Python 基础篇（七）：第七章： 文件操作

第七章. 文件操作：读写数据

在前面的章节中，我们学习了变量、数据容器、条件判断、循环。但到目前为止，我们的程序一旦关闭，所有数据都会丢失。这一章，我们将学习文件操作，让程序能够保存和读取数据。

7.1. 为什么需要文件操作？

7.1.1. 数据持久化的需求

假设你写了一个学生成绩管理程序，用列表存储所有学生的成绩：

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students = [
    {"name": "张三", "score": 85},
    {"name": "李四", "score": 92},
    {"name": "王五", "score": 78}
]

但这样有个问题：程序关闭后，所有数据都会丢失。下次运行程序时，又要重新输入所有数据。

文件操作可以解决这个问题：把数据保存到文件中，下次运行程序时再从文件中读取。

7.1.2. 文件操作的应用场景

场景 1：配置文件

程序的配置信息（如数据库连接、API 密钥）通常保存在配置文件中。

场景 2：日志记录

程序运行时的重要信息（如错误、警告）需要记录到日志文件中，方便后续排查问题。

场景 3：数据导入导出

从 Excel、CSV 文件中读取数据，或者将处理结果导出到文件中。

场景 4：数据备份

定期将重要数据保存到文件中，防止数据丢失。

7.2. 文件的打开与关闭

7.2.1. open() 函数的基本用法

open() 函数用于打开文件，返回一个文件对象：

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# 打开文件
file = open("data.txt", "r", encoding="utf-8")

# 读取内容
content = file.read()
print(content)

# 关闭文件
file.close()

关键点：

  • 第一个参数：文件路径
  • 第二个参数：打开模式（r 表示只读）
  • encoding 参数：指定文件编码（推荐使用 utf-8）
  • 使用完文件后，必须调用 close() 关闭文件

7.2.2. 文件打开模式详解

模式说明文件不存在文件存在常见用途
r只读模式报错从头读取读取配置文件
w只写模式创建新文件清空内容生成报告
a追加模式创建新文件在末尾追加日志记录
r+读写模式报错可读可写需要同时读写
w+读写模式创建新文件清空内容先写后读
a+追加读写创建新文件追加且可读日志分析

常用模式：

  • r：读取文件（最常用）
  • w：写入文件（会清空原内容，小心使用）
  • a：追加内容（不会清空原内容，更安全）

示例：

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# 只读模式
file = open("data.txt", "r", encoding="utf-8")
content = file.read()
file.close()

# 只写模式（会清空原内容）
file = open("output.txt", "w", encoding="utf-8")
file.write("新内容")
file.close()

# 追加模式（不会清空原内容）
file = open("log.txt", "a", encoding="utf-8")
file.write("新日志\n")
file.close()

7.2.3. with 语句：自动关闭文件

手动调用 close() 容易忘记，而且如果程序出错，close() 可能不会执行。推荐使用 with 语句，它会自动关闭文件：

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# 使用 with 语句（推荐）
with open("data.txt", "r", encoding="utf-8") as file:
    content = file.read()
    print(content)
# 退出 with 块后，文件自动关闭

with 语句的优势：

  1. 自动关闭文件，不需要手动调用 close()
  2. 即使程序出错，文件也会被正确关闭
  3. 代码更简洁

7.2.4. 常见错误与避坑指南

错误 1：文件不存在

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# ❌ 错误：文件不存在
file = open("not_exist.txt", "r")  # FileNotFoundError

如何避免？ 使用 w 或 a 模式会自动创建文件。

错误 2：忘记关闭文件

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# ❌ 错误：忘记关闭文件
file = open("data.txt", "r")
content = file.read()
# 忘记 file.close()

如何避免？ 使用 with 语句。

错误 3：编码问题

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# ❌ 错误：没有指定编码
file = open("data.txt", "r")  # 可能出现乱码

如何避免？ 始终指定 encoding="utf-8"。

7.3. 文件的读取

7.3.1. read()：一次性读取全部内容

read() 方法会一次性读取文件的全部内容，返回一个字符串：

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with open("data.txt", "r", encoding="utf-8") as file:
    content = file.read()
    print(content)

适用场景：文件较小（几 MB 以内）。

注意：如果文件很大（如几百 MB），一次性读取会占用大量内存。

7.3.2. readline()：逐行读取

readline() 方法每次读取一行，返回一个字符串（包含换行符 \n）：

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with open("data.txt", "r", encoding="utf-8") as file:
    line1 = file.readline()
    line2 = file.readline()
    print(line1)  # 第一行（包含 \n）
    print(line2)  # 第二行（包含 \n）

适用场景：需要逐行处理文件内容。

7.3.3. readlines()：读取所有行到列表

readlines() 方法读取所有行，返回一个列表，每个元素是一行（包含换行符 \n）：

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with open("data.txt", "r", encoding="utf-8") as file:
    lines = file.readlines()
    print(lines)  # ['第一行\n', '第二行\n', '第三行\n']

