语句的语法格式如下:

清单 1. with 语句的语法格式

这里 context_expression 要返回一个上下文管理器对象,该对象并不赋值给 as 子句中的 target(s) ,如果指定了 as 子句的话,会将上下文管理器的 __enter__() 方法的返回值赋值给 target(s)。target(s) 可以是单个变量,或者由“()”括起来的元组(不能是仅仅由“,”分隔的变量列表,必须加“()”)。

Python 对一些内建对象进行改进,加入了对上下文管理器的支持,可以用于 with 语句中,比如可以自动关闭文件、线程锁的自动获取和释放等。假设要对一个文件进行操作,使用 with 语句可以有如下代码:

清单 2. 使用 with 语句操作文件对象

这里使用了 with 语句,不管在处理文件过程中是否发生异常,都能保证 with 语句执行完毕后已经关闭了打开的文件句柄。如果使用传统的 try/finally 范式,则要使用类似如下代码:

清单 3. try/finally 方式操作文件对象

比较起来,使用 with 语句可以减少编码量。已经加入对上下文管理协议支持的还有模块 threading、decimal 等。

PEP 0343 对 with 语句的实现进行了描述。with 语句的执行过程类似如下代码块:

清单 4. with 语句执行过程

  1. 执行 context_expression,生成上下文管理器 context_manager
  2. 调用上下文管理器的 __enter__() 方法;如果使用了 as 子句,则将 __enter__() 方法的返回值赋值给 as 子句中的 target(s)
  3. 执行语句体 with-body
  4. 不管是否执行过程中是否发生了异常,执行上下文管理器的 __exit__() 方法,__exit__() 方法负责执行“清理”工作,如释放资源等。如果执行过程中没有出现异常,或者语句体中执行了语句 break/continue/return,则以 None 作为参数调用 __exit__(None, None, None) ;如果执行过程中出现异常,则使用 sys.exc_info 得到的异常信息为参数调用 __exit__(exc_type, exc_value, exc_traceback)
  5. 出现异常时,如果 __exit__(type, value, traceback) 返回 False,则会重新抛出异常,让with 之外的语句逻辑来处理异常,这也是通用做法;如果返回 True,则忽略异常,不再对异常进行处理

自定义上下文管理器

开发人员可以自定义支持上下文管理协议的类。自定义的上下文管理器要实现上下文管理协议所需要的 __enter__() 和 __exit__() 两个方法:

  • context_manager.__enter__() :进入上下文管理器的运行时上下文,在语句体执行前调用。with 语句将该方法的返回值赋值给 as 子句中的 target,如果指定了 as 子句的话
  • context_manager.__exit__(exc_type, exc_value, exc_traceback) :退出与上下文管理器相关的运行时上下文,返回一个布尔值表示是否对发生的异常进行处理。参数表示引起退出操作的异常,如果退出时没有发生异常,则3个参数都为None。如果发生异常,返回True 表示不处理异常,否则会在退出该方法后重新抛出异常以由 with 语句之外的代码逻辑进行处理。如果该方法内部产生异常,则会取代由 statement-body 中语句产生的异常。要处理异常时,不要显示重新抛出异常,即不能重新抛出通过参数传递进来的异常,只需要将返回值设置为 False 就可以了。之后,上下文管理代码会检测是否 __exit__() 失败来处理异常

下面通过一个简单的示例来演示如何构建自定义的上下文管理器。注意,上下文管理器必须同时提供 __enter__() 和 __exit__() 方法的定义,缺少任何一个都会导致 AttributeError;with 语句会先检查是否提供了 __exit__() 方法,然后检查是否定义了 __enter__() 方法。

假设有一个资源 DummyResource,这种资源需要在访问前先分配,使用完后再释放掉;分配操作可以放到 __enter__() 方法中,释放操作可以放到 __exit__() 方法中。简单起见,这里只通过打印语句来表明当前的操作,并没有实际的资源分配与释放。

