浅谈 Python 的 with 语句

Question

with 语句是从 Python 2.5 开始引入的一种与异常处理相关的功能（2.5 版本中要通过 from future import with_statement 导入后才可以使用），从 2.6 版本开始缺省可用（参考 What’s new in Python 2.6? 中 with 语句相关部分介绍）。with 语句适用于对资源进行访问的场合，确保不管使用过程中是否发生异常都会执行必要的”清理”操作，释放资源，比如文件使用后自动关闭、线程中锁的自动获取和释放等。

术语

要使用 with 语句，首先要明白上下文管理器这一概念。有了上下文管理器，with 语句才能工作。

下面是一组与上下文管理器和 with 语句有关的概念。

• 上下文管理协议（Context Management Protocol） ：包含方法 enter() 和 exit()，支持该协议的对象要实现这两个方法。
• 上下文管理器（Context Manager） ：支持上下文管理协议的对象，这种对象实现了 enter() 和 exit() 方法。上下文管理器定义执行 with 语句时要建立的运行时上下文，负责执行 with 语句块上下文中的进入与退出操作。通常使用 with 语句调用上下文管理器，也可以通过直接调用其方法来使用。
• 运行时上下文（runtime context） ：由上下文管理器创建，通过上下文管理器的 enter() 和 exit() 方法实现， enter() 方法在语句体执行之前进入运行时上下文， exit() 在语句体执行完后从运行时上下文退出。with 语句支持运行时上下文这一概念。
• 上下文表达式（Context Expression） ：with 语句中跟在关键字 with 之后的表达式，该表达式要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。

基本语法和工作原理

with 语句的语法格式如下：

清单 1. with 语句的语法格式

with context_expression [as target(s)]:
    with-body

这里 context expression 要返回一个上下文管理器对象，该对象并不赋值给 as 子句中的 target(s) ，如果指定了 as 子句的话，会将上下文管理器的 _enter() 方法的返回值赋值给 target(s)。target(s) 可以是单个变量，或者由”()”括起来的元组（不能是仅仅由”,”分隔的变量列表，必须加”()”）。

Python 对一些内建对象进行改进，加入了对上下文管理器的支持，可以用于 with 语句中，比如可以自动关闭文件、线程锁的自动获取和释放等。假设要对一个文件进行操作，使用 with 语句可以有如下代码：

清单 2. 使用 with 语句操作文件对象

with open(r'somefileName') as somefile:
    for line in somefile:
      print line
      # ...more code

这里使用了 with 语句，不管在处理文件过程中是否发生异常，都能保证 with 语句执行完毕后已经关闭了打开的文件句柄。如果使用传统的 try/finally 范式，则要使用类似如下代码：

清单 3. try/finally 方式操作文件对象

somefile = open(r'somefileName')
  try:
    for line in somefile:
      print line
      # ...more code
  finally:
    somefile.close()

比较起来，使用 with 语句可以减少编码量。已经加入对上下文管理协议支持的还有模块 threading、decimal 等。

PEP 0343 对 with 语句的实现进行了描述。with 语句的执行过程类似如下代码块：

清单 4. with 语句执行过程

context_manager = context_expression
  exit = type(context_manager).__exit__
  value = type(context_manager).__enter__(context_manager)
  exc = True   # True 表示正常执行，即便有异常也忽略；False 表示重新抛出异常，需要对异常进行处理
  try:
    try:
      target = value  # 如果使用了 as 子句
      with-body   # 执行 with-body
    except:
      # 执行过程中有异常发生
      exc = False
      # 如果 __exit__ 返回 True，则异常被忽略；如果返回 False，则重新抛出异常
      # 由外层代码对异常进行处理
      if not exit(context_manager, *sys.exc_info()):
        raise
  finally:
    # 正常退出，或者通过 statement-body 中的 break/continue/return 语句退出
    # 或者忽略异常退出
    if exc:
      exit(context_manager, None, None, None)
    # 缺省返回 None，None 在布尔上下文中看做是 False

