Python的那些事第十二篇：从入门到“不撞南墙不回头”Python 文件操作与异常处理

Python 文件操作与异常处理：从入门到“不撞南墙不回头”

一、引言

二、Python 文件操作

三、Python 异常处理

四、综合实例：学生成绩管理系统

五、总结与展望

一、引言

1.1 文件操作与异常处理的重要性

在编程的世界里，文件操作和异常处理就像是两个超级英雄，一个负责管理数据的“藏宝库”，另一个则是程序的“护盾”。文件操作就像是在管理一个装满宝藏的仓库，负责把数据存进去，再拿出来用。比如，电商平台的订单数据，要是没有文件操作，那可真是“无处安放的青春”！而异常处理呢，就是程序的“金钟罩”，一旦程序出错，它就能及时出手，避免程序“一失足成千古恨”，用户体验也能大大提升。

1.2 Python 在文件与异常处理方面的优势

Python 在文件操作和异常处理上，简直就是“超级英雄”的升级版！文件操作方面，open() 函数就像是一个万能钥匙，搭配上各种内置方法（比如 read()、write() 等）和上下文管理器 with 语句，文件的读写和管理变得轻松又便捷，简直是“手到擒来”。异常处理方面，Python 提供了各种强大的异常类，还有灵活的 try-except、try-finally 等语法，不仅能捕获各种运行时错误，还能自定义异常，满足复杂业务需求，简直就是“十八般武艺样样精通”！

二、Python 文件操作

2.1 打开文件

open() 函数是 Python 中打开文件的“秘密武器”，它的语法是这样的：

open(file, mode='r', buffering=-1, encoding=None, errors=None, newline=None, closefd=True, opener=None)

file：文件路径，可以是相对路径（就像“近在咫尺”）或绝对路径（就像“远在天边”）。
mode：文件打开模式，常见的有：
- r：只读模式，就像“只看不摸”。
- w：写入模式，会清空文件内容，就像“推倒重建”。
- a：追加模式，从文件末尾添加内容，就像“添砖加瓦”。
- r+、w+、a+：分别对应读写模式，就像“又吃又拿”。
- b：二进制模式，常与 rb、wb 等结合使用，适合处理“非人类可读”的文件。
encoding：指定文件编码，比如 utf-8，就像给文件“穿上外衣”，防止乱码。

2.2 读取文件

Python 提供了多种方法读取文件内容，每种方法都有自己的“绝活”：

read()：一次性读取文件全部内容，返回字符串。适用于小文件，但要注意内存占用，不然可能会“撑爆内存”。
```
with open('example.txt', 'r', encoding='utf-8') as file:
    content = file.read()
```

readline()：逐行读取文件，每次返回一行，适合处理大文件，就像“蚂蚁搬家”。

with open('example.txt', 'r', encoding='utf-8') as file:
    while True:
        line = file.readline()
        if not line:
            break
        print(line)

readlines()：将文件所有行读取到一个列表中，方便统一操作，但内存占用较大，就像“一次性打包带走”。
```
with open('example.txt', 'r', encoding='utf-8') as file:
    lines = file.readlines()
    for line in lines:
        print(line)
```

2.3 写入文件

写入文件也有两种常用方法：

write()：将字符串写入文件，需手动添加换行符 \n，不然内容会“挤成一团”。
```
with open('example.txt', 'w', encoding='utf-8') as file:
    file.write('Hello, Python!\n')
```

writelines()：批量写入字符串序列，适合写入多行内容，就像“批发处理”。

lines = ['Line 1\n', 'Line 2\n']
with open('example.txt', 'w', encoding='utf-8') as file:
    file.writelines(lines)

2.4 关闭文件

关闭文件很重要，不然文件资源会被“霸占”，导致其他程序无法使用。

close()：显式关闭文件，释放资源。

file = open('example.txt', 'w', encoding='utf-8')
file.write('Hello, World!')
file.close()

with 语句：自动管理文件的打开和关闭，推荐使用，就像“贴心的小管家”。
```
with open('example.txt', 'w', encoding='utf-8') as file:
    file.write('Hello, Python!')
```

三、Python 异常处理

3.1 异常的概念

异常就像是程序运行时的“小插曲”，会打断正常执行流程。常见的异常类型包括：

ValueError：值错误，比如把非数字字符串转换为数字，就像“把方块硬塞进圆孔”。
TypeError：类型错误，比如对不同类型对象进行非法操作，就像“让猫去拉车”。
FileNotFoundError：文件未找到错误，就像“找钥匙找得满头包”。
ZeroDivisionError：除数为零错误，就像“分苹果给零个人”。
IndexError、KeyError：索引或键错误，就像“找错抽屉”。
NameError：未定义变量错误，就像“叫了一个不存在的人”。
ImportError：导入模块错误，就像“找错图书馆”。

3.2 异常处理语法

Python 提供了多种异常处理语法，每种都有自己的“用武之地”：

try-except：捕获并处理异常，就像“提前准备好救生圈”。

try:
    num = int('abc')
except ValueError:
    print("输入的字符串无法转换为整数")

try-finally：无论是否发生异常，finally 块中的代码都会执行，常用于资源释放，就像“无论怎样都要打扫战场”。
```
try:
    file = open('example.txt', 'r')
finally:
    file.close()
```

else 子句：在 try 块中未发生异常时执行，就像“一切顺利，庆祝一下”。

try:
    num = int('123')
except ValueError:
    print("输入的字符串无法转换为整数")
else:
    print("转换成功，数值为:", num)

