目录

一、绪论

二、基本概念

三、简单示例

四、原理阐述

五、基于类实现上下文管理器 —— 自定义实例与说明

5.1 定义前提

5.2 简单实现

5.3 异常处理

六、基于生成器实现上下文管理器

相关文章：【Python】详解 try-except-else-finally 语句 —— 异常处理完全解读 (上) 

一、绪论

在《【Python】详解 try-except-else-finally 语句 —— 异常处理完全解读 (上) 》一文中，全面地讲解了 Python 处理异常的基本手段、机制与应用。本文将承接上文，详细说明另一种处理方式，即用于 上下文管理器 (Context manager) 的 with 语句。

二、基本概念

首先，开门见山、先入为主地给出上下文管理器与 with 语句的相关基本概念：

1. 上下文管理协议 (Context management protocol)：包含 __enter__() 和 __exit__() 方法，支持该协议的对象要求必须实现这两个方法，以成为上下文管理器。
2. 上下文管理器 (Context manager)：支持上下文管理协议 —— 实现了 __enter__() 和 __exit__() 方法的对象。上下文管理器用于 定义执行 with 语句时要建立的运行时上下文，并负责执行 with 语句块 上下文的进入与退出 操作。通常使用 with 语句调用上下文管理器，也可通过直接调用其方法来使用。
3. 运行时上下文 (Runtime context)：由上下文管理器创建、通过 __enter__() 和 __exit__() 方法实现进入和退出。其中，__enter__() 方法在语句体执行开始前进入运行时上下文，__exit__() 在语句体执行结束后退出运行时上下文。with 语句支持“运行时上下文”这一概念。
4. 上下文表达式 (Context expression)：with 语句中跟在关键字 with 后的表达式。该表达式返回一个上下文管理器对象。
5. 语句体 (with-body)：即 with 语句中的代码块。执行语句体前，会调用上下文管理器的 __enter__() 方法；执行语句体后，会调用上下文管理器 __exit__() 方法。

上下文管理器常用于资源的精确分配和释放，且常使用 with 语句调用 (说明还有其他方式)。

上述概念虽然较严谨而晦涩，但尚不必畏难。后续将先展示一个简单例子，再给出原理定义，后作出实例分析，且重要内容会强调多次，从而促进理解和领悟。(上述概念需要反复回头看理解)

三、简单示例

假如现在要打开一个文件，并写入一条数据，然后关闭之。那么，常见的 try- finally 语句实现如下：

>>> file = open('test.txt', 'w')
# 文件对象
>>> try:
file.write('Hello!')
# 写入
finally:
file.close()
# 关闭

这样写固然没错，但其实存在另一种等价写法 —— with 语句： 

>>> with open('test.txt', 'w') as file:
file.write('Hello!')

可见，使用 with 语句，不但简化了许多样板代码 (boilerplate code)，而且确保⽂件会被关闭，而无须关心如何退出众多子句构成的代码块。

以上便是上下文管理器实现资源加锁/解锁和关闭已打开文件的一个常见用例，是异常处理的“强化版本”。接下来，将说明这背后的原理。

四、原理阐述

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。上下文管理器的典型用途包括：保存和恢复各种全局状态、锁定和解锁资源、关闭已打开的文件 等。

with 语句则用于包装带有使用上下文管理器定义方法的代码块的执行，从而允许对普通的 try-except-finally 语句使用一种模式封装以方便使用。

with 语句的语法格式为：

with context_expression [as target(s)]:
with-body

 with 语句的执行过程由代码实现说明如下：

context_manager = context_expression
# 由上下文表达式返回一个上下文管理器对象
exit = type(context_manager).__exit__
# 载入上下文管理器的 __exit__() 方法
value = type(context_manager).__enter__(context_manager)
# 发起调用上下文管理器的 __enter__() 方法
exc = True
# True 表示正常执行, 即便有异常也忽略；False 表示重新抛出异常, 需对异常处理
try:
try:
target = value
# 若指定 as 子句 (赋值目标变量 traget(x))
with-body
# 执行 with-body (with 语句体/代码块)
except:
exc = False
# 执行过程中有异常发生
# 若 __exit__ 返回 True, 则异常被忽略；若 __exit__ 返回 False, 则重新抛出异常
# 由外层代码对异常进行处理
if not exit(context_manager, *sys.exc_info()):
raise
finally:
# 正常执行完毕退出
# 或通过 statement-body 中的 break/continue/return 语句退出
# 或忽略异常退出
if exc:
exit(context_manager, None, None, None)
# 缺省返回 None, None 在 bool 上下文中看做是 False (bool(None)=False)

