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Python中的上下文管理器怎样使用?

什么是上下文管理器?即使你没有听说过Python的上下文管理器,根据介绍,你也已经知道,它是try/finally块的替代品。它是使用打开文件时常用的语句with来实现的。与try/finally相同,引入此模式是为了保证在块末尾执行某些操作,即使发生异常或程序终止。从表面上看,上下文管理协议只是围绕with代码块的语句。实际上,它包含2个特殊的(dunder)方法-__enter__和__exit__组成,分别有助于启动和停止。当代码中遇到with语句时,将触发__enter__方法并将其返回值放入as

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    什么是上下文管理器?

    即使你没有听说过 Python 的上下文管理器,根据介绍,你也已经知道,它是try/finally块的替代品。它是使用打开文件时常用的语句with来实现的。与try/finally相同,引入此模式是为了保证在块末尾执行某些操作,即使发生异常或程序终止。

    从表面上看,上下文管理协议只是围绕with代码块的语句。实际上,它包含 2 个特殊的 ( dunder ) 方法 -__enter__和__exit__组成,分别有助于启动和停止。

    当代码中遇到with语句时,将触发__enter__方法并将其返回值放入as限定符后面的变量中。with块体执行完毕后,调用__exit__方法进行停止——完成finally块的作用。

    # Using try/finally
    import time
    
    start = time.perf_counter()  # Setup
    try:  # Actual body
        time.sleep(3)
    finally:  # Teardown
        end = time.perf_counter()
        elapsed = end - start
    
    print(elapsed)
    
    # Using Context Manager
    with Timer() as t:
        time.sleep(3)
    
    print(t.elapsed)

    上面的代码显示了使用try/finally的版本和使用with语句来实现简单的计时器的更优雅的版本。如上所述,实现这样的上下文管理器需要__enter__和__exit__,但是我们将如何创建它们呢?我们看一下这个Timer类的代码:

    # Implementation of above context manager
    class Timer:
        def __init__(self):
            self._start = None
            self.elapsed = 0.0
    
        def start(self):
            if self._start is not None:
                raise RuntimeError('Timer already started...')
            self._start = time.perf_counter()
    
        def stop(self):
            if self._start is None:
                raise RuntimeError('Timer not yet started...')
            end = time.perf_counter()
            self.elapsed += end - self._start
            self._start = None
    
        def __enter__(self):  # Setup
            self.start()
            return self
    
        def __exit__(self, *args):  # Teardown
            self.stop()

    此代码片段显示了实现__enter__和__exit__方法的Timer类。__enter__方法仅启动计时器并返回self,self将在with ....中作为some_var赋值, with语句体完成后,将使用 3 个参数调用__exit__方法 - 异常类型、异常值和回溯。如果with语句正文中一切顺利,则这些都等于None。如果引发异常,这些将填充异常数据,我们可以在__exit__方法中处理这些数据。在这种情况下,我们省略了异常处理,只是停止计时器并计算经过的时间,并将其存储在上下文管理器的属性中。

    我们已经在这里看到了with语句的实现和示例用法,但是为了更直观地了解实际发生的情况,让我们看看如何在没有 Python 语法糖的情况下调用这些特殊方法:

    manager = Timer()
    manager.__enter__()  # Setup
    time.sleep(3)  # Body
    manager.__exit__(None, None, None)  # Teardown
    print(manager.elapsed)

    现在我们已经确定了什么是上下文管理器,它是如何工作的以及如何实现它,让我们看看使用它的好处——只是为了有更多的动力从try/finally切换到with语句。

    第一个好处是整个启动和停止都在上下文管理器对象的控制下进行。这可以防止错误并减少样板代码,从而使 API 更安全、更易于使用。使用它的另一个原因是with块突出了关键部分并鼓励你减少该部分中的代码量,这通常也是一个好习惯。最后——最后但并非最不重要的一点——它是一个很好的重构工具,它可以将常见的启动和停止代码分解出来,并将其移动到一个位置——即__enter__和__exit__方法。

    话虽如此,我希望我能说服你开始使用上下文管理器,而不是try/finally,即使你以前没有使用过它们。那么,现在让我们看看一些很酷且有用的上下文管理器,你应该开始将它们包含在你的代码中!

