Python with语句深度解析：语法、原理与异常处理

一、With语句是什么?

在编程中，常遇到一些需要预先设置环境、事后进行清理的任务。针对这类场景，Python提供了非常便捷的with语句。以文件操作为例，通常需要获取文件句柄、读取数据，最后关闭句柄，这一过程若处理不当容易出错。

如果不使用with语句，常规写法如下：

file = open("/tmp/foo.txt")
data = file.read()
file.close()
 

这种写法存在两个主要问题：

首先，开发者容易忘记手动关闭文件句柄；其次，如果在读取数据过程中发生异常，程序可能未做处理直接终止，导致资源泄露或状态不一致。

下面是增加了异常处理机制的改进版本：

try:
    f = open('xxx')
except:
    print 'fail to open'
    exit(-1)
try:
    do something
except:
    do something
finally:
     f.close()

尽管这段代码能够正常运行，但其结构过于冗长，增加了维护成本。

此时，with语句的优势便显现出来。它不仅提供了更简洁优雅的语法，还能自动处理上下文环境中产生的异常，确保资源正确释放。

以下是使用with语句后的代码示例：

with open("/tmp/foo.txt") as file:
    data = file.read()

二、with如何工作?

当执行紧跟在with关键字后的语句时，系统会获取返回对象，并调用该对象的__enter__()方法。该方法执行后的返回值会被赋值给as子句指定的变量。当with代码块内的所有逻辑执行完毕后，系统会自动调用该对象的__exit__()方法。

通过以下示例可以具体观察with语句的工作流程：

#!/usr/bin/env python# with_example01.pyclass Sample: def __enter__(self): print "In __enter__()" return "Foo" def __exit__(self, type, value, trace): print "In __exit__()"def get_sample(): return Sample()with get_sample() as sample: print "sample:", sample#!/usr/bin/env python
# with_example01.py
class Sample:
    def __enter__(self):
        print "In __enter__()"
        return "Foo"
    def __exit__(self, type, value, trace):
        print "In __exit__()"
def get_sample():
    return Sample()
with get_sample() as sample:
    print "sample:", sample

运行上述代码，控制台输出结果如下：

bash-3.2$ ./with_example01.py
In __enter__()
sample: Foo
In __exit__()

正如你看到的: 
1. __enter__()方法被执行 
2. __enter__()方法返回的值 - 这个例子中是”Foo”，赋值给变量’sample’ 
3. 执行代码块，打印变量”sample”的值为 “Foo” 
4. __exit__()方法被调用 

with语句最强大的功能在于其对异常的处理能力。你可能已经注意到，Sample类的__exit__方法接收val、type和trace三个参数。

这三个参数在异常处理中至关重要。让我们修改代码以观察其具体工作机制。 #!/usr/bin/env python # with_example02.py class Sample: def __enter__(self): return self def __exit__(self, type, value, trace): print "type:", type print "value:", value print "trace:", trace def do_something(self): bar = 1/0 return bar + 10 with Sample() as sample: sample.do_something()

在此示例中，with后的get_sample()被替换为Sample()。这并不影响逻辑，只要with后语句返回的对象实现了__enter__()和__exit__()方法即可。

在本例中，Sample()的__enter__()方法返回新创建的Sample对象，并将其赋值给变量sample。

代码执行后的结果如下：

bash-3.2$ ./with_example02.py
type: <type 'exceptions.ZeroDivisionError'>
value: integer division or modulo by zero
trace: <traceback object at 0x1004a8128>
Traceback (most recent call last):
  File "./with_example02.py", line 19, in <module>
    sample.do_something()
  File "./with_example02.py", line 15, in do_something
    bar = 1/0
ZeroDivisionError: integer division or modulo by zero

实际上，当with包裹的代码块抛出任何异常时，__exit__()方法会被立即调用。如示例所示，异常抛出时，与之关联的type（类型）、value（值）和trace（追踪信息）会传递给__exit__()方法，因此ZeroDivisionError异常的具体信息被打印出来。

在开发库时，清理资源、关闭文件等操作，都可以封装在__exit__方法中，确保资源释放的可靠性。

此外，__exit__除了用于执行清理操作（tear things down），还可以监控和处理异常。请注意其后续参数。如果需要跳过某个特定异常，只需让该函数返回True即可。

下面的示例代码演示了如何跳过所有TypeError异常，而让其他类型的异常正常向外抛出。

def __exit__(self, type, value, traceback):
    return isinstance(value, TypeError)

总之，with-as表达式极大地简化了finally块的编写工作，对保持代码的优雅性和可读性有极大帮助。

如果需要同时管理多个资源，可以按以下方式编写：

with open("x.txt") as f1, open('xxx.txt') as f2:
    do something with f1,f2

因此，Python的with语句提供了一种高效的机制，使代码更加简练，同时在产生异常时，清理工作也变得更加简单和可靠。

三、相关术语

要正确使用with语句，首先需要理解“上下文管理器”这一概念。只有实现了上下文管理器，with语句才能正常工作。以下是一组与上下文管理器和with语句相关的核心概念。

上下文管理协议（Context Management Protocol）：该协议包含__enter__()和__exit__()两个方法，支持该协议的对象必须实现这两个方法。

上下文管理器（Context Manager）：支持上下文管理协议的对象，即实现了__enter__()和__exit__()方法的对象。上下文管理器定义了执行with语句时要建立的运行时上下文，负责执行with语句块中的进入与退出操作。通常通过with语句调用上下文管理器，也可以直接调用其方法。

运行时上下文（runtime context）：由上下文管理器创建，通过__enter__()和__exit__()方法实现。__enter__()在语句体执行前进入运行时上下文，__exit__()在语句体执行完后退出运行时上下文。with语句正是基于这一概念设计的。

上下文表达式（Context Expression）：with语句中跟在关键字with之后的表达式，该表达式必须返回一个上下文管理器对象。

语句体（with-body）：with语句包裹起来的代码块。在执行语句体之前，会调用上下文管理器的__enter__()方法；执行完语句体之后，会执行__exit__()方法。

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