詳解Python中with語句的用法

with 語句是從 Python 2.5 開始引入的一種與異常處理相關(guān)的功能（2.5 版本中要通過 from __future__ import with_statement 導(dǎo)入后才可以使用），從 2.6 版本開始缺省可用（參考 What's new in Python 2.6? 中 with 語句相關(guān)部分介紹）。with 語句適用于對(duì)資源進(jìn)行訪問的場(chǎng)合，確保不管使用過程中是否發(fā)生異常都會(huì)執(zhí)行必要的“清理”操作，釋放資源，比如文件使用后自動(dòng)關(guān)閉、線程中鎖的自動(dòng)獲取和釋放等。
術(shù)語
要使用 with 語句，首先要明白上下文管理器這一概念。有了上下文管理器，with 語句才能工作。
下面是一組與上下文管理器和with 語句有關(guān)的概念。
上下文管理協(xié)議（Context Management Protocol）：包含方法 __enter__() 和 __exit__()，支持
該協(xié)議的對(duì)象要實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)方法。
上下文管理器（Context Manager）：支持上下文管理協(xié)議的對(duì)象，這種對(duì)象實(shí)現(xiàn)了
__enter__() 和 __exit__() 方法。上下文管理器定義執(zhí)行 with 語句時(shí)要建立的運(yùn)行時(shí)上下文，
負(fù)責(zé)執(zhí)行 with 語句塊上下文中的進(jìn)入與退出操作。通常使用 with 語句調(diào)用上下文管理器，
也可以通過直接調(diào)用其方法來使用。
運(yùn)行時(shí)上下文（runtime context）：由上下文管理器創(chuàng)建，通過上下文管理器的 __enter__() 和
__exit__() 方法實(shí)現(xiàn)，__enter__() 方法在語句體執(zhí)行之前進(jìn)入運(yùn)行時(shí)上下文，__exit__() 在
語句體執(zhí)行完后從運(yùn)行時(shí)上下文退出。with 語句支持運(yùn)行時(shí)上下文這一概念。
上下文表達(dá)式（Context Expression）：with 語句中跟在關(guān)鍵字 with 之后的表達(dá)式，該表達(dá)式
要返回一個(gè)上下文管理器對(duì)象。
語句體（with-body）：with 語句包裹起來的代碼塊，在執(zhí)行語句體之前會(huì)調(diào)用上下文管
理器的 __enter__() 方法，執(zhí)行完語句體之后會(huì)執(zhí)行 __exit__() 方法。
基本語法和工作原理
with 語句的語法格式如下：
清單 1. with 語句的語法格式    
with context_expression [as target(s)]:
  with-body
這里 context_expression 要返回一個(gè)上下文管理器對(duì)象，該對(duì)象并不賦值給 as 子句中的 target(s) ，如果指定了 as 子句的話，會(huì)將上下文管理器的 __enter__() 方法的返回值賦值給 target(s)。target(s) 可以是單個(gè)變量，或者由“()”括起來的元組（不能是僅僅由“,”分隔的變量列表，必須加“()”）。
Python 對(duì)一些內(nèi)建對(duì)象進(jìn)行改進(jìn)，加入了對(duì)上下文管理器的支持，可以用于 with 語句中，比如可以自動(dòng)關(guān)閉文件、線程鎖的自動(dòng)獲取和釋放等。假設(shè)要對(duì)一個(gè)文件進(jìn)行操作，使用 with 語句可以有如下代碼：
清單 2. 使用 with 語句操作文件對(duì)象    
with open(r'somefileName') as somefile:
  for line in somefile:
    print line
    # ...more code
這里使用了 with 語句，不管在處理文件過程中是否發(fā)生異常，都能保證 with 語句執(zhí)行完畢后已經(jīng)關(guān)閉了打開的文件句柄。如果使用傳統(tǒng)的 try/finally 范式，則要使用類似如下代碼：
清單 3. try/finally 方式操作文件對(duì)象    
somefile = open(r'somefileName')
try:
  for line in somefile:
    print line
    # ...more code
finally:
  somefile.close()
比較起來，使用 with 語句可以減少編碼量。已經(jīng)加入對(duì)上下文管理協(xié)議支持的還有模塊 threading、decimal 等。