 with 语句的执行过程文字说明如下：

1. 对上下文表达式 (context_expression) 求值以生成上下文管理器 (context_manager)。
2. 载入(保存)上下文管理器的 __exit__() 方法以便后续使用。
3. 调用上下文管理器的 __enter__() 方法，进入关联到此对象的运行时上下文 (runtime context)。
4. 若 with 语句指定了 as 子句，则上下文管理器 __enter__() 方法的返回值将赋给目标变量 target(s)。target(s) 既可为单变量，也可为包含多元素的 tuple (必须由圆括号 () 包裹)。注意，with 语句会保证若 __enter__() 方法返回时未发生错误的情况下，__exit__() 方法总能被调用。 因此，若在对目标变量(或 tuple) 赋值期间发生错误，则会将其视为在 with 语句体内部发生的错误，总之详见第 6 步。
5. 执行 with 语句体/代码块。
6. 不论如何，总会调用上下文管理器的 __exit__() 方法，退出关联到此对象的运行时上下文 (runtime context)，而__exit__() 方法通常负责执行“清理”工作，如释放资源等。

• 注意，若由异常导致 with 语句体的退出，则将使用 sys.exc_info 获取异常信息 —— 类型 (exc_type)、值 (exc_value) 及回溯信息 (traceback) 作为参数，调用 __exit__(exc_type, exc_value, exc_traceback) 方法；
• 若由异常导致 with 语句体的退出，且 __exit__() 方法的返回值为 False，则该异常会被重新引发；若 __exit__() 方法的返回值为 True，则该异常会被抑制/屏蔽，并将继续执行 with 语句后的语句；
• 若执行过程中未出现异常，或 with 语句体中执行了 break / continue / return 语句，则将以 3 个 None 作为参数调用 __exit__(None, None, None) 方法；
• 若由异常之外的任何原因导致 with 语句体的退出，则 __exit__() 方法的返回值将被忽略，并在该类退出正常的发生位置继续执行。

 以上是较为严谨但却晦涩的原理概述，接下来将结合实例进行说明。

五、基于类实现上下文管理器 —— 自定义实例与说明

5.1 定义前提

自定义上下文管理器类 (即自定义支持上下文管理协议的类)，至少要实现 __enter__() 和 __exit__() 方法。因为 with 语句总会先检查是否提供 __exit__() 方法，后检查是否定义 __enter__() 方法，二者任缺其一都会导致 AttributeError。

5.2 简单实现

接下来将构造一个上下文管理器类 File，例如：

>>> class File(object):
def __init__(self, file_name, method):
self.file_obj = open(file_name, method)
def __enter__(self):
return self.file_obj
def __exit__(self, type, value, traceback):
self.file_obj.close()

由于定义了 __enter__() 和 __exit__() 方法支持上下文管理协议，File 类成为了一个上下文管理器类，因此可在 with 语句中调用它：

>>> with File('test.txt', 'w') as file:
file.write('World!')

表面上看，with 语句完成的操作是：读取 test.txt 文件并写入 World! 。

实质上，内部进行的步骤是：with 语句先暂存 File 类的 __exit__ 方法，然后调用 File 类的 __enter__ 方法 (进入上下文管理器的运行时上下文)。 __enter__ 方法打开文件 test.txt 并返回给 with 语句，而打开的文件句柄被传递给变量 file (将文件对象赋值给变量 file)。接着，执行 with 语句体/代码块，令 file 调用 write() 方法在文件 test.txt 中写入 World! 。最后，with 语句调用先前暂存的 __exit__ 方法 (退出上下文管理器的运行时上下文)，正常关闭文件 test.txt 。

5.3 异常处理

其实，__enter__ 方法含义简单且无参数，其原型为：

• 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。若指定了 as 子句，with 语句将该方法的返回值赋值给 as 子句中的 target(s)。

而 __eixt__ 方法则复杂些，有三个形参 exc_type, exc_value, exc_traceback，其原型为：

• 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bool 值表示是否对发生的异常进行处理。参数为引起退出操作的异常信息，如果退出时未发生异常，则3个参数均为None。若发生异常，返回 True 表示无需处理异常，返回 False 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。若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，不应显示重新抛出异常 (即不能重新抛出通过参数传递进来的异常)，只需将返回值设为 False 即可。之后，上下文管理代码会检测是否 __exit__() 失败来处理异常。

