7. 输入与输出¶
程序输出有几种显示方式；数据既可以输出供人阅读的形式，也可以写入文件备用。本章探讨一些可用的方式。
7.1. 更复杂的输出格式¶
到目前为止我们已遇到过两种写入值的方式: 表达式语句 和 print() 函数。 （第三种方式是使用文件对象的 write() 方法；标准输出文件可以被引用为 sys.stdout。 更多相关信息请参阅标准库参考）。
对输出格式的控制不只是打印空格分隔的值，还需要更多方式。格式化输出包括以下几种方法。
使用 格式化字符串字面值 ，要在字符串开头的引号/三引号前添加
f或F。在这种字符串中，可以在{和}字符之间输入引用的变量，或字面值的 Python 表达式。>>> year = 2016 >>> event = 'Referendum' >>> f'Results of the {year} {event}' 'Results of the 2016 Referendum'
字符串的
str.format()方法需要更多手动操作。该方法也用{和}标记替换变量的位置，虽然这种方法支持详细的格式化指令，但需要提供格式化信息。>>> yes_votes = 42_572_654 >>> no_votes = 43_132_495 >>> percentage = yes_votes / (yes_votes + no_votes) >>> '{:-9} YES votes {:2.2%}'.format(yes_votes, percentage) ' 42572654 YES votes 49.67%'
最后，还可以用字符串切片和合并操作完成字符串处理操作，创建任何排版布局。字符串类型还支持将字符串按给定列宽进行填充，这些方法也很有用。
如果不需要花哨的输出，只想快速显示变量进行调试，可以用 repr() 或 str() 函数把值转化为字符串。
str() 函数返回供人阅读的值，repr() 则生成适于解释器读取的值（如果没有等效的语法，则强制执行 SyntaxError）。对于没有支持供人阅读展示结果的对象， str() 返回与 repr() 相同的值。一般情况下，数字、列表或字典等结构的值，使用这两个函数输出的表现形式是一样的。字符串有两种不同的表现形式。
示例如下：
>>> s = 'Hello, world.'
>>> str(s)
'Hello, world.'
>>> repr(s)
"'Hello, world.'"
>>> str(1/7)
'0.14285714285714285'
>>> x = 10 * 3.25
>>> y = 200 * 200
>>> s = 'The value of x is ' + repr(x) + ', and y is ' + repr(y) + '...'
>>> print(s)
The value of x is 32.5, and y is 40000...
>>> # The repr() of a string adds string quotes and backslashes:
... hello = 'hello, world\n'
>>> hellos = repr(hello)
>>> print(hellos)
'hello, world\n'
>>> # The argument to repr() may be any Python object:
... repr((x, y, ('spam', 'eggs')))
"(32.5, 40000, ('spam', 'eggs'))"
string 模块包含 Template 类，提供了将值替换为字符串的另一种方法。该类使用 $x 占位符，并用字典的值进行替换，但对格式控制的支持比较有限。
7.1.1. 格式化字符串字面值¶
格式化字符串字面值 （简称为 f-字符串）在字符串前加前缀 f 或 F，通过 {expression} 表达式，把 Python 表达式的值添加到字符串内。
格式说明符是可选的，写在表达式后面，可以更好地控制格式化值的方式。下例将 pi 舍入到小数点后三位：
>>> import math
>>> print(f'The value of pi is approximately {math.pi:.3f}.')
The value of pi is approximately 3.142.
在 ':' 后传递整数，为该字段设置最小字符宽度，常用于列对齐：
>>> table = {'Sjoerd': 4127, 'Jack': 4098, 'Dcab': 7678}
>>> for name, phone in table.items():
... print(f'{name:10} ==> {phone:10d}')
...
Sjoerd ==> 4127
Jack ==> 4098
Dcab ==> 7678
还有一些修饰符可以在格式化前转换值。 '!a' 应用 ascii() ，'!s' 应用 str()，'!r' 应用 repr()：
>>> animals = 'eels'
>>> print(f'My hovercraft is full of {animals}.')
My hovercraft is full of eels.