# 去除换行符
lines = [line.strip() for line in lines]
print(lines)  # ['第一行', '第二行', '第三行']

适用场景：需要对所有行进行处理。

7.3.4. 遍历文件对象：最佳实践

推荐方式：直接遍历文件对象，这是最节省内存的方式：

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with open("data.txt", "r", encoding="utf-8") as file:
    for line in file:
        print(line.strip())  # 去除换行符

为什么推荐？

  • 不会一次性加载整个文件到内存
  • 适用于任意大小的文件
  • 代码简洁

7.3.5. 常见错误与避坑指南

错误 1：重复读取

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with open("data.txt", "r", encoding="utf-8") as file:
    content1 = file.read()
    content2 = file.read()  # 空字符串
    print(content2)  # 输出：（空）

为什么？ 第一次 read() 后，文件指针已经到达文件末尾。

如何避免？ 使用 seek(0) 重置文件指针：

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with open("data.txt", "r", encoding="utf-8") as file:
    content1 = file.read()
    file.seek(0)  # 重置文件指针
    content2 = file.read()

错误 2：忘记去除换行符

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with open("data.txt", "r", encoding="utf-8") as file:
    for line in file:
        print(line)  # 每行后面有两个换行符

如何避免？ 使用 strip() 去除换行符：

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with open("data.txt", "r", encoding="utf-8") as file:
    for line in file:
        print(line.strip())

7.4. 文件的写入

7.4.1. write()：写入字符串

write() 方法写入一个字符串到文件：

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with open("output.txt", "w", encoding="utf-8") as file:
    file.write("第一行\n")
    file.write("第二行\n")

注意：write() 不会自动添加换行符，需要手动添加 \n。

7.4.2. writelines()：写入多行

writelines() 方法写入一个字符串列表到文件：

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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)

注意：writelines() 也不会自动添加换行符。

7.4.3. 追加模式 vs 覆盖模式

覆盖模式（w）：会清空文件原有内容

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# 第一次写入
with open("data.txt", "w", encoding="utf-8") as file:
    file.write("第一行\n")

# 第二次写入（会清空原内容）
with open("data.txt", "w", encoding="utf-8") as file:
    file.write("第二行\n")

# 文件内容：只有"第二行"

追加模式（a）：不会清空文件原有内容

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# 第一次写入
with open("data.txt", "w", encoding="utf-8") as file:
    file.write("第一行\n")

# 第二次写入（追加）
with open("data.txt", "a", encoding="utf-8") as file:
    file.write("第二行\n")

# 文件内容：第一行\n第二行\n

7.4.4. 常见错误与避坑指南

错误 1：使用 w 模式误删数据

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# ❌ 错误：使用 w 模式会清空原内容
with open("important.txt", "w", encoding="utf-8") as file:
    file.write("新内容")
# 原内容被清空了！

如何避免？ 如果不确定，使用 a 模式更安全。

错误 2：忘记添加换行符

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with open("output.txt", "w", encoding="utf-8") as file:
    file.write("第一行")
    file.write("第二行")
# 文件内容：第一行第二行（没有换行）

如何避免？ 手动添加 \n。

7.5. 文件指针与定位

7.5.1. tell()：获取当前位置

tell() 方法返回文件指针的当前位置（字节数）：

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with open("data.txt", "r", encoding="utf-8") as file:
    print(file.tell())  # 0（文件开头）
    file.read(5)
    print(file.tell())  # 5（读取了 5 个字符）

7.5.2. seek()：移动文件指针

seek() 方法移动文件指针到指定位置：

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with open("data.txt", "r", encoding="utf-8") as file:
    file.seek(0)  # 移动到文件开头
    content = file.read()

语法：file.seek(offset, whence)

  • offset：偏移量（字节数）
  • whence：参考位置
    • 0：文件开头（默认）
    • 1：当前位置
    • 2：文件末尾

7.5.3. 实战：读取文件的最后几行

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def read_last_lines(filename, n=10):
    """读取文件的最后 n 行"""
    with open(filename, "r", encoding="utf-8") as file:
        lines = file.readlines()
        return lines[-n:]