1. 执行 context_expression，生成上下文管理器 context_manager
2. 调用上下文管理器的 enter() 方法；如果使用了 as 子句，则将 enter() 方法的返回值赋值给 as 子句中的 target(s)
3. 执行语句体 with-body
4. 不管是否执行过程中是否发生了异常，执行上下文管理器的 exit() 方法， exit() 方法负责执行”清理”工作，如释放资源等。如果执行过程中没有出现异常，或者语句体中执行了语句 break/continue/return，则以 None 作为参数调用 exit(None, None, None) ；如果执行过程中出现异常，则使用 sys.exc info 得到的异常信息为参数调用 _exit(exc_type, exc_value, exc_traceback)
5. 出现异常时，如果 exit(type, value, traceback) 返回 False，则会重新抛出异常，让with 之外的语句逻辑来处理异常，这也是通用做法；如果返回 True，则忽略异常，不再对异常进行处理

自定义上下文管理器

开发人员可以自定义支持上下文管理协议的类。自定义的上下文管理器要实现上下文管理协议所需要的 enter() 和 exit() 两个方法：

• context manager._enter() ：进入上下文管理器的运行时上下文，在语句体执行前调用。with 语句将该方法的返回值赋值给 as 子句中的 target，如果指定了 as 子句的话

• context manager._exit(exc_type, exc_value, exc_traceback) ：退出与上下文管理器相关的运行时上下文，返回一个布尔值表示是否对发生的异常进行处理。参数表示引起退出操作的异常，如果退出时没有发生异常，则3个参数都为None。如果发生异常，返回

  True 表示不处理异常，否则会在退出该方法后重新抛出异常以由 with 语句之外的代码逻辑进行处理。如果该方法内部产生异常，则会取代由 statement-body 中语句产生的异常。要处理异常时，不要显示重新抛出异常，即不能重新抛出通过参数传递进来的异常，只需要将返回值设置为 False 就可以了。之后，上下文管理代码会检测是否 exit() 失败来处理异常

下面通过一个简单的示例来演示如何构建自定义的上下文管理器。注意，上下文管理器必须同时提供 enter() 和 exit() 方法的定义，缺少任何一个都会导致 AttributeError；with 语句会先检查是否提供了 exit() 方法，然后检查是否定义了 enter() 方法。

假设有一个资源 DummyResource，这种资源需要在访问前先分配，使用完后再释放掉；分配操作可以放到 enter() 方法中，释放操作可以放到 exit() 方法中。简单起见，这里只通过打印语句来表明当前的操作，并没有实际的资源分配与释放。

清单 5. 自定义支持 with 语句的对象

class DummyResource:
  def __init__(self, tag):
      self.tag = tag
      print 'Resource [%s]' % tag
    def __enter__(self):
      print '[Enter %s]: Allocate resource.' % self.tag
      return self    # 可以返回不同的对象
    def __exit__(self, exc_type, exc_value, exc_tb):
      print '[Exit %s]: Free resource.' % self.tag
      if exc_tb is None:
        print '[Exit %s]: Exited without exception.' % self.tag
      else:
        print '[Exit %s]: Exited with exception raised.' % self.tag
        return False   # 可以省略，缺省的None也是被看做是False

DummyResource 中的 enter() 返回的是自身的引用，这个引用可以赋值给 as 子句中的 target 变量；返回值的类型可以根据实际需要设置为不同的类型，不必是上下文管理器对象本身。

exit() 方法中对变量 exc tb 进行检测，如果不为 None，表示发生了异常，返回 False 表示需要由外部代码逻辑对异常进行处理；注意到如果没有发生异常，缺省的返回值为 None，在布尔环境中也是被看做 False，但是由于没有异常发生，_exit() 的三个参数都为 None，上下文管理代码可以检测这种情况，做正常处理。

下面在 with 语句中访问 DummyResource ：

清单 6. 使用自定义的支持 with 语句的对象

with DummyResource('Normal'):
    print '[with-body] Run without exceptions.'

  with DummyResource('With-Exception'):
    print '[with-body] Run with exception.'
    raise Exception
    print '[with-body] Run with exception. Failed to finish statement-body!'

第1个 with 语句的执行结果如下：

清单 7. with 语句1执行结果

Resource [Normal]
  [Enter Normal]: Allocate resource.
  [with-body] Run without exceptions.
  [Exit Normal]: Free resource.
  [Exit Normal]: Exited without exception.

可以看到，正常执行时会先执行完语句体 with-body，然后执行 exit() 方法释放资源。

第2个 with 语句的执行结果如下：

清单 8. with 语句2执行结果

Resource [With-Exception]
  [Enter With-Exception]: Allocate resource.
  [with-body] Run with exception.
  [Exit With-Exception]: Free resource.
  [Exit With-Exception]: Exited with exception raised.

