第21课：文件读写操作（open, read, write）

学习目标

通过本课的学习，你将能够：

掌握使用 open() 函数打开文件，并理解文件模式（'r', 'w', 'a'）的区别。
熟练使用 read(), readline(), readlines() 读取文件内容。
使用 write() 和 writelines() 将数据写入文件。
理解文件操作后关闭文件的重要性，并了解处理文件操作时可能遇到的常见错误。

核心概念

1. 打开文件：`open()` 函数

在Python中，操作文件的第一步是打开它。这就像你打开一个记事本准备读写一样。open() 函数就是负责这个工作的。它的基本形式是：open(文件名, 模式)。

文件名：要操作的文件的路径和名称（例如：'data.txt' 或 'D:/project/report.csv'）。
模式：指定你打开文件想做什么。
- 'r'：读取模式（默认）。文件必须存在，否则会报错。
- 'w'：写入模式。如果文件存在，会清空其内容再写入；如果文件不存在，会创建新文件。
- 'a'：追加模式。如果文件存在，新内容会添加到文件末尾；如果文件不存在，会创建新文件。

2. 读取文件内容

文件打开后，你就可以读取里面的内容了，就像阅读一本书。

read()：一次性读取文件的全部内容，并返回一个字符串。
readline()：每次只读取文件的一行，并返回一个字符串。
readlines()：读取文件的所有行，并返回一个列表，其中每一行是列表的一个元素。

3. 写入文件内容

除了读，你也可以往文件里"写字"。

write(字符串)：将一个字符串写入文件。注意，它不会自动在字符串末尾添加换行符 \n，你需要手动添加。
writelines(字符串列表)：将一个字符串列表写入文件，列表中的每个字符串都会被写入，但同样不会自动添加换行符，通常需要在列表元素末尾自行处理换行。

4. 关闭文件：`close()`

操作完成后，必须关闭文件。这就像用完记事本后要点击关闭一样。关闭文件可以释放系统资源，并确保所有写入的数据都从缓冲区真正保存到磁盘文件中。如果忘记关闭，可能会导致数据丢失或文件被锁住。

代码示例

下面是一个完整的示例，演示了如何创建一个文件、写入内容，然后读取并显示内容。

# 步骤一：以写入模式('w')打开文件，并写入内容
# 注意：使用`with open(...) as file:`语句是更好的做法（下节课详解），这里先用最基础的方式演示。
try:
    # 1. 打开文件
    file = open('my_diary.txt', 'w', encoding='utf-8')
    
    # 2. 写入一些内容
    file.write('2023年10月27日，天气晴朗。\n')  # 手动添加换行符
    file.write('今天我学会了用Python写文件！\n')
    file.write('感觉很有趣，希望明天继续学习。\n')
    
    # 使用 writelines 写入一个列表
    lines = ['第一行列表内容\n', '第二行列表内容\n']
    file.writelines(lines)
    
    # 3. 关闭文件，确保内容保存
    file.close()
    print("文件写入完成！")
except IOError as e:
    print(f"写入文件时发生错误：{e}")

# 步骤二：以读取模式('r')打开同一个文件，读取内容
try:
    file = open('my_diary.txt', 'r', encoding='utf-8')
    
    # 读取整个文件内容
    content = file.read()
    print("== 文件全部内容 (read()) ==")
    print(content)
    
    # 记得关闭后，如果要再次读取，需要重新定位指针或重新打开
    file.seek(0)  # 将文件指针移回文件开头
    
    # 逐行读取
    print("\n== 逐行读取 (readline()) ==")
    line = file.readline()
    while line:  # 当line不为空字符串（即未到文件末尾）时循环
        print(f"读到行: {line.strip()}")  # strip()用于去除末尾的换行符和空白
        line = file.readline()
    
    file.close()
    