清单 5. 自定义支持 with 语句的对象

DummyResource 中的 __enter__() 返回的是自身的引用,这个引用可以赋值给 as 子句中的 target 变量;返回值的类型可以根据实际需要设置为不同的类型,不必是上下文管理器对象本身。

__exit__() 方法中对变量 exc_tb 进行检测,如果不为 None,表示发生了异常,返回 False 表示需要由外部代码逻辑对异常进行处理;注意到如果没有发生异常,缺省的返回值为 None,在布尔环境中也是被看做 False,但是由于没有异常发生,__exit__() 的三个参数都为 None,上下文管理代码可以检测这种情况,做正常处理。

下面在 with 语句中访问 DummyResource :

清单 6. 使用自定义的支持 with 语句的对象

第1个 with 语句的执行结果如下:

清单 7. with 语句1执行结果

可以看到,正常执行时会先执行完语句体 with-body,然后执行 __exit__() 方法释放资源。

第2个 with 语句的执行结果如下:

清单 8. with 语句2执行结果

可以看到,with-body 中发生异常时with-body 并没有执行完,但资源会保证被释放掉,同时产生的异常由 with 语句之外的代码逻辑来捕获处理。

可以自定义上下文管理器来对软件系统中的资源进行管理,比如数据库连接、共享资源的访问控制等。Python 在线文档 Writing Context Managers 提供了一个针对数据库连接进行管理的上下文管理器的简单范例。

 

contextlib 模块

contextlib 模块提供了3个对象:装饰器 contextmanager、函数 nested 和上下文管理器 closing。使用这些对象,可以对已有的生成器函数或者对象进行包装,加入对上下文管理协议的支持,避免了专门编写上下文管理器来支持 with 语句。

 

装饰器 contextmanager

contextmanager 用于对生成器函数进行装饰,生成器函数被装饰以后,返回的是一个上下文管理器,其 __enter__() 和 __exit__() 方法由 contextmanager 负责提供,而不再是之前的迭代子。被装饰的生成器函数只能产生一个值,否则会导致异常 RuntimeError;产生的值会赋值给 as 子句中的 target,如果使用了 as 子句的话。下面看一个简单的例子。

清单 9. 装饰器 contextmanager 使用示例

结果输出如下:

清单 10. contextmanager 使用示例执行结果

可以看到,生成器函数中 yield 之前的语句在 __enter__() 方法中执行,yield 之后的语句在 __exit__() 中执行,而 yield 产生的值赋给了 as 子句中的 value 变量。

需要注意的是,contextmanager 只是省略了 __enter__() / __exit__() 的编写,但并不负责实现资源的“获取”和“清理”工作;“获取”操作需要定义在 yield 语句之前,“清理”操作需要定义 yield 语句之后,这样 with 语句在执行 __enter__() / __exit__() 方法时会执行这些语句以获取/释放资源,即生成器函数中需要实现必要的逻辑控制,包括资源访问出现错误时抛出适当的异常。

函数 nested

nested 可以将多个上下文管理器组织在一起,避免使用嵌套 with 语句。

清单 11. nested 语法

类似于:

清单 12. nested 执行过程

需要注意的是,发生异常后,如果某个上下文管理器的 __exit__() 方法对异常处理返回 False,则更外层的上下文管理器不会监测到异常。

上下文管理器 closing

closing 的实现如下:

清单 13. 上下文管理 closing 实现

上下文管理器会将包装的对象赋值给 as 子句的 target 变量,同时保证打开的对象在 with-body 执行完后会关闭掉。closing 上下文管理器包装起来的对象必须提供 close() 方法的定义,否则执行时会报 AttributeError 错误。

清单 14. 自定义支持 closing 的对象

结果输出如下:

清单 15. 自定义 closing 对象的输出结果

closing 适用于提供了 close() 实现的对象,比如网络连接、数据库连接等,也可以在自定义类时通过接口 close() 来执行所需要的资源“清理”工作。

 

小结

本文对 with 语句的语法和工作机理进行了介绍,并通过示例介绍了如何实现自定义的上下文管理器,最后介绍了如何使用 contextlib 模块来简化上下文管理器的编写。

 

参考资料

学习

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