  Traceback (most recent call last):
    File "G:/demo", line 20, in <module>
     raise Exception
  Exception

可以看到，with-body 中发生异常时with-body 并没有执行完，但资源会保证被释放掉，同时产生的异常由 with 语句之外的代码逻辑来捕获处理。

可以自定义上下文管理器来对软件系统中的资源进行管理，比如数据库连接、共享资源的访问控制等。Python 在线文档 Writing Context Managers 提供了一个针对数据库连接进行管理的上下文管理器的简单范例。

contextlib 模块

contextlib 模块提供了3个对象：装饰器 contextmanager、函数 nested 和上下文管理器 closing。使用这些对象，可以对已有的生成器函数或者对象进行包装，加入对上下文管理协议的支持，避免了专门编写上下文管理器来支持 with 语句。

装饰器 contextmanager

contextmanager 用于对生成器函数进行装饰，生成器函数被装饰以后，返回的是一个上下文管理器，其 enter() 和 exit() 方法由 contextmanager 负责提供，而不再是之前的迭代子。被装饰的生成器函数只能产生一个值，否则会导致异常 RuntimeError；产生的值会赋值给 as 子句中的 target，如果使用了 as 子句的话。下面看一个简单的例子。

清单 9. 装饰器 contextmanager 使用示例

from contextlib import contextmanager

  @contextmanager
  def demo():
    print '[Allocate resources]'
    print 'Code before yield-statement executes in __enter__'
    yield '*** contextmanager demo ***'
    print 'Code after yield-statement executes in __exit__'
    print '[Free resources]'

  with demo() as value:
    print 'Assigned Value: %s' % value

结果输出如下：

清单 10. contextmanager 使用示例执行结果

[Allocate resources]
  Code before yield-statement executes in __enter__
  Assigned Value: *** contextmanager demo ***
  Code after yield-statement executes in __exit__
  [Free resources]

可以看到，生成器函数中 yield 之前的语句在 enter() 方法中执行，yield 之后的语句在 exit() 中执行，而 yield 产生的值赋给了 as 子句中的 value 变量。

需要注意的是，contextmanager 只是省略了 enter() / exit() 的编写，但并不负责实现资源的”获取”和”清理”工作；”获取”操作需要定义在 yield 语句之前，”清理”操作需要定义 yield 语句之后，这样 with 语句在执行 enter() / exit() 方法时会执行这些语句以获取/释放资源，即生成器函数中需要实现必要的逻辑控制，包括资源访问出现错误时抛出适当的异常。

函数 nested

nested 可以将多个上下文管理器组织在一起，避免使用嵌套 with 语句。

清单 11. nested 语法

with nested(A(), B(), C()) as (X, Y, Z):
     # with-body code here

类似于：

清单 12. nested 执行过程

with A() as X:
    with B() as Y:
      with C() as Z:
         # with-body code here

需要注意的是，发生异常后，如果某个上下文管理器的 exit() 方法对异常处理返回 False，则更外层的上下文管理器不会监测到异常。

上下文管理器 closing

closing 的实现如下：

清单 13. 上下文管理 closing 实现

class closing(object):
    # help doc here
    def __init__(self, thing):
      self.thing = thing
    def __enter__(self):
      return self.thing
    def __exit__(self, *exc_info):
      self.thing.close()

上下文管理器会将包装的对象赋值给 as 子句的 target 变量，同时保证打开的对象在 with-body 执行完后会关闭掉。closing 上下文管理器包装起来的对象必须提供 close() 方法的定义，否则执行时会报 AttributeError 错误。

清单 14. 自定义支持 closing 的对象

class ClosingDemo(object):
    def __init__(self):
      self.acquire()
    def acquire(self):
      print 'Acquire resources.'
    def free(self):
      print 'Clean up any resources acquired.'
    def close(self):
      self.free()

  with closing(ClosingDemo()):
    print 'Using resources'

结果输出如下：

清单 15. 自定义 closing 对象的输出结果

Acquire resources.
  Using resources
  Clean up any resources acquired.

closing 适用于提供了 close() 实现的对象，比如网络连接、数据库连接等，也可以在自定义类时通过接口 close() 来执行所需要的资源”清理”工作。

结束语

本文对 with 语句的语法和工作机理进行了介绍，并通过示例介绍了如何实现自定义的上下文管理器，最后介绍了如何使用 contextlib 模块来简化上下文管理器的编写。