PEP 0343 對(duì) with 語句的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了描述。with 語句的執(zhí)行過程類似如下代碼塊：
清單 4. with 語句執(zhí)行過程    
context_manager = context_expression
  exit = type(context_manager).__exit__
  value = type(context_manager).__enter__(context_manager)
  exc = True  # True 表示正常執(zhí)行，即便有異常也忽略；False 表示重新拋出異常，需要對(duì)異常進(jìn)行處理
  try:
    try:
      target = value # 如果使用了 as 子句
      with-body   # 執(zhí)行 with-body
    except:
      # 執(zhí)行過程中有異常發(fā)生
      exc = False
      # 如果 __exit__ 返回 True，則異常被忽略；如果返回 False，則重新拋出異常
      # 由外層代碼對(duì)異常進(jìn)行處理
      if not exit(context_manager, *sys.exc_info()):
        raise
  finally:
    # 正常退出，或者通過 statement-body 中的 break/continue/return 語句退出
    # 或者忽略異常退出
    if exc:
      exit(context_manager, None, None, None)
    # 缺省返回 None，None 在布爾上下文中看做是 False
    執(zhí)行 context_expression，生成上下文管理器 context_manager
    調(diào)用上下文管理器的 __enter__() 方法；如果使用了 as 子句，則將 __enter__() 方法的返回值賦值給 as 子句中的 target(s)
    執(zhí)行語句體 with-body
    不管是否執(zhí)行過程中是否發(fā)生了異常，執(zhí)行上下文管理器的 __exit__() 方法，__exit__() 方法負(fù)責(zé)執(zhí)行“清理”工作，如釋放資源等。如果執(zhí)行過程中沒有出現(xiàn)異常，或者語句體中執(zhí)行了語句 break/continue/return，則以 None 作為參數(shù)調(diào)用 __exit__(None, None, None) ；如果執(zhí)行過程中出現(xiàn)異常，則使用 sys.exc_info 得到的異常信息為參數(shù)調(diào)用 __exit__(exc_type, exc_value, exc_traceback)
    出現(xiàn)異常時(shí)，如果 __exit__(type, value, traceback) 返回 False，則會(huì)重新拋出異常，讓with 之外的語句邏輯來處理異常，這也是通用做法；如果返回 True，則忽略異常，不再對(duì)異常進(jìn)行處理
自定義上下文管理器
開發(fā)人員可以自定義支持上下文管理協(xié)議的類。自定義的上下文管理器要實(shí)現(xiàn)上下文管理協(xié)議所需要的 __enter__() 和 __exit__() 兩個(gè)方法：
    context_manager.__enter__() ：進(jìn)入上下文管理器的運(yùn)行時(shí)上下文，在語句體執(zhí)行前調(diào)用。with 語句將該方法的返回值賦值給 as 子句中的 target，如果指定了 as 子句的話
    context_manager.__exit__(exc_type, exc_value, exc_traceback) ：退出與上下文管理器相關(guān)的運(yùn)行時(shí)上下文，返回一個(gè)布爾值表示是否對(duì)發(fā)生的異常進(jìn)行處理。參數(shù)表示引起退出操作的異常，如果退出時(shí)沒有發(fā)生異常，則3個(gè)參數(shù)都為None。如果發(fā)生異常，返回
    True 表示不處理異常，否則會(huì)在退出該方法后重新拋出異常以由 with 語句之外的代碼邏輯進(jìn)行處理。如果該方法內(nèi)部產(chǎn)生異常，則會(huì)取代由 statement-body 中語句產(chǎn)生的異常。要處理異常時(shí)，不要顯示重新拋出異常，即不能重新拋出通過參數(shù)傳遞進(jìn)來的異常，只需要將返回值設(shè)置為 False 就可以了。之后，上下文管理代碼會(huì)檢測(cè)是否 __exit__() 失敗來處理異常

