第十一天：Python 中的文件讀寫操作

內容概述：

今天我們將學習如何在 Python 中進行文件的讀取與寫入操作。這是一個非常實用的技能，無論是處理文本檔案、記錄日誌，還是讀取 CSV 檔案，學會如何操作文件將大大提升你的程式處理能力。

一、什麼是文件操作？

1. 文件操作的基本概念
   • 在 Python 中，我們可以透過內建的 open() 函式來打開、讀取、寫入和關閉文件。
   • 常見的操作模式有：
     • 'r'：讀取模式（read），只讀取文件內容。
     • 'w'：寫入模式（write），如果文件不存在，會自動創建新文件；若文件已存在，則會覆蓋原有內容。
     • 'a'：追加模式（append），將新的內容加在文件末尾。
2. 文件操作的基本流程
   • 文件操作的基本步驟為：打開文件 → 讀取/寫入 → 關閉文件。打開和關閉文件的過程中應注意文件的正確管理，避免文件未被正確關閉的情況。

二、Python 文件操作語法

1. 打開文件

   • 使用 open() 函式打開文件：

     file = open('example.txt', 'r')  # 以讀取模式打開文件
     

2. 讀取文件內容

   • 讀取文件的三種常見方式：
     1. 讀取整個文件：

        content = file.read()
        print(content)
        

     2. 按行讀取：

        for line in file:
            print(line.strip())  # 每次讀取一行，並去除行末的換行符號
        

     3. 讀取指定字元數：

        part = file.read(10)  # 讀取前 10 個字元
        print(part)
        

3. 關閉文件

   • 在操作完成後，記得使用 close() 方法來關閉文件：

     file.close()
     

4. 使用 with 語法

   • 一種更安全的寫法是使用 with 語法，它會自動在操作結束後關閉文件：

     with open('example.txt', 'r') as file:
         content = file.read()
         print(content)
     

   • with 語法的優勢在於無需手動關閉文件，即使程式中途發生錯誤，文件也會自動關閉。

三、寫入與追加文件

1. 寫入模式 'w'

   • 當我們想要寫入新的文件時，可以使用 'w' 模式：

     with open('output.txt', 'w') as file:
         file.write('這是新寫入的內容。\n')
     

   • 如果文件已經存在，這會覆蓋原有內容。

2. 追加模式 'a'

   • 如果我們想要保留原有內容並在文件末尾添加新的內容，可以使用 'a' 模式：

     with open('output.txt', 'a') as file:
         file.write('這是追加的內容。\n')
     

四、讀取與寫入 CSV 文件

1. 什麼是 CSV 文件？

   • CSV（逗號分隔值）文件是一種簡單的資料儲存格式，常用於儲存表格數據。每一行是一個數據記錄，記錄中的欄位使用逗號分隔。

2. 讀取 CSV 文件

   • Python 提供了 csv 模組來處理 CSV 文件，以下是一個讀取 CSV 文件的範例：

     import csv
     
     with open('data.csv', 'r') as file:
         reader = csv.reader(file)
         for row in reader:
             print(row)
     

3. 寫入 CSV 文件

   • 使用 csv.writer() 可以將資料寫入 CSV 文件：

     import csv
     
     with open('data.csv', 'w', newline='') as file:
         writer = csv.writer(file)
         writer.writerow(['Name', 'Age', 'Country'])  # 寫入表頭
         writer.writerow(['Alice', 30, 'USA'])        # 寫入數據
         writer.writerow(['Bob', 25, 'Canada'])
     

五、文件讀寫實作範例

1. 範例 1：讀取文本文件並計算行數

   • 撰寫一個程式來讀取文件並計算文件中有多少行：

     def count_lines(file_name):
         with open(file_name, 'r') as file:
             lines = file.readlines()
             return len(lines)
     
     # 測試範例
     result = count_lines('example.txt')
     print(f'文件中有 {result} 行。')
     

2. 範例 2：從文件中讀取並分析資料

   • 假設我們有一個 CSV 文件，包含學生的姓名和成績，我們要計算出平均成績：

     import csv
     
     def calculate_average_grade(file_name):
         with open(file_name, 'r') as file:
             reader = csv.reader(file)
             next(reader)  # 跳過表頭
             total_grade = 0
             count = 0
             for row in reader:
                 total_grade += int(row[1])  # 假設成績在第二欄
                 count += 1
             return total_grade / count if count > 0 else 0
     