>>> print(f'My hovercraft is full of {animals!r}.')
My hovercraft is full of 'eels'.
= 说明符可被用于将一个表达式扩展为表达式文本、等号再加表达式求值结果的形式。
>>> bugs = 'roaches'
>>> count = 13
>>> area = 'living room'
>>> print(f'Debugging {bugs=} {count=} {area=}')
Debugging bugs='roaches' count=13 area='living room'
请参阅 自说明型表达式 以了解 = 说明符的更多信息。 有关这些格式说明的详情，请查看针对 格式规格迷你语言 的参考指南。
7.1.2. 字符串 format() 方法¶
str.format() 方法的基本用法如下所示：
>>> print('We are the {} who say "{}!"'.format('knights', 'Ni'))
We are the knights who say "Ni!"
花括号及之内的字符（称为格式字段）被替换为传递给 str.format() 方法的对象。花括号中的数字表示传递给 str.format() 方法的对象所在的位置。
>>> print('{0} and {1}'.format('spam', 'eggs'))
spam and eggs
>>> print('{1} and {0}'.format('spam', 'eggs'))
eggs and spam
str.format() 方法中使用关键字参数名引用值。
>>> print('This {food} is {adjective}.'.format(
... food='spam', adjective='absolutely horrible'))
This spam is absolutely horrible.
位置参数和关键字参数可以任意组合：
>>> print('The story of {0}, {1}, and {other}.'.format('Bill', 'Manfred',
... other='Georg'))
The story of Bill, Manfred, and Georg.
如果不想分拆较长的格式字符串，最好按名称引用变量进行格式化，不要按位置。这项操作可以通过传递字典，并用方括号 '[]' 访问键来完成。
>>> table = {'Sjoerd': 4127, 'Jack': 4098, 'Dcab': 8637678}
>>> print('Jack: {0[Jack]:d}; Sjoerd: {0[Sjoerd]:d}; '
... 'Dcab: {0[Dcab]:d}'.format(table))
Jack: 4098; Sjoerd: 4127; Dcab: 8637678
这也可以通过将 table 字典作为采用 ** 标记的关键字参数传入来实现。
>>> table = {'Sjoerd': 4127, 'Jack': 4098, 'Dcab': 8637678}
>>> print('Jack: {Jack:d}; Sjoerd: {Sjoerd:d}; Dcab: {Dcab:d}'.format(**table))
Jack: 4098; Sjoerd: 4127; Dcab: 8637678
与内置函数 vars() 结合使用时，这种方式非常实用，可以返回包含所有局部变量的字典。
举个例子，以下几行代码将产生一组整齐的数据列，包含给定的整数及其平方与立方:
>>> for x in range(1, 11):
... print('{0:2d} {1:3d} {2:4d}'.format(x, x*x, x*x*x))
...
1 1 1
2 4 8
3 9 27
4 16 64
5 25 125
6 36 216
7 49 343
8 64 512
9 81 729
10 100 1000
str.format() 进行字符串格式化的完整概述详见 格式字符串语法 。
7.1.3. 手动格式化字符串¶
下面是使用手动格式化方式实现的同一个平方和立方的表：
>>> for x in range(1, 11):
... print(repr(x).rjust(2), repr(x*x).rjust(3), end=' ')
... # Note use of 'end' on previous line
... print(repr(x*x*x).rjust(4))
...
