Python输入与输出

2023-10-11 66

一、输出格式

到目前为止我们已遇到过两种写入值的方式:表达式语句和 print() 函数。 (第三种方式是使用文件对象的 write() 方法;标准输出文件可以被引用为 sys.stdout。

对输出格式的控制不只是打印空格分隔的值,还需要更多方式。格式化输出包括以下几种方法。

  • 使用格式化字符串字面值 ,要在字符串开头的引号/三引号前添加 f 或 F 。在这种字符串中,可以在 { 和 } 字符之间输入引用的变量,或字面值的 Python 表达式。
>>>year = 2016
>>>event = 'Referendum'
>>>f'Results of the {year} {event}'
'Results of the 2016 Referendum'
  • 字符串的 str.format() 方法需要更多手动操作。该方法也用 { 和 } 标记替换变量的位置,虽然这种方法支持详细的格式化指令,但需要提供格式化信息。
>>>yes_votes = 42_572_654
>>>no_votes = 43_132_495
>>>percentage = yes_votes / (yes_votes + no_votes)
>>>'{:-9} YES votes {:2.2%}'.format(yes_votes, percentage)
' 42572654 YES votes 49.67%'
  • 还可以用字符串切片和合并操作完成字符串处理操作,创建任何排版布局。字符串类型还支持将字符串按给定列宽进行填充,这些方法也很有用。

如果不需要花哨的输出,只想快速显示变量进行调试,可以用 repr() 或 str() 函数把值转化为字符串。

str() 函数返回供人阅读的值,repr() 则生成适于解释器读取的值(如果没有等效的语法,则强制执行 SyntaxError)。对于没有支持供人阅读展示结果的对象, str() 返回与 repr() 相同的值。一般情况下,数字、列表或字典等结构的值,使用这两个函数输出的表现形式是一样的。字符串有两种不同的表现形式。

示例如下:

>>>s = 'Hello, world.'
>>>str(s)
'Hello, world.'
>>>repr(s)
"'Hello, world.'"
>>>str(1/7)
'0.14285714285714285'
>>>x = 10 * 3.25
>>>y = 200 * 200
>>>s = 'The value of x is ' + repr(x) + ', and y is ' + repr(y) + '...'
>>>print(s)
The value of x is 32.5, and y is 40000...
>>># The repr() of a string adds string quotes and backslashes:
...hello = 'hello, world\n'
>>>hellos = repr(hello)
>>>print(hellos)
'hello, world\n'
>>># The argument to repr() may be any Python object:
...repr((x, y, ('spam', 'eggs')))
"(32.5, 40000, ('spam', 'eggs'))"

string 模块包含 Template 类,提供了将值替换为字符串的另一种方法。该类使用 $x 占位符,并用字典的值进行替换,但对格式控制的支持比较有限。

1、字符串字面值格式化

格式化字符串字面值 (简称为 f-字符串)在字符串前加前缀 f 或 F,通过 {expression} 表达式,把 Python 表达式的值添加到字符串内。格式说明符是可选的,写在表达式后面,可以更好地控制格式化值的方式。下例将 pi 舍入到小数点后三位:

>>>import math
>>>print(f'The value of pi is approximately {math.pi:.3f}.')
The value of pi is approximately 3.142.

在 ‘:’ 后传递整数,为该字段设置最小字符宽度,常用于列对齐:

>>>table = {'Sjoerd': 4127, 'Jack': 4098, 'Dcab': 7678}
>>>for name, phone in table.items():
... print(f'{name:10} ==> {phone:10d}')
...
Sjoerd ==> 4127
Jack ==> 4098
Dcab ==> 7678

还有一些修饰符可以在格式化前转换值。 ‘!a’ 应用 ascii() ,’!s’ 应用 str(),’!r’ 应用 repr():

>>>animals = 'eels'
>>>print(f'My hovercraft is full of {animals}.')
My hovercraft is full of eels.
>>>print(f'My hovercraft is full of {animals!r}.')
My hovercraft is full of 'eels'.

= 说明符可被用于将一个表达式扩展为表达式文本、等号再加表达式求值结果的形式。

>>>bugs = 'roaches'
>>>count = 13
>>>area = 'living room'
>>>print(f'Debugging {bugs=} {count=} {area=}')
Debugging bugs='roaches' count=13 area='living room'

2、字符串format()

str.format() 方法的基本用法如下所示:

>>>print('We are the {} who say "{}!"'.format('knights', 'Ni'))
We are the knights who say "Ni!"

花括号及之内的字符(称为格式字段)被替换为传递给 str.format() 方法的对象。花括号中的数字表示传递给 str.format() 方法的对象所在的位置。

>>>print('{0} and {1}'.format('spam', 'eggs'))
spam and eggs
>>>print('{1} and {0}'.format('spam', 'eggs'))
eggs and spam

str.format() 方法中使用关键字参数名引用值。

>>>print('This {food} is {adjective}.'.format(
... food='spam', adjective='absolutely horrible'))
This spam is absolutely horrible.