下面通過一個(gè)簡(jiǎn)單的示例來演示如何構(gòu)建自定義的上下文管理器。注意，上下文管理器必須同時(shí)提供 __enter__() 和 __exit__() 方法的定義，缺少任何一個(gè)都會(huì)導(dǎo)致 AttributeError；with 語句會(huì)先檢查是否提供了 __exit__() 方法，然后檢查是否定義了 __enter__() 方法。

假設(shè)有一個(gè)資源 DummyResource，這種資源需要在訪問前先分配，使用完后再釋放掉；分配操作可以放到 __enter__() 方法中，釋放操作可以放到 __exit__() 方法中。簡(jiǎn)單起見，這里只通過打印語句來表明當(dāng)前的操作，并沒有實(shí)際的資源分配與釋放。
清單 5. 自定義支持 with 語句的對(duì)象    
class DummyResource:
def __init__(self, tag):
    self.tag = tag
    print 'Resource [%s]' % tag
  def __enter__(self):
    print '[Enter %s]: Allocate resource.' % self.tag
    return self  # 可以返回不同的對(duì)象
  def __exit__(self, exc_type, exc_value, exc_tb):
    print '[Exit %s]: Free resource.' % self.tag
    if exc_tb is None:
      print '[Exit %s]: Exited without exception.' % self.tag
    else:
      print '[Exit %s]: Exited with exception raised.' % self.tag
      return False  # 可以省略，缺省的None也是被看做是False

DummyResource 中的 __enter__() 返回的是自身的引用，這個(gè)引用可以賦值給 as 子句中的 target 變量；返回值的類型可以根據(jù)實(shí)際需要設(shè)置為不同的類型，不必是上下文管理器對(duì)象本身。

__exit__() 方法中對(duì)變量 exc_tb 進(jìn)行檢測(cè)，如果不為 None，表示發(fā)生了異常，返回 False 表示需要由外部代碼邏輯對(duì)異常進(jìn)行處理；注意到如果沒有發(fā)生異常，缺省的返回值為 None，在布爾環(huán)境中也是被看做 False，但是由于沒有異常發(fā)生，__exit__() 的三個(gè)參數(shù)都為 None，上下文管理代碼可以檢測(cè)這種情況，做正常處理。

下面在 with 語句中訪問 DummyResource ：
清單 6. 使用自定義的支持 with 語句的對(duì)象    
with DummyResource('Normal'):
   print '[with-body] Run without exceptions.'
 
 with DummyResource('With-Exception'):
   print '[with-body] Run with exception.'
   raise Exception
   print '[with-body] Run with exception. Failed to finish statement-body!'

第1個(gè) with 語句的執(zhí)行結(jié)果如下：
清單 7. with 語句1執(zhí)行結(jié)果

    Resource [Normal]
    [Enter Normal]: Allocate resource.
    [with-body] Run without exceptions.
    [Exit Normal]: Free resource.
    [Exit Normal]: Exited without exception.

可以看到，正常執(zhí)行時(shí)會(huì)先執(zhí)行完語句體 with-body，然后執(zhí)行 __exit__() 方法釋放資源。

第2個(gè) with 語句的執(zhí)行結(jié)果如下：
清單 8. with 語句2執(zhí)行結(jié)果    
Resource [With-Exception]
 [Enter With-Exception]: Allocate resource.
 [with-body] Run with exception.
 [Exit With-Exception]: Free resource.
 [Exit With-Exception]: Exited with exception raised.
 
 Traceback (most recent call last):
  File "G:/demo", line 20, in <module>
   raise Exception
 Exception

可以看到，with-body 中發(fā)生異常時(shí)with-body 并沒有執(zhí)行完，但資源會(huì)保證被釋放掉，同時(shí)產(chǎn)生的異常由 with 語句之外的代碼邏輯來捕獲處理。

可以自定義上下文管理器來對(duì)軟件系統(tǒng)中的資源進(jìn)行管理，比如數(shù)據(jù)庫連接、共享資源的訪問控制等。Python 在線文檔 Writing Context Managers 提供了一個(gè)針對(duì)數(shù)據(jù)庫連接進(jìn)行管理的上下文管理器的簡(jiǎn)單范例。

contextlib 模塊

contextlib 模塊提供了3個(gè)對(duì)象：裝飾器 contextmanager、函數(shù) nested 和上下文管理器 closing。使用這些對(duì)象，可以對(duì)已有的生成器函數(shù)或者對(duì)象進(jìn)行包裝，加入對(duì)上下文管理協(xié)議的支持，避免了專門編寫上下文管理器來支持 with 語句。
裝飾器 contextmanager

