16、树莓派Python编程：脚本自动化与正则表达式应用

树莓派Python编程：脚本自动化与正则表达式应用

在计算机的日常使用中，有许多任务需要定期执行以确保系统的正常运行，比如数据备份、文件整理等。Python可以帮助我们自动化这些任务，让计算机在最少的人工干预下持续运行。不过，要实现这一点，我们首先需要了解一些Linux的基础知识。

1. 踏上Linux命令行之旅

如果你熟悉Raspbian的常规使用，就会知道它是由多个部分组成的操作系统。其中，Linux内核是最底层的核心，它持续运行，管理硬件、内存，并控制其他程序的执行。而命令行和一系列工具则提供了一种纯文本的方式来使用Raspbian。

与Windows不同，Raspbian的文件系统没有C盘或其他字母盘符，而是以根目录“/”为起点构建的单一层次结构。在开始Python脚本编写之前，我们需要了解文件系统中各个目录的位置。可以通过以下步骤查看根目录下的内容：
1. 打开LXTerminal（用于以文本方式使用Raspbian的窗口）。
2. 输入 cd / ，将当前目录切换到根目录。
3. 输入 ls ，列出当前目录下的所有内容。

执行上述命令后，你会看到类似以下的输出：

bin   dev  home  lost+found  mnt  proc  run   selinux  sys  usr 
boot  etc  lib   media       opt  root  sbin  srv      tmp  var

这些是根目录下的主要目录。其中， /home 存放用户的主目录， /media 用于挂载可移动设备（如USB闪存驱动器）， /etc 保存系统级应用程序的设置。

需要注意的是， /sys 和 /proc 是虚拟文件系统，它们并不存在于磁盘上，而是用于显示系统信息。例如，输入 cat /proc/cpuinfo 可以查看CPU的技术细节：

pi@raspberrypi /proc $ cat /proc/cpuinfo 
Processor: ARMv6-compatible processor rev 7 (v6l) 
BogoMIPS: 697.95 
Features: swp half thumb fastmult vfp edsp java tls 
CPU implementer: 0x41 
CPU architecture: 7 
CPU variant: 0x0 
CPU part: 0xb76 
CPU revision: 7 
Hardware: BCM2708 
Revision: 000d 
Serial: 0000000074f3d523 

LXTerminal的环境是Bash，它功能强大，甚至有自己的编程语言。如果你想深入了解Raspbian和Linux，可以从Bash开始学习，网上有很多相关资源可供参考。

2. 借助Subprocess模块与系统交互

在Python中，使用 subprocess 模块是与底层系统进行交互的最简单方式。以下是一些基本的使用示例：

import subprocess
# 执行ls命令
subprocess.call("ls")
# 执行cat /proc/cpuinfo命令
subprocess.call(["cat", "/proc/cpuinfo"])

不过， subprocess.call() 只是提供了一种更详细的命令执行方式，其功能与在LXTerminal中直接执行命令类似。为了实现任务自动化，我们需要读取命令的输出并进行处理。这时，可以使用 subprocess.Popen() ：

import subprocess 
p = subprocess.Popen(["cat", "/proc/cpuinfo"],
                      stdout=subprocess.PIPE) 
text = p.stdout.read().decode() 
for line in text.splitlines(): 
    if line[:9] == "Processor": 
        print(line)

在Linux系统中，命令执行会产生两种输出： stdout （标准输出）和 stderr （标准错误）。 stdout 用于输出正常信息，而 stderr 用于输出错误信息。在脚本编写中，将它们分开处理可以更方便地检查错误。例如：

import subprocess 
f_name = input("Enter a filename: ") 
p = subprocess.Popen(["cat", f_name ], stdout=subprocess.PIPE,
                      stderr=subprocess.PIPE) 
text = p.stdout.read().decode() 
error = p.stderr.read().decode() 
print(text) 

if len(error) > 0: 
    print("*****ERROR*****") 
    print(error)

3. 掌握命令行标志

Linux命令通常会使用标志来指定具体的操作。例如， ls 命令可以使用 -a 或 --all 标志来列出目录中的所有文件和文件夹（包括以“.”开头的隐藏文件）：

ls
ls -a
ls --all

许多命令的标志都有短版本（以 - 开头）和长版本（以 -- 开头），使用 -h 或 --help 标志可以查看命令的使用说明。

在开发脚本时，我们可以使用 optparse 模块来处理命令行标志。以下是一个示例：

import subprocess 
from optparse import OptionParser 
parser = OptionParser() 
parser.add_option("-f", "-file", dest="filename", 
                  help="The file to display") 
options, arguments = parser.parse_args() 
if options.filename: 
    p = subprocess.Popen(["cat", options.filename ],
                        stdout=subprocess.PIPE,
                        stderr=subprocess.PIPE) 
    text = p.stdout.read().decode() 
    error = p.stderr.read().decode() 
else: 
    test = "" 
    error = "Filename not given" 

if len(error) > 0: 
    print("*****ERROR*****") 
    print(error) 
else: 
    print(text)

