python系列之文件操作：让程序拥有“记忆“的超能力！

不为失败找理由，只为成功找方法。所有的不甘，因为还心存梦想，所以在你放弃之前，好好拼一把，只怕心老，不怕路长。

python系列前期章节

1. python系列之注释与变量
2. python系列之输入输出语句与数据类型
3. python系列之运算符
4. python系列之控制流程语句
5. python系列之字符串
6. python系列之列表
7. python系列之元组
8. python系列之字典
9. python系列之集合
10. python系列之函数基础
11. python系列之函数进阶
12. python系统之综合案例1：用python打造智能诗词生成助手
13. python系列之综合案例2：用python开发《魔法学院入学考试》文字冒险游戏
14. python系列之类与对象：面向对象编程（用造人计划秒懂面向对象）
15. python系列之类与对象：python系列之详解面向对象的属性）
16. python系列之详解面向对象的函数
17. python系列之面向对象的三大特性
18. python系列之异常处理：给代码穿上“防弹衣”

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一、前言：为什么需要文件操作？

想象一下：你写了一个很棒的程序，但每次关闭后，所有数据都消失了。就像用粉笔在黑板上写字，一擦就没了！

文件操作让程序能够：

• 📝 保存数据：游戏进度、用户设置、计算结果
• 📖 读取数据：配置文件、数据库、日志文件
• 🔄 交换数据：与其他程序共享信息

二、文件操作的基本步骤：打开→操作→关闭

文件操作就像读书一样简单：

1. 打开书（打开文件）
2. 读书或写字（读取或写入）
3. 合上书（关闭文件）

# 基本文件操作流程
file = open("example.txt", "r")  # 1. 打开文件
content = file.read()            # 2. 读取内容
file.close()                     # 3. 关闭文件

三、文件打开模式：不同的"读书方式"

Python提供了多种文件打开模式，就像不同的读书方式：

模式	描述	例子
'r'	只读模式（默认）	open("file.txt", "r")
'w'	写入模式（会覆盖原有内容）	open("file.txt", "w")
'a'	追加模式（在文件末尾添加）	open("file.txt", "a")
'x'	创建新文件（如果文件已存在则报错）	open("new_file.txt", "x")
'b'	二进制模式	open("image.jpg", "rb")
't'	文本模式（默认）	open("file.txt", "rt")
'+'	读写模式	open("file.txt", "r+")

四、文本文件操作：读写文字内容

4.1 读取文件内容

# 方法1：一次性读取整个文件
with open("story.txt", "r", encoding="utf-8") as file:
    content = file.read()
    print("整个故事:")
    print(content)

# 方法2：逐行读取
with open("story.txt", "r", encoding="utf-8") as file:
    print("逐行阅读:")
    for line in file:
        print(line.strip())  # strip() 去除行末的换行符

# 方法3：读取所有行到列表
with open("story.txt", "r", encoding="utf-8") as file:
    lines = file.readlines()
    print(f"故事共有 {len(lines)} 行")
    for i, line in enumerate(lines, 1):
        print(f"第{i}行: {line.strip()}")

4.2 写入文件内容

# 写入新文件（会覆盖原有内容）
with open("diary.txt", "w", encoding="utf-8") as file:
    file.write("2023年10月27日\n")
    file.write("今天学习了Python文件操作！\n")
    file.write("感觉很棒！\n")

# 追加内容到文件末尾
with open("diary.txt", "a", encoding="utf-8") as file:
    file.write("2023年10月28日\n")
    file.write("今天要继续努力学习！\n")

# 写入多行内容
lines = ["第一行\n", "第二行\n", "第三行\n"]
with open("multiline.txt", "w", encoding="utf-8") as file:
    file.writelines(lines)