3.3 自定义异常

通过继承 Exception 类创建自定义异常，就像“打造自己的武器”，用于处理特定业务逻辑错误。

class OutOfStockError(Exception):
    def __init__(self, book_name):
        super().__init__(f"{book_name} 库存不足，无法借阅")
        self.book_name = book_name

# 抛出自定义异常
def borrow_book(book_name):
    if book_name not in book_stock or book_stock[book_name] <= 0:
        raise OutOfStockError(book_name)
    else:
        book_stock[book_name] -= 1
        print(f"{book_name} 借阅成功，剩余库存: {book_stock[book_name]}")

四、综合实例：学生成绩管理系统

4.1 实例需求与背景介绍

开发一个学生成绩管理系统，实现录入学生成绩、查询成绩、统计成绩等功能，并通过文件操作存储数据，同时对可能出现的异常进行处理，确保系统的稳定性和数据的安全性。这个系统就像是一个“成绩管家”，帮助老师和学生管理成绩，再也不用担心成绩丢失或者出错啦！

4.2 代码实现

以下是实现代码：

# 录入学生成绩
def input_student_grades():
    try:
        with open('students_grades.txt', 'a', encoding='utf-8') as file:
            name = input("请输入学生姓名: ")
            student_id = int(input("请输入学生学号: "))
            course = input("请输入课程名称: ")
            grade = float(input("请输入学生成绩: "))
            student_info = f"{name},{student_id},{course},{grade}\n"
            file.write(student_info)
            print("学生成绩录入成功！")
    except ValueError:
        print("输入的学号或成绩格式不正确，请输入有效的数字。")
    except Exception as e:
        print(f"录入成绩时出现错误: {e}")

# 查询学生成绩
def query_student_grades():
    try:
        with open('students_grades.txt', 'r', encoding='utf-8') as file:
            query_type = input("请选择查询方式 (1: 学号, 2: 姓名): ")
            if query_type == '1':
                student_id = int(input("请输入要查询的学号: "))
                found = False
                for line in file:
                    parts = line.strip().split(',')
                    if int(parts[1]) == student_id:
                        print(f"姓名: {parts[0]}, 学号: {parts[1]}, 课程: {parts[2]}, 成绩: {parts[3]}")
                        found = True
                        break
                if not found:
                    print("未找到该学号的学生成绩。")
            elif query_type == '2':
                name = input("请输入要查询的姓名: ")
                found = False
                for line in file:
                    parts = line.strip().split(',')
                    if parts[0] == name:
                        print(f"姓名: {parts[0]}, 学号: {parts[1]}, 课程: {parts[2]}, 成绩: {parts[3]}")
                        found = True
                        break
                if not found:
                    print("未找到该姓名的学生成绩。")
            else:
                print("无效的查询方式，请输入1或2。")
    except FileNotFoundError:
        print("成绩文件不存在，请先录入成绩。")
    except ValueError:
        print("输入的学号格式不正确，请输入有效的数字。")
    except Exception as e:
        print(f"查询成绩时出现错误: {e}")

# 统计学生成绩
def calculate_student_grades():
    try:
        with open('students_grades.txt', 'r', encoding='utf-8') as file:
            student_scores = {}
            for line in file:
                parts = line.strip().split(',')
                name = parts[0]
                grade = float(parts[3])
                if name not in student_scores:
                    student_scores[name] = []
                student_scores[name].append(grade)
            for student, scores in student_scores.items():
                total_score = sum(scores)
                average_score = total_score / len(scores)
                print(f"{student} 的总分: {total_score}, 平均分: {average_score}")
                with open('students_summary.txt', 'a', encoding='utf-8') as summary_file:
                    summary_info = f"{student},{total_score},{average_score}\n"
                    summary_file.write(summary_info)
    except FileNotFoundError:
        print("成绩文件不存在，请先录入成绩。")
    except ValueError:
        print("成绩数据格式不正确，无法计算。")
    except Exception as e:
        print(f"统计成绩时出现错误: {e}")

# 主程序入口
if __name__ == "__main__":
    while True:
        print("1. 录入学生成绩")
        print("2. 查询学生成绩")
        print("3. 统计学生成绩")
        print("4. 退出系统")
        choice = int(input("请选择操作 (1-4): "))
        if choice == 1:
            input_student_grades()
        elif choice == 2:
            query_student_grades()
        elif choice == 3:
            calculate_student_grades()
        elif choice == 4:
            print("退出系统，再见！")
            break
        else:
            print("无效的选择，请重新输入。")

4.3 实例总结与反思

这个系统通过文件操作实现了学生成绩的存储和读取，并利用异常处理机制确保了程序的稳定性和用户体验。不过，它也还有一些“小毛病”，比如数据验证不够严格，文件安全性有待提高，异常处理还可以更精细一些。比如，可以增加数据校验，防止“乱七八糟”的数据进来；可以做文件备份，防止数据“飞了”；还可以记录日志，方便“事后诸葛亮”。总之，这个系统还有很多提升空间，就像“升级打怪”一样，一步步变得更强！

五、总结与展望

5.1 知识回顾与总结

本文详细介绍了 Python 的文件操作和异常处理知识，包括文件的打开、读取、写入和关闭，以及异常的捕获、处理和自定义。通过学生成绩管理系统实例，展示了这些知识在实际项目中的应用。文件操作和异常处理是编写高质量 Python 程序的基础，掌握它们能够有效提升程序的健壮性和效率。总之，这些知识就像是“编程的武功秘籍”，学会了就能在编程江湖中“横着走”！