位置参数和关键字参数可以任意组合:

>>>print('The story of {0}, {1}, and {other}.'.format('Bill', 'Manfred',
... other='Georg'))
The story of Bill, Manfred, and Georg.

如果不想分拆较长的格式字符串,最好按名称引用变量进行格式化,不要按位置。这项操作可以通过传递字典,并用方括号 ‘[]’ 访问键来完成。

>>>table = {'Sjoerd': 4127, 'Jack': 4098, 'Dcab': 8637678}
>>>print('Jack: {0[Jack]:d}; Sjoerd: {0[Sjoerd]:d}; '
... 'Dcab: {0[Dcab]:d}'.format(table))
Jack: 4098; Sjoerd: 4127; Dcab: 8637678

这也可以通过将 table 字典作为采用 ** 标记的关键字参数传入来实现。

>>>table = {'Sjoerd': 4127, 'Jack': 4098, 'Dcab': 8637678}
>>>print('Jack: {Jack:d}; Sjoerd: {Sjoerd:d}; Dcab: {Dcab:d}'.format(**table))
...Jack: 4098; Sjoerd: 4127; Dcab: 8637678

与内置函数 vars() 结合使用时,这种方式非常实用,可以返回包含所有局部变量的字典。举个例子,以下几行代码将产生一组整齐的数据列,包含给定的整数及其平方与立方:

>>>for x in range(1, 11):
... print('{0:2d} {1:3d} {2:4d}'.format(x, x*x, x*x*x))
...
1 1 1
2 4 8
3 9 27
4 16 64
5 25 125
6 36 216
7 49 343
8 64 512
9 81 729
10 100 1000

3、手动格式化字符串

下面是使用手动格式化方式实现的同一个平方和立方的表:

>>>for x in range(1, 11):
... print(repr(x).rjust(2), repr(x*x).rjust(3), end=' ')
... # Note use of 'end' on previous line
... print(repr(x*x*x).rjust(4))
...
1 1 1
2 4 8
3 9 27
4 16 64
5 25 125
6 36 216
7 49 343
8 64 512
9 81 729
10 100 1000

注意:每列之间的空格是通过使用 print() 添加的:它总在其参数间添加空格。

字符串对象的 str.rjust() 方法通过在左侧填充空格,对给定宽度字段中的字符串进行右对齐。同类方法还有 str.ljust() 和 str.center() 。这些方法不写入任何内容,只返回一个新字符串,如果输入的字符串太长,它们不会截断字符串,而是原样返回;虽然这种方式会弄乱列布局,但也比另一种方法好,后者在显示值时可能不准确(如果真的想截断字符串,可以使用 x.ljust(n)[:n] 这样的切片操作 。)

另一种方法是 str.zfill() ,该方法在数字字符串左边填充零,且能识别正负号:

>>>'12'.zfill(5)
'00012'
>>>'-3.14'.zfill(7)
'-003.14'
>>>'3.14159265359'.zfill(5)
'3.14159265359'

4、旧式字符串格式化

% 运算符(求余符)也可用于字符串格式化。给定 ‘string’ % values,则 string 中的 % 实例会以零个或多个 values 元素替换。此操作被称为字符串插值。例如:

>>>import math
>>>print('The value of pi is approximately %5.3f.' % math.pi)
The value of pi is approximately 3.142.

二、读写文件

open() 返回一个 file object ,最常使用的是两个位置参数和一个关键字参数:open(filename, mode, encoding=None)

>>>f = open('workfile', 'w', encoding="utf-8")

第一个实参是文件名字符串。第二个实参是包含描述文件使用方式字符的字符串。mode 的值包括 ‘r’ ,表示文件只能读取;’w’ 表示只能写入(现有同名文件会被覆盖);’a’ 表示打开文件并追加内容,任何写入的数据会自动添加到文件末尾。’r+’ 表示打开文件进行读写。mode 实参是可选的,省略时的默认值为 ‘r’。

通常情况下,文件是以 text mode 打开的,也就是说,从文件中读写字符串,这些字符串是以特定的 encoding 编码的。如果没有指定 encoding ,默认的是与平台有关的(见 open() )。因为 UTF-8 是现代事实上的标准,除非知道需要使用一个不同的编码,否则建议使用 encoding=”utf-8″ 。在模式后面加上一个 ‘b’ ,可以用 binary mode 打开文件。二进制模式的数据是以 bytes 对象的形式读写的。在二进制模式下打开文件时,不能指定 encoding 。

在文本模式下读取文件时,默认把平台特定的行结束符(Unix 上为 \n, Windows 上为 \r\n)转换为 \n。在文本模式下写入数据时,默认把 \n 转换回平台特定结束符。这种操作方式在后台修改文件数据对文本文件来说没有问题,但会破坏 JPEG 或 EXE 等二进制文件中的数据。注意,在读写此类文件时,一定要使用二进制模式。