将上述代码保存为 print-file.py ，然后在LXTerminal中执行 python3 print-file.py -f /proc/cpuinfo 即可显示指定文件的内容。使用 python3 print-file.py --help 可以查看帮助信息。

4. 探索正则表达式的奥秘

正则表达式是Python和许多其他编程语言中非常有用的功能，它允许我们指定要匹配的文本模式。以下是一些常见的正则表达式特殊字符及其含义：
- * ：匹配前一个字符零次或多次。例如， do*g 可以匹配 dg 、 dog 、 doog 等。
- + ：匹配前一个字符一次或多次。例如， do+g 可以匹配 dog 、 doog 、 dooog 等，但不匹配 dg 。
- ? ：匹配前一个字符零次或一次。例如， do?g 只能匹配 dg 或 dog 。
- . ：匹配除换行符以外的任意字符。例如， .* 可以匹配任意行，而 .+ 可以匹配非空行。
- [] ：用于指定字符集合。例如， d[io]g 可以匹配 dig 和 dog 。

以下是一个使用正则表达式的示例代码：

import subprocess 
from optparse import OptionParser 
import re 
parser = OptionParser() 
parser.add_option("-f", "-file", dest="filename", 
                  help="The file to display") 
parser.add_option("-r", "-regex", dest="regex", 
                  help="The regular expression to search for") 
options, arguments = parser.parse_args() 
if options.filename: 
    p = subprocess.Popen(["cat", options.filename ], 
stdout=subprocess.PIPE, stderr=subprocess.PIPE) 
    text = p.stdout.read().decode() 
    error = p.stderr.read().decode() 
else: 
    test = "" 
    error = "Filename not given" 

if len(error) > 0: 
    print("*****ERROR*****") 
    print(error) 
else: 
    for line in text.splitlines(): 
        if not options.regex or (options.regex 
         and re.search(options.regex, line)): 
            print(line) 

在上述代码中，我们使用 re.search() 函数来查找匹配正则表达式的文本。可以通过以下命令运行该脚本：

python3 chapter.py -f /proc/cpuinfo -r Processor

此外，Linux系统的日志文件通常保存在 /var/log 目录下，使用正则表达式可以帮助我们筛选出有用的信息。例如，查找Raspbian检测到新USB外设的记录：

python3 chapter10-regex.py -f /var/log/syslog -r"USB.*found"

正则表达式还有许多其他的特性，例如：
- [^abc] ：匹配除 a 、 b 、 c 以外的任意字符。例如， d[^o]g 可以匹配 dig 、 dxg 、 dag ，但不匹配 dog 。
- [a-c] ：匹配 a 到 c 之间的任意字符。例如， d[a-j]g 可以匹配 dag 、 dbg 、 dig ，但不匹配 dkg 或 dog 。
- {a, b} ：匹配前一个字符 a 到 b 次。例如， do{2,4}g 可以匹配 doog 、 dooog 、 doooog ，但不匹配 dog 或 dooooog 。

还有一些特殊字母在前面加上反斜杠后会有特殊含义，如下表所示：
| 特殊字母 | 含义 |
| ---- | ---- |
| \d | 匹配任意数字，等价于 [0-9] |
| \D | 匹配任意非数字字符，等价于 [^0-9] |
| \s | 匹配任意空白字符，包括空格、制表符、换行符等 |
| \S | 匹配任意非空白字符 |
| \w | 匹配任意字母、数字或下划线，等价于 [a-zA-Z0-9_] |
| \W | 匹配任意非字母、数字或下划线的字符，等价于 [^a-zA-Z0-9_] |

通过掌握正则表达式，我们可以更灵活地处理文本数据，进一步提升脚本的功能和实用性。

综上所述，通过结合Linux命令行、 subprocess 模块、命令行标志和正则表达式，我们可以使用Python编写强大的自动化脚本，轻松完成各种系统管理任务。无论是文件处理、日志分析还是其他日常任务，Python都能成为我们的得力助手。希望这些知识能帮助你更好地利用树莓派和Python进行开发，让你的计算机操作更加高效便捷。