# 使用
last_lines = read_last_lines("log.txt", 5)
for line in last_lines:
    print(line.strip())

7.6. 文件路径操作

7.6.1. os.path 模块的基本用法

os.path 模块提供了文件路径操作的函数：

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import os

# 获取当前工作目录
current_dir = os.getcwd()
print(current_dir)

# 获取文件的绝对路径
abs_path = os.path.abspath("data.txt")
print(abs_path)

# 获取文件所在目录
dir_path = os.path.dirname(abs_path)
print(dir_path)

# 获取文件名
filename = os.path.basename(abs_path)
print(filename)

7.6.2. 路径拼接与分割

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import os

# 路径拼接
path = os.path.join("folder", "subfolder", "file.txt")
print(path)  # folder/subfolder/file.txt（Windows 上是 \）

# 路径分割
dir_path, filename = os.path.split(path)
print(dir_path)  # folder/subfolder
print(filename)  # file.txt

# 分离文件名和扩展名
name, ext = os.path.splitext(filename)
print(name)  # file
print(ext)   # .txt

7.6.3. 路径检查

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import os

# 检查路径是否存在
exists = os.path.exists("data.txt")
print(exists)

# 检查是否是文件
is_file = os.path.isfile("data.txt")
print(is_file)

# 检查是否是目录
is_dir = os.path.isdir("folder")
print(is_dir)

# 获取文件大小（字节）
size = os.path.getsize("data.txt")
print(size)

7.6.4. pathlib：现代化的路径操作

pathlib 是 Python 3.4+ 引入的现代化路径操作库，使用面向对象的方式：

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from pathlib import Path

# 创建路径对象
path = Path("data.txt")

# 检查路径是否存在
print(path.exists())

# 检查是否是文件
print(path.is_file())

# 读取文件内容
content = path.read_text(encoding="utf-8")
print(content)

# 写入文件内容
path.write_text("新内容", encoding="utf-8")

# 路径拼接（使用 / 运算符）
new_path = Path("folder") / "subfolder" / "file.txt"
print(new_path)

# 获取文件名
print(path.name)  # data.txt

# 获取文件名（不含扩展名）
print(path.stem)  # data

# 获取扩展名
print(path.suffix)  # .txt

# 获取父目录
print(path.parent)

pathlib vs os.path：

功能os.pathpathlib
路径拼接os.path.join(a, b)Path(a) / b
获取文件名os.path.basename(path)path.name
检查存在os.path.exists(path)path.exists()
读取文件open(path).read()path.read_text()

推荐：新项目使用 pathlib，它更简洁、更直观。

7.7. 目录操作

7.7.1. 创建目录

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import os

# 创建单个目录
os.mkdir("new_folder")

# 创建多级目录
os.makedirs("parent/child/grandchild")

# 使用 pathlib
from pathlib import Path
Path("new_folder").mkdir(exist_ok=True)
Path("parent/child/grandchild").mkdir(parents=True, exist_ok=True)

参数说明：

  • exist_ok=True：如果目录已存在，不报错
  • parents=True：自动创建父目录

7.7.2. 删除目录

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import os
import shutil

# 删除空目录
os.rmdir("empty_folder")

# 删除目录及其所有内容（危险操作！）
shutil.rmtree("folder")

# 使用 pathlib
from pathlib import Path
Path("empty_folder").rmdir()

7.7.3. 列出目录内容

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import os

# 列出目录中的所有文件和文件夹
entries = os.listdir(".")
print(entries)

# 过滤文件
files = [f for f in entries if os.path.isfile(f)]
print(files)

# 使用 pathlib
from pathlib import Path
path = Path(".")
for item in path.iterdir():
    if item.is_file():
        print(f"文件: {item.name}")
    elif item.is_dir():
        print(f"目录: {item.name}")

7.7.4. 遍历目录树

os.walk() 可以递归遍历目录树：

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import os

for root, dirs, files in os.walk("."):
    print(f"当前目录: {root}")
    print(f"子目录: {dirs}")
    print(f"文件: {files}")
    print("-" * 40)

返回值：

  • root：当前目录路径
  • dirs：当前目录下的子目录列表
  • files：当前目录下的文件列表

7.8. 文件的复制、移动和删除

7.8.1. shutil 模块简介

shutil 模块提供了高级的文件操作函数：

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import shutil

# 复制文件
shutil.copy("source.txt", "destination.txt")

# 复制文件（保留元数据）
shutil.copy2("source.txt", "destination.txt")

# 复制目录
shutil.copytree("source_folder", "destination_folder")

# 移动文件或目录
shutil.move("old_path", "new_path")

# 删除目录及其所有内容
shutil.rmtree("folder")

7.8.2. 复制文件

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import shutil

# copy()：复制文件，不保留元数据
shutil.copy("source.txt", "destination.txt")

# copy2()：复制文件，保留元数据（修改时间等）
shutil.copy2("source.txt", "destination.txt")

7.8.3. 移动文件

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import shutil

# 移动文件
shutil.move("file.txt", "folder/file.txt")

# 重命名文件
shutil.move("old_name.txt", "new_name.txt")

7.8.4. 删除文件

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import os

# 删除文件
os.remove("file.txt")

# 删除文件（如果存在）
if os.path.exists("file.txt"):
    os.remove("file.txt")

# 使用 pathlib
from pathlib import Path
path = Path("file.txt")
if path.exists():
    path.unlink()

7.9. 本章小结

本章学习了文件操作的核心知识，从文件的打开、读取、写入，到文件路径操作、目录操作和文件管理。

核心要点：

知识点使用场景关键语法
文件打开读写文件open(file, mode, encoding)
with 语句自动关闭文件with open(...) as file:
文件读取读取文件内容read(), readline(), readlines()
文件写入写入文件内容write(), writelines()
文件指针定位文件位置tell(), seek()
路径操作处理文件路径os.path, pathlib
目录操作管理目录mkdir(), listdir(), os.walk()
文件管理复制移动删除shutil.copy(), shutil.move(), os.remove()

最佳实践：

  • 始终使用 with 语句打开文件
  • 始终指定 encoding="utf-8"
  • 使用 a 模式比 w 模式更安全
  • 新项目推荐使用 pathlib