2026-04-26Python

檔案 IO 與 with 語句#

讀寫檔案是程式最常見的需求之一。Python 用 open() 開啟檔案，但開啟後 一定要關閉 ——否則會佔用作業系統資源，緩衝區的資料也可能還沒寫進磁碟。with 語句是 Python 的語法糖，能保證檔案在離開區塊時自動關閉。

open() 基本用法#

open() 回傳一個檔案物件，使用完畢後 必須呼叫 close() 釋放資源：

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# 最基本的讀檔（先用傳統寫法示範，下一節就改成 with）
f = open("data.txt", "r", encoding="utf-8")
content = f.read()
f.close()
print(content)

try / finally → with 的演進動機#

上面那段程式有個隱藏的 bug：如果 f.read() 之後到 f.close() 之間任何地方拋出例外， close() 就永遠不會被執行。

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# 第一版：忘了關檔，bug！
f = open("data.txt", "r", encoding="utf-8")
content = f.read()
raise ValueError("處理時發生錯誤")  # 模擬中途出錯
f.close()                            # ← 永遠不會執行到，檔案沒被關閉

# 執行結果：
# Traceback (most recent call last):
#   File "demo.py", line 4, in <module>
#     raise ValueError("處理時發生錯誤")
# ValueError: 處理時發生錯誤
#
# ↑ 程式中斷在 raise，f.close() 那一行永遠跑不到
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# 第二版：用 try / finally 保證關閉
f = open("data.txt", "r", encoding="utf-8")
try:
    content = f.read()
    raise ValueError("處理時發生錯誤")  # 模擬中途出錯
finally:
    f.close()      # 不論 try 區塊是否拋例外，都會執行
# 例外仍會繼續向外拋，但 f 已被妥善關閉

這樣寫沒錯，但每次操作檔案、資料庫連線、鎖等資源時都得重複這個樣板。with 語句把「取得資源 → 使用 → 確保釋放 」這個常見模式內建到語法裡：

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# 第三版：with 自動處理 close
with open("data.txt", "r", encoding="utf-8") as f:
    content = f.read()
    raise ValueError("處理時發生錯誤")  # 模擬中途出錯
# 離開 with 區塊時，不論是否拋例外，f.close() 都會被呼叫
# 例外仍會繼續向外拋，但 f 已被妥善關閉——效果等同第二版，但程式碼更短

with 之所以能做到這件事，是因為 open() 回傳的檔案物件實作了 context manager 協定 ：進入 with 區塊時呼叫 __enter__() ，離開時（無論正常或例外）呼叫 __exit__() 。任何符合這個協定的物件都可以放進 with ——不只檔案，還有 threading.Lock 、資料庫連線、暫時切換工作目錄等。

從這裡開始，本章後續所有檔案範例都用 with 寫。

同時管理多個資源#

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# 一次 with，處理多個檔案
with open("input.txt", "r", encoding="utf-8") as src, \
     open("output.txt", "w", encoding="utf-8") as dst:
    for line in src:
        dst.write(line.upper())
# src 與 dst 都會被自動關閉

開啟模式#

模式說明檔案不存在時
"r"讀取（預設）拋出 FileNotFoundError
"w"寫入（會清空原內容）自動建立
"a"附加（append 到末尾）自動建立
"x"獨佔建立已存在則拋 FileExistsError
"b"二進位模式（搭配上述使用，如 "rb"、"wb"）—
"+"讀寫模式（搭配上述使用，如 "r+"、"w+"）—
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# 寫入：會把原內容清空
with open("output.txt", "w", encoding="utf-8") as f:
    f.write("第一行\n")
    f.write("第二行\n")

# 附加：保留原內容，加在最後
with open("output.txt", "a", encoding="utf-8") as f:
    f.write("第三行（附加）\n")

# 二進位模式：讀圖片、影片等非文字資料
with open("photo.jpg", "rb") as f:
    data = f.read()
    print(f"檔案大小：{len(data)} bytes")

encoding 編碼#

讀寫文字檔時， 永遠要明確指定 encoding 。不寫的話會用「平台預設編碼」——Windows 常為 cp950 / big5、Linux / macOS 為 utf-8——同一份程式換台機器跑就可能中文亂碼或拋 UnicodeDecodeError ：

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# 永遠這樣寫：明確指定 utf-8
with open("中文檔.txt", "w", encoding="utf-8") as f:
    f.write("你好，世界\n")

with open("中文檔.txt", "r", encoding="utf-8") as f:
    print(f.read())

二進位模式 "rb" / "wb" 不需要也不能指定 encoding ，因為讀寫的是原始 bytes。

讀檔的三種方式#

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# 方式 1：一次讀完整個檔案（小檔案適用）
with open("data.txt", "r", encoding="utf-8") as f:
    content = f.read()
    print(content)

# 方式 2：讀成串列，每行一個元素（含換行符號）
with open("data.txt", "r", encoding="utf-8") as f:
    lines = f.readlines()
    print(lines)  # ['第一行\n', '第二行\n', ...]