树莓派Python编程：脚本自动化与正则表达式应用

5. 正则表达式的实际应用

正则表达式在实际应用中非常广泛，尤其是在处理日志文件和筛选特定信息时。下面我们通过几个具体的例子来进一步说明其强大的功能。

• 筛选日志中的特定事件 ：在系统运行过程中，日志文件会记录各种事件。假设我们想要找出所有与网络连接失败相关的日志记录。可以使用如下命令：

python3 chapter10-regex.py -f /var/log/syslog -r "Network.*failed"

这个命令会在 /var/log/syslog 文件中查找所有包含“Network”且后面跟着“failed”的行。

• 验证用户输入 ：在编写程序时，我们常常需要验证用户输入的信息是否符合特定的格式。例如，验证用户输入的是否为有效的电子邮件地址。可以使用以下正则表达式：

import re

email_pattern = r'^[a-zA-Z0-9_.+-]+@[a-zA-Z0-9-]+\.[a-zA-Z0-9-.]+$'
user_email = input("请输入您的电子邮件地址: ")
if re.match(email_pattern, user_email):
    print("输入的电子邮件地址有效。")
else:
    print("输入的电子邮件地址无效。")

这个正则表达式 ^[a-zA-Z0-9_.+-]+@[a-zA-Z0-9-]+\.[a-zA-Z0-9-.]+$ 可以匹配大多数常见的电子邮件地址格式。

6. 脚本自动化的综合应用

我们可以将前面学到的知识结合起来，编写一个综合的自动化脚本。例如，我们要实现一个定时备份文件的脚本，并且在备份完成后记录日志。

以下是一个简单的实现步骤：
1. 确定备份源和目标目录 ：假设我们要备份 /home/pi/documents 目录下的所有文件到 /media/backup 目录。
2. 使用 subprocess 模块执行备份命令 ：可以使用 rsync 命令进行文件同步。
3. 记录备份日志 ：将备份的时间和结果记录到日志文件中。

import subprocess
import time

# 备份源目录
source_dir = "/home/pi/documents"
# 备份目标目录
target_dir = "/media/backup"
# 日志文件路径
log_file = "/var/log/backup.log"

# 执行备份命令
try:
    p = subprocess.Popen(["rsync", "-avz", source_dir, target_dir], stdout=subprocess.PIPE, stderr=subprocess.PIPE)
    output, error = p.communicate()
    output = output.decode()
    error = error.decode()

    # 记录日志
    with open(log_file, "a") as f:
        current_time = time.strftime("%Y-%m-%d %H:%M:%S")
        if len(error) > 0:
            f.write(f"{current_time} - 备份失败：{error}\n")
        else:
            f.write(f"{current_time} - 备份成功：{output}\n")
except Exception as e:
    with open(log_file, "a") as f:
        current_time = time.strftime("%Y-%m-%d %H:%M:%S")
        f.write(f"{current_time} - 备份过程中出现异常：{str(e)}\n")

这个脚本会定期执行备份操作，并将备份结果记录到日志文件中。如果备份过程中出现错误，会在日志中记录错误信息。

7. 流程图展示脚本执行流程

下面是上述备份脚本的执行流程的mermaid流程图：

graph TD;
    A[开始] --> B[设置备份源和目标目录及日志文件路径];
    B --> C[执行rsync备份命令];
    C --> D{是否有错误};
    D -- 是 --> E[记录备份失败日志];
    D -- 否 --> F[记录备份成功日志];
    E --> G[结束];
    F --> G[结束];

总结

通过本文的学习，我们了解了如何使用Python结合Linux命令行来实现脚本自动化。具体包括：
1. 熟悉Linux文件系统和命令行操作，掌握如何查看目录内容和系统信息。
2. 使用 subprocess 模块执行系统命令，并处理命令的输出和错误信息。
3. 利用 optparse 模块处理命令行标志，使脚本更加灵活。
4. 学习正则表达式的基本语法和应用，能够筛选和匹配特定的文本信息。
5. 综合运用以上知识，编写自动化脚本，如文件备份脚本，并记录日志。

掌握这些技能后，我们可以更高效地管理树莓派系统，实现各种任务的自动化，提高工作效率。无论是个人开发者还是专业技术人员，都能从这些知识中受益，让树莓派发挥更大的作用。希望大家在实际应用中不断探索和实践，进一步提升自己的编程能力。