浅谈Python的with语句

1. 引言

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。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。

2.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。

3. 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。

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

4. 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。如果指定了 as 子句的话，with 语句将该方法的返回值赋值给 as 子句中的 target。
• 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

1 with DummyResource('Normal'):
2     print '[with-body] Run without exceptions.'
3  
4 with DummyResource('With-Exception'):
5     print '[with-body] Run with exception.'
6     raise Exception
7     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

1 Resource [Normal]
2 [Enter Normal]: Allocate resource.
3 [with-body] Run without exceptions.
4 [Exit Normal]: Free resource.
5 [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

 1 Resource [With-Exception]
 2 [Enter With-Exception]: Allocate resource.
 3 [with-body] Run with exception.
 4 [Exit With-Exception]: Free resource.
 5 [Exit With-Exception]: Exited with exception raised.
 6  
 7 Traceback (most recent call last):
 8   File "G:/demo", line 20, in <module>
 9    raise Exception
10 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。

5. 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

 1 from contextlib import contextmanager
 2  
 3 @contextmanager
 4 def demo():
 5     print '[Allocate resources]'
 6     print 'Code before yield-statement executes in __enter__'
 7     yield '*** contextmanager demo ***'
 8     print 'Code after yield-statement executes in __exit__'
 9     print '[Free resources]'
10  
11 with demo() as value:
12     print 'Assigned Value: %s' % value

结果输出如下：

清单 10. contextmanager 使用示例执行结果

1 [Allocate resources]
2 Code before yield-statement executes in __enter__
3 Assigned Value: *** contextmanager demo ***
4 Code after yield-statement executes in __exit__
5 [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

1 with nested(A(), B(), C()) as (X, Y, Z):
2      # 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

 1 class ClosingDemo(object):
 2     def __init__(self):
 3         self.acquire()
 4     def acquire(self):
 5         print 'Acquire resources.'
 6     def free(self):
 7         print 'Clean up any resources acquired.'
 8     def close(self):
 9         self.free()
10  
11 with closing(ClosingDemo()):
12     print 'Using resources'

 结果输出如下：

清单 15. 自定义 closing 对象的输出结果

1 Acquire resources.
2 Using resources
3 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。

再看个例子：

清单 16. 上下文管理器使用分析：

 1 from contextlib import contextmanager 
 2 
 3 @contextmanager 
 4 def transaction(db): 
 5     db.begin() 
 6     try: 
 7         yield db 
 8     except: 
 9         db.rollback() 
10         raise 
11     else: 
12         db.commit()
13             

第一眼上看去，这种实现方式更为简单，但是其机制更为复杂。看一下其执行过程吧：

1. Python解释器识别到yield关键字后，def会创建一个生成器函数替代常规的函数（在类定义之外我喜欢用函数代替方法）。

2. 装饰器contextmanager被调用并返回一个帮助方法，这个帮助函数在被调用后会生成一个GeneratorContextManager实例。最终with表达式中的EXPR调用的是由contentmanager装饰器返回的帮助函数。

3. with表达式调用transaction(db)，实际上是调用帮助函数。帮助函数调用生成器函数，生成器函数创建一个生成器。

4. 帮助函数将这个生成器传递给GeneratorContextManager，并创建一个GeneratorContextManager的实例对象作为上下文管理器。

5. with表达式调用实例对象的上下文管理器的__enter()__方法。

6. __enter()__方法中会调用这个生成器的next()方法。这时候，生成器方法会执行到yield db处停止，并将db作为next()的返回值。如果有as VAR，那么它将会被赋值给VAR。

7. with中的BLOCK被执行。

8. BLOCK执行结束后，调用上下文管理器的__exit()__方法。__exit()__方法会再次调用生成器的next()方法。如果发生StopIteration异常，则pass。

9. 如果没有发生异常生成器方法将会执行db.commit()，否则会执行db.rollback()。

小结

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。

参考：

1、简书：乐乐乐乐乐正
链接：https://www.jianshu.com/p/4aaa570616bf

2、IBM developerworks

连接：https://www.ibm.com/developerworks/cn/opensource/os-cn-pythonwith/