浅谈Python中的with语句

** with 语句作为 try/finally 编码范式的一种替代，用于对资源访问进行控制的场合，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。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

执行 contextexpression，生成上下文管理器 contextmanager
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)执行语句体 with-body,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.excinfo 得到的异常信息为参数调用 exit(exctype, excvalue, exctraceback)
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： contextmanager.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
*contextmanager.exit(exctype, excvalue, exctraceback) ：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Fals

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。