python黑魔法---上下文管理器(contextor)

所谓上下文

计算机上下文(Context)对于我而言,一直是一个很抽象的名词。就像形而上一样,经常听见有人说,但是无法和现实认知世界相结合。

最直观的上下文,莫过于小学的语文课,经常会问联系上下文,推测...,回答...,表明作者...。文章里的上下文比较好懂,无非就是

直到了解了计算机的执行状态,程式的运行,才稍微对计算机的上下文(context)有了一定的认识,多半还是只可意会,不可言传。本文所讨论的上下文,简而言之,就是程式所执行的环境状态,或者说程式运行的情景。

关于上下文的定义,我就不在多言,具体通过程式来理解。既然提及上下文,就不可避免的涉及Python中关于上下文的魔法,即上下文管理器(contextor)。

资源的创建和释放场景

上下文管理器的常用于一些资源的操作,需要在资源的获取与释放相关的操作,一个典型的例子就是数据库的连接,查询,关闭处理。先看如下一个例子:

上述的代码很简单,针对Database这个数据库类,提供了connect queryclose 三种常见的db交互接口。客户端的代码中,需要查询数据库并处理查询结果。当然这个操作之前,需要连接数据库(db.connect())和操作之后关闭数据库连接( db.close())。上述的代码可以work,可是如果很多地方有类似handle_query的逻辑,连接和关闭这样的代码就得copy很多遍,显然不是一个优雅的设计。

对于这样的场景,在python黑魔法—装饰器中有讨论如何优雅的处理。下面使用装饰器进行改写如下:

编写一个dbconn的装饰器,然后在针对handle_query进行装饰即可。使用装饰器,复用了很多数据库连接和释放的代码逻辑,看起来不错。

装饰器解放了生产力。可是,每个装饰器都需要事先定义一下db的资源句柄,看起来略丑,不够优雅。

优雅的With as语句

Python提供了With语句语法,来构建对资源创建与释放的语法糖。给Database添加两个魔法方法:

然后修改handle_query函数如下:

在Database类实例的时候,使用with语句。一切正常work。比起装饰器的版本,虽然多写了一些字符,但是代码可读性变强了。

上下文管理协议

前面初略的提及了上下文,那什么又是上下文管理器呢?与python黑魔法—迭代器类似,实现了迭代协议的函数/对象即为迭代器。实现了上下文协议的函数/对象即为上下文管理器。

迭代器协议是实现了__iter__方法。上下文管理协议则是__enter____exit__。对于如下代码结构:

Contextor 实现了__enter____exit__这两个上下文管理器协议,当Contextor调用/实例化的时候,则创建了上下文管理器contextor。类似于实现迭代器协议类调用生成迭代器一样。

配合with语句使用的时候,上下文管理器会自动调用__enter__方法,然后进入运行时上下文环境,如果有as 从句,返回自身或另一个与运行时上下文相关的对象,值赋值给var。当with_body执行完毕退出with语句块或者with_body代码块出现异常,则会自动执行__exit__方法,并且会把对于的异常参数传递进来。如果__exit__函数返回True。则with语句代码块不会显示的抛出异常,终止程序,如果返回None或者False,异常会被主动raise,并终止程序。

大致对with语句的执行原理总结Python上下文管理器与with语句:

  1. 执行 contextor 以获取上下文管理器
  2. 加载上下文管理器的 exit() 方法以备稍后调用
  3. 调用上下文管理器的 enter() 方法
  4. 如果有 as var 从句,则将 enter() 方法的返回值赋给 var
  5. 执行子代码块 with_body
  6. 调用上下文管理器的 exit() 方法,如果 with_body 的退出是由异常引发的,那么该异常的 type、value 和 traceback 会作为参数传给 exit(),否则传三个 None
  7. 如果 with_body 的退出由异常引发,并且 exit() 的返回值等于 False,那么这个异常将被重新引发一次;如果 exit() 的返回值等于 True,那么这个异常就被无视掉,继续执行后面的代码

了解了with语句和上下文管理协议,或许对上下文有了一个更清晰的认识。即代码或函数执行的时候,调用函数时候有一个环境,在不同的环境调用,有时候效果就不一样,这些不同的环境就是上下文。例如数据库连接之后创建了一个数据库交互的上下文,进入这个上下文,就能使用连接进行查询,执行完毕关闭连接退出交互环境。创建连接和释放连接都需要有一个共同的调用环境。不同的上下文,通常见于异步的代码中。

上下文管理器工具

通过实现上下文协议定义创建上下文管理器很方便,Python为了更优雅,还专门提供了一个模块用于实现更函数式的上下文管理器用法。

使用contextlib 定义一个上下文管理器函数,通过with语句,database调用生成一个上下文管理器,然后调用函数隐式的__enter__方法,并将结果通yield返回。最后退出上下文环境的时候,在excepit代码块中执行了__exit__方法。当然我们可以手动模拟上述代码的执行的细节。

上下文管理器的用法

既然了解了上下文协议和管理器,当然是运用到实践啦。通常需要切换上下文环境,往往是在多线程/进程这种编程模型。当然,单线程异步或者协程的当时,也容易出现函数的上下文环境经常变动。

异步式的代码经常在定义和运行时存在不同的上下文环境。此时就需要针对异步代码做上下文包裹的hack。看下面一个例子:

主函数中main中,定义了异步任务函数async_task的调用。async_task中异常,在except中很容易catch,可是callback中出现的异常,则无法捕捉。原因就是定义的时候上下文为当前的线程执行环境,而使用了tornado的ioloop.add_callback方法,注册了一个异步的调用。当callback异步执行的时候,他的上下文已经和async_task的上下文不一样了。因此在main的上下文,无法catch异步中callback的异常。

下面使用上下文管理器包装如下:

可见,callback的函数的异常,在上下文管理器Contextor中被处理了,也就是说callback调用的时候,把之前main的上下文保存并传递给了callback。当然,上述的代码也可以改写如下:

效果类似。当然,也许有人会对StackContext这个tornado的模块感到迷惑。其实他恰恰应用上下文管理器的魔法的典范。查看StackContext的源码,实现非常精秒,非常佩服tornado作者的编码设计能力。至于StackContext究竟如何神秘,已经超出了本篇的范围,将会在介绍tonrado异步上下文管理器中介绍

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