1 1 1
2 4 8
3 9 27
4 16 64
5 25 125
6 36 216
7 49 343
8 64 512
9 81 729
10 100 1000
（注意，每列之间的空格是通过使用 print() 添加的：它总在其参数间添加空格。）
字符串对象的 str.rjust() 方法通过在左侧填充空格，对给定宽度字段中的字符串进行右对齐。同类方法还有 str.ljust() 和 str.center() 。这些方法不写入任何内容，只返回一个新字符串，如果输入的字符串太长，它们不会截断字符串，而是原样返回；虽然这种方式会弄乱列布局，但也比另一种方法好，后者在显示值时可能不准确（如果真的想截断字符串，可以使用 x.ljust(n)[:n] 这样的切片操作 。）
另一种方法是 str.zfill() ，该方法在数字字符串左边填充零，且能识别正负号：
>>> '12'.zfill(5)
'00012'
>>> '-3.14'.zfill(7)
'-003.14'
>>> '3.14159265359'.zfill(5)
'3.14159265359'
7.1.4. 旧式字符串格式化方法¶
% 运算符（求余符）也可用于字符串格式化。给定 'string' % values，则 string 中的 % 实例会以零个或多个 values 元素替换。此操作被称为字符串插值。例如：
>>> import math
>>> print('The value of pi is approximately %5.3f.' % math.pi)
The value of pi is approximately 3.142.
printf 风格的字符串格式化 小节介绍更多相关内容。
7.2. 读写文件¶
open() 返回一个 file object ，最常使用的是两个位置参数和一个关键字参数：open(filename, mode, encoding=None)
>>> f = open('workfile', 'w', encoding="utf-8")
第一个实参是文件名字符串。第二个实参是包含描述文件使用方式字符的字符串。mode 的值包括 'r' ，表示文件只能读取；'w' 表示只能写入（现有同名文件会被覆盖）；'a' 表示打开文件并追加内容，任何写入的数据会自动添加到文件末尾。'r+' 表示打开文件进行读写。mode 实参是可选的，省略时的默认值为 'r'。
通常情况下，文件是以 text mode 打开的，也就是说，你从文件中读写字符串，这些字符串是以特定的 encoding 编码的。如果没有指定 encoding ，默认的是与平台有关的（见 open() ）。因为 UTF-8 是现代事实上的标准，除非你知道你需要使用一个不同的编码，否则建议使用 encoding="utf-8" 。在模式后面加上一个 'b' ，可以用 binary mode 打开文件。二进制模式的数据是以 bytes 对象的形式读写的。在二进制模式下打开文件时，你不能指定 encoding 。
在文本模式下读取文件时，默认把平台特定的行结束符（Unix 上为 \n, Windows 上为 \r\n）转换为 \n。在文本模式下写入数据时，默认把 \n 转换回平台特定结束符。这种操作方式在后台修改文件数据对文本文件来说没有问题，但会破坏 JPEG 或 EXE 等二进制文件中的数据。注意，在读写此类文件时，一定要使用二进制模式。
在处理文件对象时，最好使用 with 关键字。优点是，子句体结束后，文件会正确关闭，即便触发异常也可以。而且，使用 with 相比等效的 try-finally 代码块要简短得多：
>>> with open('workfile', encoding="utf-8") as f:
... read_data = f.read()
>>> # We can check that the file has been automatically closed.
>>> f.closed
True
如果没有使用 with 关键字，则应调用 f.close() 关闭文件，即可释放文件占用的系统资源。
警告
调用 f.write() 时，未使用 with 关键字，或未调用 f.close()，即使程序正常退出，也**可能** 导致 f.write() 的参数没有完全写入磁盘。
通过 with 语句，或调用 f.close() 关闭文件对象后，再次使用该文件对象将会失败。
>>> f.close()
>>> f.read()
Traceback (most recent call last):
File "<stdin>", line 1, in <module>
ValueError: I/O operation on closed file.
7.2.1. 文件对象的方法¶
本节下文中的例子假定已创建 f 文件对象。
f.read(size) 可用于读取文件内容，它会读取一些数据，并返回字符串（文本模式），或字节串对象（在二进制模式下）。 size 是可选的数值参数。省略 size 或 size 为负数时，读取并返回整个文件的内容；文件大小是内存的两倍时，会出现问题。size 取其他值时，读取并返回最多 size 个字符（文本模式）或 size 个字节（二进制模式）。如已到达文件末尾，f.read() 返回空字符串（''）。
>>> f.read()
'This is the entire file.\n'
>>> f.read()
''
f.readline() 从文件中读取单行数据；字符串末尾保留换行符（\n），只有在文件不以换行符结尾时，文件的最后一行才会省略换行符。这种方式让返回值清晰明确；只要 f.readline() 返回空字符串，就表示已经到达了文件末尾，空行使用 '\n' 表示，该字符串只包含一个换行符。
>>> f.readline()
'This is the first line of the file.\n'
>>> f.readline()
'Second line of the file\n'
>>> f.readline()
''
从文件中读取多行时，可以用循环遍历整个文件对象。这种操作能高效利用内存，快速，且代码简单：
>>> for line in f:
... print(line, end='')
...