# 方式 3：逐行迭代（記憶體友善，大檔案優先選這個）
with open("data.txt", "r", encoding="utf-8") as f:
    for line in f:
        print(line.rstrip())  # rstrip() 去掉行尾的 \n

自訂 context manager#

如果想讓自己寫的物件也能用在 with 裡，有兩種做法。

寫法一：class 版（__enter__ / __exit__）#

實作這兩個方法，物件就成為 context manager。下面這個 Timer 在進入時記錄起始時間，離開時印出耗時：

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import time

class Timer:
    def __init__(self, label):
        self.label = label

    def __enter__(self):
        self.start = time.perf_counter()
        return self          # with ... as t 會把這個值綁到 t

    def __exit__(self, exc_type, exc_value, traceback):
        elapsed = time.perf_counter() - self.start
        print(f"[{self.label}] 耗時 {elapsed:.4f} 秒")
        # 回傳 False（或 None）：例外會繼續向外拋
        # 回傳 True：例外會被吞掉
        return False


with Timer("計算平方和"):
    total = sum(i * i for i in range(1_000_000))
print(f"總和：{total}")

__exit__ 的三個參數在 with 區塊 正常結束時都是 None ， 發生例外時帶入例外資訊 。下面示範一個資料庫風格的類別，無論查詢成功或失敗都關閉連線：

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class FakeDBConnection:
    def __init__(self, dsn):
        self.dsn = dsn

    def __enter__(self):
        print(f"連線到 {self.dsn}")
        return self

    def query(self, sql):
        print(f"執行：{sql}")
        if "DROP" in sql:
            raise RuntimeError("禁止 DROP 操作")

    def __exit__(self, exc_type, exc_value, traceback):
        print("關閉連線")
        if exc_type is not None:
            print(f"  區塊內發生例外：{exc_type.__name__}：{exc_value}")
        return False  # 例外照常向外拋


with FakeDBConnection("localhost:5432") as db:
    db.query("SELECT * FROM users")
    db.query("DROP TABLE users")  # 會拋例外，但連線仍會被關閉

寫法二：@contextlib.contextmanager 裝飾器版#

寫一整個 class 對於簡單情況有點過度。標準函式庫 contextlib 提供裝飾器，把 生成器函式 變成 context manager—— yield 之前是 __enter__ 、之後是 __exit__ ：

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from contextlib import contextmanager
import time

@contextmanager
def timer(label):
    start = time.perf_counter()
    try:
        yield                 # 控制權交給 with 區塊
    finally:
        elapsed = time.perf_counter() - start
        print(f"[{label}] 耗時 {elapsed:.4f} 秒")


with timer("計算平方和"):
    total = sum(i * i for i in range(1_000_000))

重點 ： yield 一定要包在 try / finally 裡，否則 with 區塊內若拋例外，會跳過釋放邏輯。

可以 yield 一個值出去，給 as 接：

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import os
from contextlib import contextmanager

@contextmanager
def change_dir(path):
    """暫時切換到指定目錄，離開時自動切回"""
    original = os.getcwd()
    os.chdir(path)
    try:
        yield path
    finally:
        os.chdir(original)


with change_dir("/tmp") as cwd:
    print(f"目前位於：{cwd}")
    # ... 在這裡操作 /tmp 下的檔案
print(f"已切回：{os.getcwd()}")

兩種寫法怎麼選？#

場景建議寫法
簡單的「進入 → 退出」配對邏輯@contextmanager
需要保留狀態、提供多個方法（像 db.query()）class 版
需要繼承、組合其他類別class 版
一次性、寫起來簡短直覺@contextmanager

實戰範例#

安全寫入：先寫暫存檔再改名#

避免寫到一半被中斷導致原檔損毀：

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import os

def safe_write(path, content):
    tmp = path + ".tmp"
    with open(tmp, "w", encoding="utf-8") as f:
        f.write(content)
    os.replace(tmp, path)  # 原子性替換

safe_write("config.json", '{"version": 2}')

抑制特定例外： contextlib.suppress#

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from contextlib import suppress
import os

# 不存在就算了，不要當掉
with suppress(FileNotFoundError):
    os.remove("maybe_not_there.tmp")

計算大檔案的行數（記憶體友善）#

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def count_lines(path):
    with open(path, "r", encoding="utf-8") as f:
        return sum(1 for _ in f)  # 逐行迭代，不一次載入

print(count_lines("huge.log"))

複製檔案（二進位模式）#

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def copy_file(src, dst, chunk_size=64 * 1024):
    with open(src, "rb") as fin, open(dst, "wb") as fout:
        while chunk := fin.read(chunk_size):
            fout.write(chunk)

copy_file("photo.jpg", "photo_backup.jpg")
Backward CH13: 例外處理 CH15: 模組與套件 Forward
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