06 文件、异常处理与JSON

文件输入输出（File IO）

文件输入输出（File IO）是指程序与外部存储设备（如硬盘、SSD等）之间进行数据交换的过程。在Python中，文件IO操作使得程序能够读取、写入和修改文件内容，从而实现数据的持久化存储和管理。

文件是什么

文件是用于存储数据的基本单位，可以是文本文件、二进制文件、图片、音频、视频等各种类型。文件通常由文件名和扩展名组成，用于标识文件的类型和内容。例如：

document.txt：文本文件
image.jpg：JPEG图片文件
data.json：JSON数据文件

文件的基本特性：

持久性：文件存储在磁盘上，数据在程序运行结束后依然存在。
有序性：文件中的数据是有序排列的，可以按顺序读取。
随机访问：可以在文件的任意位置读取或写入数据。

文件路径

文件路径用于定位文件在文件系统中的位置。文件路径分为绝对路径和相对路径。

绝对路径：从根目录开始，完整描述文件的位置。例如：
Windows: C:\Users\Username\Documents\file.txt
Unix/Linux: /home/username/documents/file.txt
相对路径：相对于当前工作目录的位置。例如，如果当前工作目录是/home/username/，相对路径documents/file.txt指向/home/username/documents/file.txt。

路径分隔符：

Windows 使用反斜杠 \ 作为路径分隔符。
Unix/Linux 和 macOS 使用正斜杠 / 作为路径分隔符。

跨平台路径处理：

为了编写跨平台的代码，可以使用Python的os模块中的os.path子模块或pathlib模块来处理路径。

import os

# 使用os.path拼接路径
file_path = os.path.join("documents", "file.txt")
print(file_path)  # 在Unix/Linux: documents/file.txt, 在Windows: documents\file.txt

Python 的文件操作

Python提供了丰富的内置函数和模块来处理文件操作，主要通过open()函数来打开文件，并进行读写操作。

写入文件

写入文件是指将数据写入到文件中。Python中使用open()函数以特定模式打开文件，然后使用文件对象的write()或writelines()方法进行写入。

常用的文件打开模式：

'r'：读取模式（默认）
'w'：写入模式，覆盖文件内容
'b'：二进制模式

示例：写入文本文件

# 以写入模式打开文件，如果文件不存在则创建
with open('output.txt', 'w', encoding='utf-8') as file:
    file.write("Hello, World!\n")
    file.write("这是一个示例文件。\n")

示例：写入多行内容

lines = ["第一行\n", "第二行\n", "第三行\n"]
with open('output.txt', 'w', encoding='utf-8') as file:
    file.writelines(lines)

上下文管理器（`with`语句）

在进行文件操作时，确保文件在使用完毕后正确关闭是非常重要的。使用with语句可以简化文件操作，并自动管理文件的打开和关闭，避免资源泄漏。

示例：使用with语句读取文件

# 使用with语句读取文件内容
with open('output.txt', 'r', encoding='utf-8') as file:
    content = file.read()
    print(content)

示例：使用with语句写入文件

# 使用with语句写入文件
with open('output.txt', 'w', encoding='utf-8') as file:
    file.write("使用with语句写入内容。\n")

优点：

自动关闭文件，无需手动调用file.close()
更简洁、易读的代码
避免因异常导致文件未关闭的问题

异常处理

在编程过程中，程序可能会遇到各种错误和异常情况，如文件不存在、用户输入错误、网络连接失败等。异常处理机制使得程序能够优雅地应对这些问题，防止程序崩溃，并提供有意义的反馈。

什么是异常？

异常是程序在运行过程中发生的错误事件。当Python解释器检测到错误时，会生成一个异常对象，并中断当前的执行流程，除非该异常被捕获并处理。

常见的异常类型：

SyntaxError：语法错误
TypeError：类型错误
ValueError：值错误
FileNotFoundError：文件未找到错误
ZeroDivisionError：除以零错误
IndexError：索引超出范围错误

示例：触发异常

# 除以零错误
result = 10 / 0  # ZeroDivisionError

异常和异常处理的重要性

异常处理的重要性体现在以下几个方面：

提高程序的健壮性：通过捕获和处理异常，程序可以在遇到错误时继续运行，而不是突然崩溃。
提供用户友好的反馈：可以向用户提供明确的错误信息，帮助他们理解问题所在。
便于调试和维护：合理的异常处理可以帮助开发者快速定位和修复问题。
资源管理：确保在出现异常时，资源（如文件、网络连接）能够被正确释放，避免资源泄漏。

如何处理？

Python使用try-except语句来处理异常。基本结构如下：

try:
    # 可能会引发异常的代码块
    risky_operation()
except SpecificException as e:
    # 处理特定异常
    handle_exception(e)
except AnotherException as e:
    # 处理另一个特定异常
    handle_another_exception(e)
except Exception as e:
    # 处理所有其他异常
    handle_generic_exception(e)
else:
    # 如果try块没有引发异常，则执行else块
    execute_if_no_exception()
finally:
    # 无论是否引发异常，都会执行finally块
    cleanup_operations()

关键部分解释：

try块：包含可能引发异常的代码。
except块：定义如何处理特定的异常。
else块：当try块没有引发任何异常时执行。
finally块：无论是否发生异常，都会执行的代码，通常用于资源清理。