五、使用with语句：自动关闭文件

重要：总是使用with语句来操作文件！它会自动关闭文件，即使发生异常也不会泄露资源。

# 不好的做法：需要手动关闭
file = open("test.txt", "r")
content = file.read()
file.close()  # 容易忘记关闭！

# 好的做法：自动关闭
with open("test.txt", "r") as file:
    content = file.read()
# 文件在这里自动关闭，即使发生异常也会关闭

六、文件路径：找到你要的文件

6.1 相对路径和绝对路径

import os

# 当前工作目录
print("当前工作目录:", os.getcwd())

# 相对路径（相对于当前目录）
with open("data.txt", "r") as file:  # 当前目录下的data.txt
    pass

with open("./data.txt", "r") as file:  # 同上，./表示当前目录
    pass

with open("../parent_data.txt", "r") as file:  # 上级目录的文件
    pass

with open("data/files/data.txt", "r") as file:  # 当前目录的data子目录
    pass

# 绝对路径（完整路径）
with open("/Users/username/documents/data.txt", "r") as file:
    pass

6.2 路径操作（os.path模块）

import os

# 拼接路径
path = os.path.join("folder", "subfolder", "file.txt")
print("拼接后的路径:", path)

# 获取路径的各个部分
file_path = "/home/user/documents/report.txt"
print("目录名:", os.path.dirname(file_path))
print("文件名:", os.path.basename(file_path))
print("分割扩展名:", os.path.splitext(file_path))

# 检查路径是否存在
if os.path.exists("some_file.txt"):
    print("文件存在")
else:
    print("文件不存在")

# 检查是否是文件/目录
if os.path.isfile("some_file.txt"):
    print("这是一个文件")
if os.path.isdir("some_folder"):
    print("这是一个目录")

七、二进制文件操作：处理图片、视频等

# 读取二进制文件（如图片）
with open("photo.jpg", "rb") as file:
    image_data = file.read()
    print(f"图片大小: {len(image_data)} 字节")

# 写入二进制文件
with open("copy.jpg", "wb") as file:
    file.write(image_data)

# 复制文件（二进制模式）
def copy_file(source, destination):
    with open(source, "rb") as src_file:
        with open(destination, "wb") as dest_file:
            # 分块读取和写入，适合大文件
            chunk_size = 4096  # 4KB的块
            while True:
                chunk = src_file.read(chunk_size)
                if not chunk:
                    break
                dest_file.write(chunk)
    print(f"文件已从 {source} 复制到 {destination}")

copy_file("original.jpg", "backup.jpg")

八、CSV文件操作：处理表格数据

import csv

# 写入CSV文件
with open("students.csv", "w", newline="", encoding="utf-8") as file:
    writer = csv.writer(file)
    writer.writerow(["姓名", "年龄", "成绩"])  # 写入表头
    writer.writerow(["张三", 20, 95])
    writer.writerow(["李四", 21, 88])
    writer.writerow(["王五", 19, 92])

# 读取CSV文件
with open("students.csv", "r", encoding="utf-8") as file:
    reader = csv.reader(file)
    print("学生信息:")
    for row in reader:
        print(f"姓名: {row[0]}, 年龄: {row[1]}, 成绩: {row[2]}")

# 使用字典方式读写CSV（更推荐）
with open("students_dict.csv", "w", newline="", encoding="utf-8") as file:
    fieldnames = ["name", "age", "grade"]
    writer = csv.DictWriter(file, fieldnames=fieldnames)
    writer.writeheader()
    writer.writerow({"name": "张三", "age": 20, "grade": 95})
    writer.writerow({"name": "李四", "age": 21, "grade": 88})

with open("students_dict.csv", "r", encoding="utf-8") as file:
    reader = csv.DictReader(file)
    for row in reader:
        print(f"{row['name']}今年{row['age']}岁，成绩{row['grade']}分")

九、JSON文件操作：处理结构化数据

import json

# 准备数据
data = {
    "name": "张三",
    "age": 25,
    "hobbies": ["读书", "编程", "游泳"],
    "address": {
        "city": "北京",
        "street": "朝阳区"
    }
}

# 写入JSON文件
with open("user.json", "w", encoding="utf-8") as file:
    json.dump(data, file, ensure_ascii=False, indent=2)