在 5.2 节内部步骤中，“打开的文件句柄传递”与“with 调用 __exit__ 方法”之间，若发生异常，Python 将使用 sys.exc_info 获取异常信息，将异常类型 (exc_type)、值 (exc_value) 及回溯信息 (traceback) 作为实参，调用 __exit__(exc_type, exc_value, exc_traceback) 方法，从而让 __exit__ 方法决定如何关闭文件以及是否需要其他步骤。

事实上，在访问文件对象时，很多情况都可能导致异常发生。例如，调用一个不支持 (因为不存在) 的文件对象方法：

>>> with File('test.txt', 'w') as file:
file.undefinded_function('Bye!')
# 未定义 undefinded_function()
Traceback (most recent call last):
File "<pyshell#25>", line 2, in <module>
file.undefinded_function('Bye!')
AttributeError: '_io.TextIOWrapper' object has no attribute 'undefinded_function'

当异常发生时，with 语句会采取如下措施：

1. 将发生异常的类型 (exc_type)、值 (exc_value) 及回溯信息 (traceback) 作为实参传递给 __exit__ 方法；
2. 令 __exit__ 方法处理异常；
3. 若 __exit__ 方法返回 True，则说明该异常已被“处理”，无需再处理；
4. 若 __exit__ 方法返回 True 之外的任何内容，则该异常将被 with 语句抛出；

在 5.2 节的例子 —— File 类中，__exit__ 方法返回 None (若无显式定义的 return 语句，方法默认返回 None)。因此，5.3 节的上例在调用不存在的 undefinded_function 方法时，抛出了异常。

为此，可以尝试完善 __exit__ 方法以处理异常：

>>> class File(object):
def __init__(self, file_name, method):
self.file_obj = open(file_name, method)
def __enter__(self):
return self.file_obj
def __exit__(self, type, value, traceback):
print("Exception has been handled")
# 提示语
self.file_obj.close()
# 关闭文件对象
print("File has been closed")
# 提示语
return True
# 返回 True 说明异常已被处理

这时，再试图触发异常：

>>> with File('test.txt', 'w') as file:
file.undefinded_function('Bye!')
Exception has been handled
File has been closed

完全按照预期发生！因为自定义的 __exit__ 方法返回了 True，所有没有异常会被 with 语句抛出。

同时，提示语 “File has been closed” 的输出也说明了发生异常时，with 语句体/代码块中并未执行完，但保证会将文件关闭 (确保资源被释放掉)，从而体现了一定的安全性。因此，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

此外，如果有多个上下文管理器，则会视为存在多个语句嵌套处理。即：

>>> with CM1 as cm1, CM2 as cm2:
suite
# --------------------------------- 等价于 ----------------------------------
>>> with CM1 as cm1：
with CM2 as cm2:
suite

不过通常不会这样复杂地嵌套使用，因此仅作展示不作赘述。 

六、基于生成器实现上下文管理器

事实上，除了自定义类，还可以基于装饰器(decorators) 和生成器(generators) 实现上下文管理器。

Python 中的 contextlib 模块正用于此。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，可包装已有生成器函数或对象，从而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。

然而，contextlib 模块平时似乎用得并不多，因此点到为止，不再赘述。有兴趣可以看一下 contextlib 模块的文档。

参考文献：

《Python Immediate》、

https://docs.python.org/zh-cn/3.6/tutorial/errors.html?highlight=异常

3. 数据模型 — Python 3.6.15 文档

8. 复合语句 — Python 3.6.15 文档

IBM Developer

29.6. contextlib — Utilities for with-statement contexts — Python 3.6.15 文档

最后

以上就是爱撒娇云朵为你收集整理的【Python】详解 with 语句 (上下文管理器) —— 异常处理完全解读 (下)一、绪论二、基本概念三、简单示例四、原理阐述五、基于类实现上下文管理器 —— 自定义实例与说明六、基于生成器实现上下文管理器的全部内容，希望文章能够帮你解决【Python】详解 with 语句 (上下文管理器) —— 异常处理完全解读 (下)一、绪论二、基本概念三、简单示例四、原理阐述五、基于类实现上下文管理器 —— 自定义实例与说明六、基于生成器实现上下文管理器所遇到的程序开发问题。

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