第十四天：Python 文件處理——讀取與寫入文件

內容概述：

今天我們將學習 Python 中的文件處理，這是日常開發中非常常見的需求之一。無論是讀取文件內容或是將數據寫入文件，掌握文件操作將使你能夠處理更多的資料來源。

一、為什麼需要文件處理？

• 文件處理在程式開發中扮演著重要角色，尤其在需要持久化數據（保存數據）時，例如保存用戶設定、日誌紀錄、報告生成等。
• 文件的操作通常包括 讀取（read）、寫入（write） 和 追加（append）。

二、基本的文件操作

1. 打開文件 open()

• 在 Python 中，可以使用 open() 函數來打開文件。基本語法：

  file = open('filename', 'mode')
  

• 其中，mode 定義了你打開文件的方式：
  • 'r': 讀取模式（read）
  • 'w': 寫入模式（write），如果文件不存在會創建文件，存在則覆蓋。
  • 'a': 追加模式（append），在文件末尾添加內容。
  • 'b': 二進制模式（binary），用於處理非文字文件（如圖片）。

2. 讀取文件 read()

• 讀取文件是將文件內容讀入記憶體中，供程式處理。可以使用 read()、readline() 或 readlines()。
• read() 會讀取整個文件：

  file = open('example.txt', 'r')
  content = file.read()
  print(content)
  file.close()
  

• 記得讀取文件後需要使用 close() 關閉文件，釋放資源。

3. 寫入文件 write()

• 如果需要將數據寫入文件，可以使用 write()：

  file = open('output.txt', 'w')
  file.write("Hello, Python!")
  file.close()
  

4. 追加文件 append()

• 使用 'a' 模式可以在不覆蓋文件內容的前提下，將新數據追加到文件末尾：

  file = open('output.txt', 'a')
  file.write("\nAppending new content.")
  file.close()
  

三、使用 with 語法進行文件操作

• Python 提供了一個更簡潔且安全的方式來進行文件操作，使用 with 語句可以自動關閉文件，即使發生錯誤也不會影響資源釋放。

  with open('example.txt', 'r') as file:
      content = file.read()
      print(content)
  # 文件會自動關閉
  

四、讀取大文件的方式

• 當文件非常大時，直接使用 read() 可能會耗盡記憶體。這時可以使用 readline() 一次讀取一行，或是使用迴圈逐行讀取：

  with open('large_file.txt', 'r') as file:
      for line in file:
          print(line.strip())  # .strip() 可以去除換行符
  

五、文件的讀寫模式

1. 讀取模式 ('r')

   • 用於讀取文件。當文件不存在時，會引發 FileNotFoundError。

2. 寫入模式 ('w')

   • 用於寫入文件，文件不存在時會創建，存在時會覆蓋內容。

3. 追加模式 ('a')

   • 用於向文件末尾追加內容，文件不存在時會創建文件。

4. 二進制模式 ('b')

   • 適用於非文字文件，如圖片、音樂等。
   • 結合讀取或寫入模式，如 'rb'、'wb'。

六、實作範例

範例 1：從文件讀取內容

假設有一個名為 students.txt 的文件，裡面記錄了學生名單，我們可以讀取並輸出它的內容：

with open('students.txt', 'r') as file:
    content = file.read()
    print("學生名單:")
    print(content)

範例 2：將輸出結果寫入文件

我們可以將一個程式的運行結果保存到文件中，方便後續查看：

result = "計算結果: 50"

with open('result.txt', 'w') as file:
    file.write(result)

print("結果已保存到 result.txt 文件中。")

範例 3：讀取 CSV 文件

CSV（逗號分隔值）是一種常見的資料儲存格式，我們可以使用 Python 內建的 csv 模組來讀取這類文件：

import csv

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

七、處理文件錯誤

1. FileNotFoundError

   • 當嘗試打開一個不存在的文件時，會引發這個錯誤。我們可以使用 try-except 來處理：

     try:
         with open('non_existent_file.txt', 'r') as file:
             content = file.read()
     except FileNotFoundError:
         print("文件不存在。")
     

2. 權限錯誤

   • 當沒有讀取或寫入文件的權限時，會引發 PermissionError，這通常發生在嘗試訪問系統或受保護的文件時。

八、練習與實作

練習 1：文件讀取與錯誤處理

• 寫一個程式，要求用戶輸入一個文件名，然後讀取並顯示文件內容。如果文件不存在，顯示錯誤訊息。

練習 2：文件寫入與追加

• 建立一個簡單的日誌系統，每次程式運行時，將時間戳記和執行結果追加到一個日誌文件中。

練習 1：文件讀取與錯誤處理

這個練習要求編寫一個程式來讀取使用者輸入的檔案名，並顯示其內容。若檔案不存在，則顯示錯誤訊息。

def read_file():
    filename = input("請輸入檔案名稱: ")
    try:
        with open(filename, 'r', encoding='utf-8') as file:
            content = file.read()
            print("檔案內容如下：")
            print(content)
    except FileNotFoundError:
        print(f"錯誤：檔案 {filename} 不存在。")
    except Exception as e:
        print(f"發生錯誤：{e}")

# 測試程式
read_file()

解釋：

• open()：嘗試以讀取模式開啟指定檔案。
• FileNotFoundError：捕捉當檔案不存在時引發的錯誤，顯示提示訊息。
• Exception：捕捉其他潛在錯誤，提供通用的錯誤處理。

練習 2：文件寫入與追加

建立一個簡單的日誌系統，每次程式運行時，將當前的時間戳記和執行結果追加到一個日誌檔案中。

import datetime

def log_result(result):
    timestamp = datetime.datetime.now().strftime('%Y-%m-%d %H:%M:%S')
    log_entry = f"{timestamp} - 執行結果: {result}\n"
    
    with open("log.txt", "a", encoding='utf-8') as log_file:
        log_file.write(log_entry)

    print("日誌已更新。")

# 測試程式
result = "程式運行成功"
log_result(result)

解釋：

• datetime.datetime.now()：獲取當前的日期和時間，並格式化為字串。
• "a" 模式：使用追加模式 (a) 打開檔案，這樣每次運行時會將新內容追加到檔案末尾，而不覆蓋現有內容。
• log_result 函數：將執行結果和時間戳寫入日誌檔案。

這些範例展示了如何進行文件的讀取與寫入，以及如何有效地處理錯誤並在每次程式運行時更新日誌檔案。

九、學習總結

今天我們學習了如何進行基本的文件操作，包括讀取、寫入和追加文件，並且了解到如何使用 with 語句更安全地管理文件資源。掌握這些技巧，將使你能夠處理真實世界中的數據文件，更加靈活地完成各種應用場景。

下一堂課預告

第十五天：Python 進階：物件導向程式設計 (OOP) 的基礎