# 读取JSON文件
with open("user.json", "r", encoding="utf-8") as file:
    loaded_data = json.load(file)
    print("用户信息:")
    print(f"姓名: {loaded_data['name']}")
    print(f"年龄: {loaded_data['age']}")
    print(f"爱好: {', '.join(loaded_data['hobbies'])}")
    print(f"城市: {loaded_data['address']['city']}")

# JSON字符串与Python对象的转换
json_str = json.dumps(data, ensure_ascii=False)  # 对象转JSON字符串
print("JSON字符串:", json_str)

new_data = json.loads(json_str)  # JSON字符串转对象
print("解析后的数据:", new_data)

十、文件管理和操作

import os
import shutil

# 创建目录
os.makedirs("my_folder/sub_folder", exist_ok=True)

# 重命名文件
if os.path.exists("old_name.txt"):
    os.rename("old_name.txt", "new_name.txt")

# 删除文件
if os.path.exists("file_to_delete.txt"):
    os.remove("file_to_delete.txt")

# 删除空目录
if os.path.exists("empty_folder"):
    os.rmdir("empty_folder")

# 删除非空目录
if os.path.exists("folder_with_files"):
    shutil.rmtree("folder_with_files")

# 遍历目录
print("当前目录内容:")
for item in os.listdir("."):
    item_path = os.path.join(".", item)
    if os.path.isfile(item_path):
        print(f"文件: {item}")
    elif os.path.isdir(item_path):
        print(f"目录: {item}")

# 递归遍历所有文件和子目录
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("-" * 30)

十一、异常处理：文件操作中的错误处理

import os

def safe_file_operation(filename, mode="r"):
    try:
        with open(filename, mode, encoding="utf-8") as file:
            if mode == "r":
                return file.read()
            elif mode == "w":
                file.write("测试内容")
                return "写入成功"
    except FileNotFoundError:
        return f"错误: 找不到文件 {filename}"
    except PermissionError:
        return f"错误: 没有权限访问 {filename}"
    except IsADirectoryError:
        return f"错误: {filename} 是一个目录"
    except UnicodeDecodeError:
        return f"错误: 文件编码问题"
    except Exception as e:
        return f"未知错误: {e}"

# 测试各种情况
print(safe_file_operation("不存在.txt"))  # 文件不存在
print(safe_file_operation("/root/secret.txt"))  # 权限不足
print(safe_file_operation("my_folder"))  # 是目录不是文件
print(safe_file_operation("valid_file.txt", "w"))  # 正常操作

十二、实战项目：个人日记本程序

让我们用文件操作创建一个完整的日记本程序：

import os
import json
from datetime import datetime

class Diary:
    def __init__(self, diary_folder="my_diary"):
        self.diary_folder = diary_folder
        os.makedirs(diary_folder, exist_ok=True)
    
    def write_entry(self, content):
        """写日记"""
        timestamp = datetime.now().strftime("%Y-%m-%d_%H-%M-%S")
        filename = f"{timestamp}.txt"
        filepath = os.path.join(self.diary_folder, filename)
        
        try:
            with open(filepath, "w", encoding="utf-8") as file:
                file.write(f"时间: {datetime.now().strftime('%Y年%m月%d日 %H:%M:%S')}\n")
                file.write("=" * 50 + "\n")
                file.write(content + "\n")
            print("日记保存成功！")
            return True
        except Exception as e:
            print(f"保存失败: {e}")
            return False
    
    def list_entries(self):
        """列出所有日记"""
        entries = []
        for filename in os.listdir(self.diary_folder):
            if filename.endswith(".txt"):
                entries.append(filename)
        
        if not entries:
            print("还没有日记呢！")
            return
        
        print("\n我的日记:")
        for i, filename in enumerate(sorted(entries), 1):
            print(f"{i}. {filename[:-4]}")  # 去掉.txt后缀
    
    def read_entry(self, entry_number):
        """读取特定日记"""
        entries = [f for f in os.listdir(self.diary_folder) if f.endswith(".txt")]
        
        if not entries:
            print("还没有日记呢！")
            return
        
        entries.sort()
        
        try:
            if 1 <= entry_number <= len(entries):
                filename = entries[entry_number - 1]
                filepath = os.path.join(self.diary_folder, filename)
                