    # 重新打开，使用readlines()
    file = open('my_diary.txt', 'r', encoding='utf-8')
    all_lines = file.readlines()
    print(f"\n== 使用readlines()获得的列表 ({len(all_lines)}行) ==")
    for i, line in enumerate(all_lines, 1):
        print(f"{i}: {line.strip()}")
    file.close()
except FileNotFoundError:
    print("错误：找不到要读取的文件。")
except IOError as e:
    print(f"读取文件时发生错误：{e}")

预期输出：

文件写入完成！
== 文件全部内容 (read()) ==
2023年10月27日，天气晴朗。
今天我学会了用Python写文件！
感觉很有趣，希望明天继续学习。
第一行列表内容
第二行列表内容

== 逐行读取 (readline()) ==
读到行: 2023年10月27日，天气晴朗。
读到行: 今天我学会了用Python写文件！
读到行: 感觉很有趣，希望明天继续学习。
读到行: 第一行列表内容
读到行: 第二行列表内容

== 使用readlines()获得的列表 (5行) ==
1: 2023年10月27日，天气晴朗。
2: 今天我学会了用Python写文件！
3: 感觉很有趣，希望明天继续学习。
4: 第一行列表内容
5: 第二行列表内容

实践练习

练习 1：单词统计器（简单）

编写一个程序，打开一个已经存在的文本文件（例如 'sample.txt'，你可以先自己创建一个），读取其全部内容，然后统计并打印出单词 "Python" 在文件中出现的次数。

要求：使用 read() 读取。
提示：字符串有 count() 方法。

练习 2：学生信息录入（中等）

创建一个名为 'students.txt' 的文件。

提示用户输入3个学生的姓名和年龄（例如："请输入学生1姓名："，"请输入学生1年龄："）。
将每个学生的信息格式化为一行（例如："姓名:张三,年龄:20"）后写入文件，每人一行。
写入完成后，再次读取该文件，将所有学生信息打印出来。

要求：使用 'w' 模式写入，使用 readlines() 读取。

练习 3：日志合并器（较难）

假设有两个日志文件 'log1.txt' 和 'log2.txt'，它们内容分别如下（请先创建这两个文件）：

log1.txt:

2023-10-01 10:00 系统启动
2023-10-01 12:30 用户A登录

log2.txt:

2023-10-02 09:15 系统更新
2023-10-02 18:00 用户B登出

编写一个程序，将这两个日志文件的内容按时间顺序（这里简单地假设文件本身已按时间排序，且按文件顺序合并即可）合并到一个新文件 'merged_log.txt' 中。

要求：先读取 log1.txt 的所有行，再读取 log2.txt 的所有行，将两个列表合并后写入新文件。

常见错误

文件模式误用：
- 用 'w' 模式打开一个已有文件，导致原内容被清空。如果只是想追加内容，应该用 'a' 模式。
- 用 'r' 模式打开一个不存在的文件，会引发 FileNotFoundError。在读取前最好用 os.path.exists() 检查。
忘记关闭文件：
- 这是最常见的问题之一。没有调用 close()，写入的内容可能还在内存缓冲区，没有真正写入磁盘，导致数据"丢失"。这就是为什么下节课我们要学习更安全的 with 语句。
路径问题：
- 使用相对路径（如 'data.txt'）时，程序会在当前工作目录下寻找文件。如果当前目录不是你代码所在的目录，就会找不到文件。可以使用绝对路径或确保当前目录正确。
编码问题：
- 读写包含中文等非ASCII字符的文件时，务必在 open() 函数中指定 encoding='utf-8'（或其他正确的编码），否则可能出现乱码或报错。

小结

本课我们学习了Python中最基础的文件I/O操作：

打开文件：使用 open(文件名, 模式) 函数，模式决定了操作类型（读、写、追加）。
读取文件：read() 读全部，readline() 读一行，readlines() 读所有行到列表。
写入文件：write() 写一个字符串，writelines() 写一个字符串列表。
关闭文件：操作完成后务必调用 close() 方法，以保存数据和释放资源。

记住文件操作的"三步曲"：打开 -> 操作 -> 关闭。在下一课中，我们将学习 with 语句（上下文管理器），它能自动为我们处理文件的关闭操作，让代码更简洁、更安全。

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