     # 測試範例
     avg_grade = calculate_average_grade('students.csv')
     print(f'學生的平均成績是 {avg_grade}')
     

六、文件操作的應用場景

1. 日誌記錄系統

   • 日誌系統通常會將運行過程中的重要事件記錄到文件中。這可以幫助開發者了解程式在運行過程中的狀態和錯誤。

2. 資料匯入與匯出

   • 文件讀寫常用於匯入和匯出資料，例如從檔案中讀取數據來進行分析，或者將數據導出至 CSV 檔案進行分享。

3. 讀取設定檔

   • 程式中需要根據設定檔中的參數來調整運行邏輯，這時候文件讀取就會派上用場。

七、練習與實作

練習 1：讀取文本文件

• 寫一個程式，讀取一個文本文件並統計其中的單詞數。

練習 2：追加日誌

• 設計一個簡單的日誌記錄系統，每次運行程式時將當前的時間和一段訊息寫入日誌文件中，並保留歷史紀錄。

練習 3：CSV 文件處理

• 撰寫一個程式來讀取一個包含產品資料的 CSV 文件，然後計算所有產品的平均價格。

八、每日作業

• 作業：寫一個程式來讀取一個包含學生姓名和成績的 CSV 檔案，然後根據成績進行排名並將結果寫入新的 CSV 文件中，並在程式運行時輸出前 3 名學生的姓名和成績。

提示：可以使用 sorted() 函式來對列表進行排序。

解答

這一組練習集中在檔案處理，涵蓋了文本檔案讀取、日誌系統設計以及 CSV 檔案的處理。以下是詳細的解答和程式碼範例。

練習 1：讀取文本文件並統計單詞數

def count_words_in_file(filename):
    try:
        with open(filename, 'r', encoding='utf-8') as file:
            text = file.read()
            words = text.split()
            return len(words)
    except FileNotFoundError:
        print(f"文件 {filename} 未找到。")

# 測試程式
filename = input("請輸入要讀取的文本文件名稱: ")
word_count = count_words_in_file(filename)
if word_count is not None:
    print(f"文件中的單詞數量是: {word_count}")

練習 2：追加日誌

import datetime

def append_log(message, log_filename="log.txt"):
    current_time = datetime.datetime.now().strftime("%Y-%m-%d %H:%M:%S")
    log_entry = f"{current_time} - {message}\n"
    with open(log_filename, 'a', encoding='utf-8') as log_file:
        log_file.write(log_entry)
    print("日誌已記錄。")

# 測試程式
message = input("請輸入要記錄的訊息: ")
append_log(message)

練習 3：CSV 文件處理（計算平均價格）

import csv

def calculate_average_price(filename):
    total_price = 0
    count = 0
    try:
        with open(filename, newline='', encoding='utf-8') as csvfile:
            reader = csv.DictReader(csvfile)
            for row in reader:
                total_price += float(row['價格'])
                count += 1
        return total_price / count if count > 0 else 0
    except FileNotFoundError:
        print(f"文件 {filename} 未找到。")
    except KeyError:
        print("CSV 文件中找不到 '價格' 欄位。")

# 測試程式
csv_filename = input("請輸入產品資料的 CSV 文件名稱: ")
average_price = calculate_average_price(csv_filename)
if average_price:
    print(f"產品的平均價格是: {average_price:.2f}")

每日作業：讀取學生成績的 CSV 文件並排名

import csv

def rank_students(input_filename, output_filename):
    try:
        with open(input_filename, newline='', encoding='utf-8') as csvfile:
            reader = csv.DictReader(csvfile)
            students = list(reader)
        
        # 根據成績排序
        students_sorted = sorted(students, key=lambda x: float(x['成績']), reverse=True)
        
        # 將排名結果寫入新的 CSV 文件
        with open(output_filename, 'w', newline='', encoding='utf-8') as csvfile:
            fieldnames = ['姓名', '成績']
            writer = csv.DictWriter(csvfile, fieldnames=fieldnames)
            writer.writeheader()
            writer.writerows(students_sorted)
        
        # 輸出前 3 名的學生姓名和成績
        top_students = students_sorted[:3]
        print("前 3 名的學生: ")
        for student in top_students:
            print(f"{student['姓名']}: {student['成績']}")
    
    except FileNotFoundError:
        print(f"文件 {input_filename} 未找到。")
    except KeyError:
        print("CSV 文件中找不到 '姓名' 或 '成績' 欄位。")

# 測試程式
input_csv = input("請輸入學生成績的 CSV 文件名稱: ")
output_csv = "student_ranking.csv"
rank_students(input_csv, output_csv)

解釋：

1. 練習 1：我們讀取文本文件，並將文本中的單詞分割為列表，再計算列表中的單詞數量來得到統計結果。

2. 練習 2：這個簡單的日誌系統使用 datetime 模組獲取當前時間，並將訊息與時間戳記追加到日誌文件中。

3. 練習 3：處理 CSV 文件，我們利用 csv.DictReader 來讀取 CSV 文件的資料，並計算所有產品的平均價格。

4. 每日作業：讀取學生名單，根據成績進行排序，並將結果寫入新的 CSV 文件中，同時輸出排名前 3 名的學生姓名與成績。

透過今天的學習，你將掌握如何進行文件的基本操作，並學會讀取和寫入 CSV 檔案，這是日常開發中非常實用的技能。

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