    @contextmanager

    在上一节中,我们探讨了如何使用__enter__和__exit__方法实现上下文管理器。这很简单,但我们可以使用contextlib,更具体地说,使用@contextmanager,使其更简单。

    @contextmanager是一个装饰器,可用于编写自包含的上下文管理函数。因此,我们不需要创建整个类并实现__enter__和__exit__方法,我们只需要创建一个生成器:

    from contextlib import contextmanager
    from time import time, sleep
    
    @contextmanager
    def timed(label):
        start = time()  # Setup - __enter__
        print(f"{label}: Start at {start}")
        try:  
            yield  # yield to body of `with` statement
        finally:  # Teardown - __exit__
            end = time()
            print(f"{label}: End at {end} ({end - start} elapsed)")
    
    with timed("Counter"):
        sleep(3)
    
    # Counter: Start at 1599153092.4826472
    # Counter: End at 1599153095.4854734 (3.00282621383667 elapsed)

    此代码段实现了与上一节中的Timer类非常相似的上下文管理器。然而,这一次,我们需要的代码要少得多。这段代码分为两个部分,一部分是在yield之前,另一部分是yield之后。yield之前的代码承担了__enter__方法的工作,而yield本身是__enter__方法的return语句。yield之后的都是__exit__方法的一部分。

    正如你在上面看到的,像这样使用单个函数创建上下文管理器需要使用使用try/finally语句,因为如果在语句withy体中发生异常,它将在yield行被引发,我们需要在对应于__exit__方法的finally块中处理它。

    正如我已经提到的,这可以用于自包含的上下文管理器。但是,它不适合需要成为对象一部分的上下文管理器,例如连接或锁。

    尽管使用单个函数构建上下文管理器会迫使你使用try/finally,并且只能用于更简单的用例,但在我看来,它仍然是构建更精简的上下文管理器的优雅而实用的选择。

    现实生活中的例子

    现在让我们从理论转向实用且有用的上下文管理器,你可以自己构建它。

    记录上下文管理器

    当需要尝试查找代码中的一些bug时,你可能会首先查看日志以找到问题的根本原因。但是,这些日志可能默认设置为错误或警告级别,这可能不足以用于调试。更改整个程序的日志级别应该很容易,但更改特定代码部分的日志级别可能会更复杂 - 不过,这可以通过以下上下文管理器轻松解决:

    import logging
    from contextlib import contextmanager
    
    @contextmanager
    def log(level):
        logger = logging.getLogger()
        current_level = logger.getEffectiveLevel()
        logger.setLevel(level)
        try:
            yield
        finally:
            logger.setLevel(current_level)
    
    def some_function():
        logging.debug("Some debug level information...")
        logging.error('Serious error...')
        logging.warning('Some warning message...')
    
    with log(logging.DEBUG):
        some_function()
    
    # DEBUG:root:Some debug level information...
    # ERROR:root:Serious error...
    # WARNING:root:Some warning message...

    超时上下文管理器

    在本文的开头,我们正在使用计时代码块。我们在这里尝试的是将超时设置为with语句包围的块:

    import signal
    from time import sleep
    
    class timeout:
        def __init__(self, seconds, *, timeout_message=""):
            self.seconds = int(seconds)
            self.timeout_message = timeout_message
    
        def _timeout_handler(self, signum, frame):
            raise TimeoutError(self.timeout_message)
    
        def __enter__(self):
            signal.signal(signal.SIGALRM, self._timeout_handler)  # Set handler for SIGALRM
            signal.alarm(self.seconds)  # start countdown for SIGALRM to be raised
    
        def __exit__(self, exc_type, exc_val, exc_tb):
            signal.alarm(0)  # Cancel SIGALRM if it's scheduled
            return exc_type is TimeoutError  # Suppress TimeoutError
    
    
    with timeout(3):
        # Some long running task...
        sleep(10)

    上面的代码为这个上下文管理器声明了一个名为timeout的类,因为这个任务不能在单个函数中完成。为了能够实现这种超时,我们还需要使用信号-更具体地说是SIGALRM。我们首先使用signal.signal(...)将处理程序设置为SIGALRM,这意味着当内核引发SIGALRM时,将调用处理程序函数。对于这个处理程序函数(_timeout_handler),它所做的只是引发TimeoutError,如果没有及时完成,它将停止with语句体中的执行。处理程序就位后,我们还需要以指定的秒数开始倒计时,这由signal.alarm(self.seconds)完成。

    对于__exit__方法,如果上下文管理器的主体设法在时间到期之前完成,SIGALRM则将被取消,而signal.alarm(0)和程序可以继续。另一方面 - 如果由于超时而引发信号,那么_timeout_handler将引发TimeoutError,这将__exit__被捕获和抑制,with语句主体将被中断,其余代码可以继续执行。

    使用已有的

    除了上面的上下文管理器,标准库或其他常用库(如request或sqlite3)中已经有很多有用的上下文管理程序。那么,让我们看看我们可以在那里找到什么。

    临时更改小数精度

    如果你正在执行大量数学运算并需要特定的精度,那么你可能会遇到需要临时更改十进制数精度的情况:

    from decimal import getcontext, Decimal, setcontext, localcontext, Context
    
    # Bad
    old_context = getcontext().copy()
    getcontext().prec = 40
    print(Decimal(22) / Decimal(7))
    setcontext(old_context)
    