在处理文件对象时,最好使用 with 关键字。优点是,子句体结束后,文件会正确关闭,即便触发异常也可以。而且,使用 with 相比等效的 try-finally 代码块要简短得多:

>>>with open('workfile', encoding="utf-8") as f:
... read_data = f.read()
>>># We can check that the file has been automatically closed.
>>>f.closed
True

如果没有使用 with 关键字,则应调用 f.close() 关闭文件,即可释放文件占用的系统资源。

注意:调用 f.write() 时,未使用 with 关键字,或未调用 f.close(),即使程序正常退出,也**可能** 导致 f.write() 的参数没有完全写入磁盘。

通过 with 语句,或调用 f.close() 关闭文件对象后,再次使用该文件对象将会失败。

>>>f.close()
>>>f.read()
Traceback (most recent call last):
File "<stdin>", line 1, in <module>
ValueError: I/O operation on closed file.

1、文件对象

以下示例已创建 f 文件对象。

f.read(size) 可用于读取文件内容,它会读取一些数据,并返回字符串(文本模式),或字节串对象(在二进制模式下)。 size 是可选的数值参数。省略 size 或 size 为负数时,读取并返回整个文件的内容;文件大小是内存的两倍时,会出现问题。size 取其他值时,读取并返回最多 size 个字符(文本模式)或 size 个字节(二进制模式)。如已到达文件末尾,f.read() 返回空字符串(”)。

>>f.read()
'This is the entire file.\n'
>>>f.read()
''

f.readline() 从文件中读取单行数据;字符串末尾保留换行符(\n),只有在文件不以换行符结尾时,文件的最后一行才会省略换行符。这种方式让返回值清晰明确;只要 f.readline() 返回空字符串,就表示已经到达了文件末尾,空行使用 ‘\n’ 表示,该字符串只包含一个换行符。

>>f.readline()
'This is the first line of the file.\n'
>>>f.readline()
'Second line of the file\n'
>>>f.readline()
''

从文件中读取多行时,可以用循环遍历整个文件对象。这种操作能高效利用内存,快速,且代码简单:

>>>for line in f:
... print(line, end='')
...
This is the first line of the file.
Second line of the file

如需以列表形式读取文件中的所有行,可以用 list(f) 或 f.readlines()。

f.write(string) 把 string 的内容写入文件,并返回写入的字符数。

>>>f.write('This is a test\n')
15

写入其他类型的对象前,要先把它们转化为字符串(文本模式)或字节对象(二进制模式):

>>>value = ('the answer', 42)
>>>s = str(value) # convert the tuple to string
>>>f.write(s)
18

f.tell() 返回整数,给出文件对象在文件中的当前位置,表示为二进制模式下时从文件开始的字节数,以及文本模式下的意义不明的数字。

f.seek(offset, whence) 可以改变文件对象的位置。通过向参考点添加 offset 计算位置;参考点由 whence 参数指定。 whence 值为 0 时,表示从文件开头计算,1 表示使用当前文件位置,2 表示使用文件末尾作为参考点。省略 whence 时,其默认值为 0,即使用文件开头作为参考点。

>>>f = open('workfile', 'rb+')
>>>f.write(b'0123456789abcdef')
16
>>>f.seek(5) # Go to the 6th byte in the file
5
>>>f.read(1)
b'5'
>>>f.seek(-3, 2) # Go to the 3rd byte before the end
13
>>>f.read(1)
b'd'

在文本文件(模式字符串未使用 b 时打开的文件)中,只允许相对于文件开头搜索(使用 seek(0, 2) 搜索到文件末尾是个例外),唯一有效的 offset 值是能从 f.tell() 中返回的,或 0。其他 offset 值都会产生未定义的行为。

2、保存结构化数据

字符串可以很容易地写入文件或从文件中读取。 数字则更麻烦一些,因为 read() 方法只返回字符串,而字符串必须传给 int() 这样的函数,它接受 ‘123’ 这样的字符串并返回其数值 123。 当想要保存嵌套列表和字典等更复杂的数据类型时,手动执行解析和序列化操作将会变得非常复杂。

Python 允许使用流行的数据交换格式 JSON (JavaScript Object Notation),而不是让用户持续编写和调试代码来将复杂的数据类型存入文件中。 标准库模块 json 可以接受带有层级结构的 Python 数据,并将其转换为字符串表示形式;这个过程称为 serializing。 根据字符串表示形式重建数据则称为 deserializing。 在序列化和反序列化之间,用于代表对象的字符串可以存储在文件或数据库中,或者通过网络连接发送到远端主机。

只需一行简单的代码即可查看某个对象的 JSON 字符串表现形式:

>>>import json
>>>x = [1, 'simple', 'list']
>>>json.dumps(x)
'[1, "simple", "list"]'

dumps() 函数还有一个变体, dump() ,它只将对象序列化为 text file 。因此,如果 f 是 text file 对象,可以这样做:

json.dump(x, f)

要再次解码对象,如果 f 是已打开、供读取的 binary file 或 text file 对象:

x = json.load(f)
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