contextmanager 用于對(duì)生成器函數(shù)進(jìn)行裝飾，生成器函數(shù)被裝飾以后，返回的是一個(gè)上下文管理器，其 __enter__() 和 __exit__() 方法由 contextmanager 負(fù)責(zé)提供，而不再是之前的迭代子。被裝飾的生成器函數(shù)只能產(chǎn)生一個(gè)值，否則會(huì)導(dǎo)致異常 RuntimeError；產(chǎn)生的值會(huì)賦值給 as 子句中的 target，如果使用了 as 子句的話。下面看一個(gè)簡(jiǎn)單的例子。
清單 9. 裝飾器 contextmanager 使用示例
    
from contextlib import contextmanager
 
  @contextmanager
  def demo():
    print '[Allocate resources]'
    print 'Code before yield-statement executes in __enter__'
    yield '*** contextmanager demo ***'
    print 'Code after yield-statement executes in __exit__'
    print '[Free resources]'
 
  with demo() as value:
    print 'Assigned Value: %s' % value

結(jié)果輸出如下：
清單 10. contextmanager 使用示例執(zhí)行結(jié)果    
[Allocate resources]
 Code before yield-statement executes in __enter__
 Assigned Value: *** contextmanager demo ***
 Code after yield-statement executes in __exit__
 [Free resources]

可以看到，生成器函數(shù)中 yield 之前的語句在 __enter__() 方法中執(zhí)行，yield 之后的語句在 __exit__() 中執(zhí)行，而 yield 產(chǎn)生的值賦給了 as 子句中的 value 變量。

需要注意的是，contextmanager 只是省略了 __enter__() / __exit__() 的編寫，但并不負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)資源的“獲取”和“清理”工作；“獲取”操作需要定義在 yield 語句之前，“清理”操作需要定義 yield 語句之后，這樣 with 語句在執(zhí)行 __enter__() / __exit__() 方法時(shí)會(huì)執(zhí)行這些語句以獲取/釋放資源，即生成器函數(shù)中需要實(shí)現(xiàn)必要的邏輯控制，包括資源訪問出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)拋出適當(dāng)?shù)漠惓！?br /> 函數(shù) nested

nested 可以將多個(gè)上下文管理器組織在一起，避免使用嵌套 with 語句。
清單 11. nested 語法
    
with nested(A(), B(), C()) as (X, Y, Z):
    # with-body code here

類似于：
清單 12. nested 執(zhí)行過程
    
with A() as X:
  with B() as Y:
    with C() as Z:
       # with-body code here

需要注意的是，發(fā)生異常后，如果某個(gè)上下文管理器的 __exit__() 方法對(duì)異常處理返回 False，則更外層的上下文管理器不會(huì)監(jiān)測(cè)到異常。
上下文管理器 closing

closing 的實(shí)現(xiàn)如下：
清單 13. 上下文管理 closing 實(shí)現(xiàn)    
class closing(object):
  # help doc here
  def __init__(self, thing):
    self.thing = thing
  def __enter__(self):
    return self.thing
  def __exit__(self, *exc_info):
    self.thing.close()

上下文管理器會(huì)將包裝的對(duì)象賦值給 as 子句的 target 變量，同時(shí)保證打開的對(duì)象在 with-body 執(zhí)行完后會(huì)關(guān)閉掉。closing 上下文管理器包裝起來的對(duì)象必須提供 close() 方法的定義，否則執(zhí)行時(shí)會(huì)報(bào) AttributeError 錯(cuò)誤。
清單 14. 自定義支持 closing 的對(duì)象    
class ClosingDemo(object):
    def __init__(self):
      self.acquire()
    def acquire(self):
      print 'Acquire resources.'
    def free(self):
      print 'Clean up any resources acquired.'
    def close(self):
      self.free()
 
  with closing(ClosingDemo()):
    print 'Using resources'

結(jié)果輸出如下：
清單 15. 自定義 closing 對(duì)象的輸出結(jié)果    
Acquire resources.
Using resources
Clean up any resources acquired.
closing 適用于提供了 close() 實(shí)現(xiàn)的對(duì)象，比如網(wǎng)絡(luò)連接、數(shù)據(jù)庫連接等，也可以在自定義類時(shí)通過接口 close() 來執(zhí)行所需要的資源“清理”工作。