文件 I/O（输入/输出）是指在程序中与文件进行交互的操作。在 Python 中，可以使用内置的 open() 函数来打开文件，并使用文件对象的方法来进行读写操作。文件 I/O 是处理数据存储和读取的常见方式，尤其在需要持久化数据时非常有用。
1. 引言
文件 I/O 是 Python 中非常基础且重要的一部分。通过文件 I/O，我们可以读取文件中的数据，将数据写入文件，或者以二进制格式进行文件操作。Python 提供了多种方法来操作文件，并具有自动管理文件资源的功能。
2. 打开文件
2.1 使用 open() 函数
在 Python 中，使用 open() 函数来打开文件。该函数的基本语法如下：
file = open(filename, mode)
filename：文件名或文件路径。mode：文件打开模式，指定文件的操作方式（读取、写入、追加等）。
2.2 文件打开模式
'r'：只读模式（默认模式）。如果文件不存在，会抛出FileNotFoundError。'w'：写入模式。如果文件存在，文件会被覆盖；如果文件不存在，会创建一个新文件。'a'：追加模式。如果文件不存在，会创建一个新文件；如果文件存在，数据会被添加到文件末尾。'b'：二进制模式，用于处理二进制文件（如图片、音频等）。'x'：排它性创建文件模式。如果文件已存在，则抛出FileExistsError。't'：文本模式（默认模式）。
示例：打开文件并读取内容
file = open("example.txt", "r")
content = file.read()
print(content)
file.close()
3. 文件读取
Python 提供了多种方式来读取文件的内容。
3.1 read() 方法
read() 方法一次性读取文件中的所有内容，返回一个字符串。
file = open("example.txt", "r")
content = file.read() # 读取文件的所有内容
print(content)
file.close()
3.2 readline() 方法
readline() 方法读取文件中的一行内容，返回一个字符串。可以多次调用 readline() 来逐行读取文件。
file = open("example.txt", "r")
line = file.readline() # 读取第一行
print(line)
file.close()
3.3 readlines() 方法
readlines() 方法读取文件中的所有行，并将每行作为一个元素存入列表中。
file = open("example.txt", "r")
lines = file.readlines() # 读取所有行，返回一个列表
print(lines)
file.close()
4. 文件写入
在 Python 中，可以使用 write() 或 writelines() 方法将数据写入文件。
4.1 write() 方法
write() 方法将字符串写入文件。如果文件已经存在，内容会被覆盖。
file = open("example.txt", "w")
file.write("Hello, world!") # 写入内容
file.close()
4.2 writelines() 方法
writelines() 方法接受一个列表，将列表中的每个元素写入文件。每个元素必须是一个字符串。
lines = ["Hello, world!\n", "Welcome to Python!\n"]
file = open("example.txt", "w")
file.writelines(lines) # 写入多行内容
file.close()
5. 文件操作的上下文管理
为了确保文件在操作完成后被正确关闭，推荐使用 with 语句，它会自动处理文件的打开和关闭。
示例：使用 with 语句打开文件
with open("example.txt", "r") as file:
content = file.read()
print(content)
# 文件在退出 `with` 语句后自动关闭
使用 with 语句，可以避免忘记关闭文件带来的潜在问题。
6. 文件的二进制操作
当处理二进制文件（如图片、音频文件等）时，需要以二进制模式打开文件，通常使用 'rb' 或 'wb' 模式。
示例：读取二进制文件
with open("image.jpg", "rb") as file:
content = file.read() # 读取二进制文件内容
print(content)
示例：写入二进制文件
data = b'\x89PNG\r\n\x1a\n' # 示例二进制数据
with open("output.png", "wb") as file:
file.write(data) # 写入二进制数据
7. 文件的定位与移动
可以使用 seek() 方法来定位文件指针的位置，tell() 方法来获取当前文件指针的位置。
7.1 seek() 方法
seek(offset, whence)：移动文件指针到指定位置。
offset：相对于whence的偏移量，单位是字节。whence：可选的起始位置（默认为os.SEEK_SET）：os.SEEK_SET：文件开头os.SEEK_CUR：当前位置os.SEEK_END：文件末尾
with open("example.txt", "r") as file:
file.seek(5) # 从文件开头偏移 5 字节
content = file.read()
print(content)
7.2 tell() 方法
tell() 返回当前文件指针的位置。
with open("example.txt", "r") as file:
file.seek(5)
print(file.tell()) # 输出当前指针位置
8. 关闭文件
虽然使用 with 语句时文件会自动关闭，但如果没有使用 with，则需要显式调用 close() 方法来关闭文件。
file = open("example.txt", "r")
content = file.read()
file.close() # 显式关闭文件
9. 异常处理
在进行文件操作时，可能会遇到各种异常情况，例如文件不存在、权限不足等。可以使用 try...except 语句来捕获异常并处理。
示例：捕获文件打开异常
try:
file = open("nonexistent.txt", "r")
except FileNotFoundError:
print("文件未找到！")
10. 结论
文件 I/O 是 Python 中常见且强大的功能，可以帮助开发者处理各种类型的文件。通过合理使用文件的读写操作和上下文管理，可以有效地提高代码的可读性和可靠性。Python 提供了多种方法和模式来满足不同的文件操作需求，例如二进制文件的处理、定位文件指针以及处理文件打开错误等。
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