    # Good
    with localcontext(Context(prec=50)):
        print(Decimal(22) / Decimal(7))  # 3.1428571428571428571428571428571428571428571428571
    
    print(Decimal(22) / Decimal(7))      # 3.142857142857142857142857143

    上面的代码演示了不带和带上下文管理器的选项。第二个选项显然更短,更具可读性。它还考虑了临时上下文,使其不易出错。

    contextlib

    在使用@contextmanager时,我们已经窥探了contextlib,但我们可以使用更多的东西——作为第一个示例,让我们看看redirect_stdout和redirect redirect_stderr:

    import sys
    from contextlib import redirect_stdout
    
    # Bad
    with open("help.txt", "w") as file:
        stdout = sys.stdout
        sys.stdout = file
        try:
            help(int)
        finally:
            sys.stdout = stdout
    
    # Good
    with open("help.txt", "w") as file:
        with redirect_stdout(file):
            help(int)

    如果你有一个工具或函数,默认情况下将所有数据输出到stdout或stderr,但你希望它将数据输出到其他地方——例如文件。那么这两个上下文管理器可能非常有用。与前面的示例一样,这大大提高了代码的可读性,并消除了不必要的视觉干扰。

    contextlib的另一个方便的方法是suppress上下文管理器,它将抑制任何不需要的异常和错误:

    import os
    from contextlib import suppress
    
    try:
        os.remove('file.txt')
    except FileNotFoundError:
        pass
    
    
    with suppress(FileNotFoundError):
        os.remove('file.txt')

    当然,正确处理异常是更好的,但有时你只需要消除令人讨厌的DeprecationWarning警告,这个上下文管理器至少会使它可读。

    我将提到的contextlib中的最后一个实际上是我最喜欢的,它叫做closing:

    # Bad
    try:
        page = urlopen(url)
        ...
    finally:
        page.close()
    
    # Good
    from contextlib import closing
    
    with closing(urlopen(url)) as page:
        ...

    此上下文管理器将关闭作为参数传递给它的任何资源(在上面的示例中),即page对象。至于在后台实际发生的情况,上下文管理器实际上只是强制调用页面对象的.close()方法,与使用try/finally选项的方式相同。

    用于更好测试的上下文管理器

    若你们想让人们使用、阅读或维护你们所写的测试,你们必须让他们可读,易于理解和模仿。mock.patch上下文管理器可以帮助你:

    # Bad
    import requests
    from unittest import mock
    from unittest.mock import Mock
    
    r = Mock()
    p = mock.patch('requests.get', return_value=r)
    mock_func = p.start()
    requests.get(...)
    # ... do some asserts
    p.stop()
    
    # Good
    r = Mock()
    with mock.patch('requests.get', return_value=r):
        requests.get(...)
        # ... do some asserts

    使用mock.patch上下文管理器可以让你摆脱不必要的.start()和.stop()调用,并帮助你定义此特定模拟的明确范围。这个测试的好处是它可以与unittest以及pytest一起使用,即使它是标准库的一部分(因此也是unittest)。

    说到pytest,让我们也展示一下这个库中至少一个非常有用的上下文管理器:

    import pytest, os
    
    with pytest.raises(FileNotFoundError, message="Expecting FileNotFoundError"):
        os.remove('file.txt')

    这个例子展示了pytest.raises的非常简单的用法,它断言代码块引发提供的异常。如果没有,则测试失败。这对于测试预期会引发异常或失败的代码路径非常方便。

    跨请求持久化会话

    从pytest转到另一个伟大的库——requests。通常,你可能需要在HTTP请求之间保留cookie,需要保持TCP连接活动,或者只想对同一主机执行多个请求。requests提供了一个很好的上下文管理器来帮助应对这些挑战,即管理会话:

    import requests
    
    with requests.Session() as session:
        session.request(method=method, url=url, **kwargs)

    除了解决上述问题之外,这个上下文管理器还可以帮助提高性能,因为它将重用底层连接,因此避免为每个请求/响应对打开新连接。

    管理 SQLite 事务

    最后但同样重要的是,还有用于管理SQLite事务的上下文管理器。除了使代码更干净之外,此上下文管理器还提供了在异常情况下回滚更改的能力,以及在with语句体成功完成时自动提交的能力:

    import sqlite3
    from contextlib import closing
    
    # Bad
    connection = sqlite3.connect(":memory:")
    try:
        connection.execute("INSERT INTO employee(firstname, lastname) values (?, ?)", ("John", "Smith",))
    except sqlite3.IntegrityError:
        ...
    
    connection.close()
    
    # Good
    with closing(sqlite3.connect(":memory:")) as connection:
        with connection:
            connection.execute("INSERT INTO employee(firstname, lastname) values (?, ?)", ("John", "Smith",))

    在本例中,你还可以看到closing上下文管理器的良好使用,它有助于处理不再使用的连接对象,这进一步简化了代码,并确保我们不会让任何连接挂起。

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