                with open(filepath, "r", encoding="utf-8") as file:
                    content = file.read()
                    print(f"\n{'-'*60}")
                    print(content)
                    print(f"{'-'*60}")
            else:
                print("无效的日记编号！")
        except Exception as e:
            print(f"读取失败: {e}")
    
    def search_entries(self, keyword):
        """搜索包含关键词的日记"""
        found_entries = []
        
        for filename in os.listdir(self.diary_folder):
            if filename.endswith(".txt"):
                filepath = os.path.join(self.diary_folder, filename)
                
                try:
                    with open(filepath, "r", encoding="utf-8") as file:
                        content = file.read()
                        if keyword.lower() in content.lower():
                            found_entries.append((filename, content))
                except:
                    continue
        
        if not found_entries:
            print(f"没有找到包含 '{keyword}' 的日记")
            return
        
        print(f"\n找到 {len(found_entries)} 篇包含 '{keyword}' 的日记:")
        for i, (filename, content) in enumerate(found_entries, 1):
            print(f"{i}. {filename[:-4]}")
            # 显示匹配的上下文
            lines = content.split('\n')
            for line in lines:
                if keyword.lower() in line.lower():
                    print(f"   → {line.strip()}")
            print()

# 使用日记本
def main():
    diary = Diary()
    
    while True:
        print("\n=== 我的个人日记本 ===")
        print("1. 写新日记")
        print("2. 查看日记列表")
        print("3. 阅读日记")
        print("4. 搜索日记")
        print("5. 退出")
        
        choice = input("请选择操作 (1-5): ")
        
        if choice == "1":
            print("\n开始写日记（输入完按Ctrl+D或Ctrl+Z结束）:")
            print("请输入日记内容:")
            content = []
            try:
                while True:
                    line = input()
                    content.append(line)
            except EOFError:
                pass  # 用户结束输入
        diary.write_entry("\n".join(content))
        
        elif choice == "2":
            diary.list_entries()
        
        elif choice == "3":
            diary.list_entries()
            try:
                num = int(input("\n请输入要阅读的日记编号: "))
                diary.read_entry(num)
            except ValueError:
                print("请输入有效的数字！")
        
        elif choice == "4":
            keyword = input("请输入要搜索的关键词: ")
            diary.search_entries(keyword)
        
        elif choice == "5":
            print("再见！")
            break
        
        else:
            print("无效的选择，请重新输入！")

if __name__ == "__main__":
    main()

十三、高级技巧：文件压缩和序列化

import zipfile
import pickle

# 创建ZIP压缩文件
with zipfile.ZipFile('archive.zip', 'w') as zipf:
    zipf.write('file1.txt')
    zipf.write('file2.txt')
    print("文件已压缩")

# 解压ZIP文件
with zipfile.ZipFile('archive.zip', 'r') as zipf:
    zipf.extractall('extracted_files')
    print("文件已解压")

# 使用pickle序列化Python对象
data = {"name": "张三", "scores": [90, 85, 95], "active": True}

# 序列化到文件
with open('data.pkl', 'wb') as f:
    pickle.dump(data, f)

# 从文件反序列化
with open('data.pkl', 'rb') as f:
    loaded_data = pickle.load(f)
    print("加载的数据:", loaded_data)

十四、总结：文件操作的核心要点

1. 总是使用with语句：自动处理文件关闭
2. 指定正确的编码：特别是处理中文时使用utf-8
3. 处理异常：文件操作容易出错，要做好错误处理
4. 选择正确的模式：根据需求选择读、写、追加等模式
5. 管理文件路径：使用os.path处理路径问题

十五、练习题

1. 修改日记本程序，添加删除日记的功能
2. 编写一个程序，统计一个文本文件中每个单词出现的次数
3. 创建一个文件备份工具，能够备份指定目录的所有文件
4. 编写一个程序，能够合并多个文本文件的内容

记住：文件操作是程序与外部世界沟通的桥梁，掌握了它，你的程序就拥有了"记忆"和"交流"的能力！现在，去创造能够持久保存数据的精彩程序吧！