This is the first line of the file.
Second line of the file
如需以列表形式读取文件中的所有行，可以用 list(f) 或 f.readlines()。
f.write(string) 把 string 的内容写入文件，并返回写入的字符数。
>>> f.write('This is a test\n')
15
写入其他类型的对象前，要先把它们转化为字符串（文本模式）或字节对象（二进制模式）：
>>> value = ('the answer', 42)
>>> s = str(value) # convert the tuple to string
>>> f.write(s)
18
f.tell() 返回整数，给出文件对象在文件中的当前位置，表示为二进制模式下时从文件开始的字节数，以及文本模式下的意义不明的数字。
f.seek(offset, whence) 可以改变文件对象的位置。通过向参考点添加 offset 计算位置；参考点由 whence 参数指定。 whence 值为 0 时，表示从文件开头计算，1 表示使用当前文件位置，2 表示使用文件末尾作为参考点。省略 whence 时，其默认值为 0，即使用文件开头作为参考点。
>>> f = open('workfile', 'rb+')
>>> f.write(b'0123456789abcdef')
16
>>> f.seek(5) # Go to the 6th byte in the file
5
>>> f.read(1)
b'5'
>>> f.seek(-3, 2) # Go to the 3rd byte before the end
13
>>> f.read(1)
b'd'
在文本文件（模式字符串未使用 b 时打开的文件）中，只允许相对于文件开头搜索（使用 seek(0, 2) 搜索到文件末尾是个例外），唯一有效的 offset 值是能从 f.tell() 中返回的，或 0。其他 offset 值都会产生未定义的行为。
文件对象还有一些额外的方法，如使用频率较低的 isatty() 和 truncate() 等；有关文件对象的完整指南请查阅标准库参考。
7.2.2. 使用 json 保存结构化数据¶
字符串可以很容易地写入文件或从文件中读取。 数字则更麻烦一些，因为 read() 方法只返回字符串，而字符串必须传给 int() 这样的函数，它接受 '123' 这样的字符串并返回其数值 123。 当你想要保存嵌套列表和字典等更复杂的数据类型时，手动执行解析和序列化操作将会变得非常复杂。
Python 允许你使用流行的数据交换格式 JSON (JavaScript Object Notation)，而不是让用户持续编写和调试代码来将复杂的数据类型存入文件中。 标准库模块 json 可以接受带有层级结构的 Python 数据，并将其转换为字符串表示形式；这个过程称为 serializing。 根据字符串表示形式重建数据则称为 deserializing。 在序列化和反序列化之间，用于代表对象的字符串可以存储在文件或数据库中，或者通过网络连接发送到远端主机。
备注
JSON 格式通常用于现代应用程序的数据交换。程序员早已对它耳熟能详，可谓是交互操作的不二之选。
只需一行简单的代码即可查看某个对象的 JSON 字符串表现形式：
>>> import json
>>> x = [1, 'simple', 'list']
>>> json.dumps(x)
'[1, "simple", "list"]'
dumps() 函数还有一个变体， dump() ，它只将对象序列化为 text file 。因此，如果 f 是 text file 对象，可以这样做：
json.dump(x, f)
要再次解码对象，如果 f 是已打开、供读取的 binary file 或 text file 对象：
x = json.load(f)
备注
JSON文件必须以UTF-8编码。当打开JSON文件作为一个 text file 用于读写时，使用 encoding="utf-8" 。
这种简单的序列化技术可以处理列表和字典，但在 JSON 中序列化任意类的实例，则需要付出额外努力。json 模块的参考包含对此的解释。