示例：捕获文件未找到异常

try:
    with open('nonexistent_file.txt', 'r', encoding='utf-8') as file:
        content = file.read()
except FileNotFoundError as e:
    print(f"错误: {e}")
else:
    print("文件读取成功。")
finally:
    print("文件操作结束。")

输出：

错误: [Errno 2] No such file or directory: 'nonexistent_file.txt'
文件操作结束。

示例：捕获用户输入错误

try:
    age = int(input("请输入你的年龄: "))
    print(f"你的年龄是 {age} 岁。")
except ValueError:
    print("输入无效，请输入一个整数。")

使用多个except块处理不同异常

try:
    value = int(input("请输入一个整数: "))
    result = 10 / value
except ValueError:
    print("输入无效，请输入一个整数。")
except ZeroDivisionError:
    print("错误：除数不能为零。")
except Exception as e:
    print(f"发生未知错误: {e}")
else:
    print(f"结果是 {result}")
finally:
    print("程序结束。")

JSON

JSON简介

JSON（JavaScript Object Notation）是一种轻量级的数据交换格式，易于人阅读和编写，同时也易于机器解析和生成。它基于JavaScript的对象表示法，但独立于语言，广泛应用于Web开发、API通信、配置文件等场景。

JSON的基本结构：

对象：由花括号 {} 包围，包含键值对。例如：
```
{
    "name": "Alice",
    "age": 30
}
```
数组：由方括号 [] 包围，包含有序的值。例如：
```
["apple", "banana", "cherry"]
```

JSON支持的数据类型：

字符串（String）
数字（Number）
对象（Object）
数组（Array）
布尔值（Boolean）
空值（null）

概念与用途

概念：

JSON以键值对的形式存储和传输数据，具有结构化和层次化的特点。它的语法简洁，易于理解和使用，成为现代应用程序中数据交换的标准格式之一。

用途：

Web API通信：客户端和服务器之间通过JSON格式传输数据。
配置文件：应用程序使用JSON文件存储配置信息，便于管理和修改。
数据存储：将结构化数据存储为JSON格式，便于读取和处理。
前后端数据交互：前端应用（如JavaScript）与后端服务之间通过JSON进行数据交换。

示例：一个包含用户信息的JSON对象

{
    "username": "john_doe",
    "email": "john@example.com",
    "age": 28,
    "is_active": true,
    "roles": ["admin", "user"]
}

使用`json`模块

Python内置的json模块提供了简单易用的方法来处理JSON数据，包括序列化（将Python对象转换为JSON）和反序列化（将JSON数据转换为Python对象）。

`json.load()`与`json.loads()`

json.load(file)：从文件读取JSON数据并反序列化为Python对象。
json.loads(json_string)：从字符串读取JSON数据并反序列化为Python对象。

示例：使用json.load()读取JSON文件

假设有一个data.json文件内容如下：

{
    "name": "Alice",
    "age": 30,
    "is_student": false,
    "courses": ["Math", "Science"]
}

import json

# 从文件读取JSON数据
with open('data.json', 'r', encoding='utf-8') as file:
    data = json.load(file)

print(data)
# 输出: {'name': 'Alice', 'age': 30, 'is_student': False, 'courses': ['Math', 'Science']}

示例：使用json.loads()解析JSON字符串

import json

json_str = '''
{
    "name": "Bob",
    "age": 25,
    "is_student": true,
    "courses": ["History", "Art"]
}
'''

# 解析JSON字符串
data = json.loads(json_str)

print(data)
# 输出: {'name': 'Bob', 'age': 25, 'is_student': True, 'courses': ['History', 'Art']}

`json.dump()`与`json.dumps()`

json.dump(obj, file)：将Python对象序列化为JSON格式并写入文件。
json.dumps(obj)：将Python对象序列化为JSON格式的字符串。

示例：使用json.dump()写入JSON文件

import json

data = {
    "name": "Charlie",
    "age": 22,
    "is_student": True,
    "courses": ["Physics", "Chemistry"]
}

# 将Python对象写入JSON文件
with open('output.json', 'w', encoding='utf-8') as file:
    json.dump(data, file, ensure_ascii=False, indent=4)

print("JSON数据已写入output.json")

ensure_ascii=False：确保非ASCII字符（如中文）能够正确写入文件。

indent=4：使JSON数据具有良好的可读性，缩进4个空格。

示例：使用json.dumps()生成JSON字符串

import json

data = {
    "name": "Diana",
    "age": 27,
    "is_student": False,
    "courses": ["Biology", "English"]
}

# 将Python对象转换为JSON字符串
json_str = json.dumps(data, ensure_ascii=False, indent=4)
print(json_str)

输出：

{
    "name": "Diana",
    "age": 27,
    "is_student": false,
    "courses": [
        "Biology",
        "English"
    ]
}

注意事项：

数据类型对应：
dict对应JSON的对象
list和tuple对应JSON的数组
str对应JSON的字符串
int和float对应JSON的数字
True/False对应JSON的true/false
None对应JSON的null

综合练习：日志记录系统

设计并实现一个简单的日志记录系统。该系统需要完成以下功能：

接受用户输入的日志消息。
将日志消息写入app.log文件，每条日志前添加时间戳。
如果app.log文件不存在，程序应自动创建。
处理文件写入过程中的异常，确保程序不会因错误而崩溃。

要求： - 使用with语句进行文件操作。 - 使用try-except块捕获并处理可能的异常。

日志格式示例：

2024-04-27 15:30:45 - 应用程序启动。
2024-04-27 15:31:10 - 用户登录成功。