Python 的 with 语句详解

一、简介

with是从Python 2.5 引入的一个新的语法，更准确的说，是一种上下文的管理协议，用于简化try…except…finally的处理流程。with通过__enter__方法初始化，然后在__exit__中做善后以及处理异常。对于一些需要预先设置，事后要清理的一些任务，with提供了一种非常方便的表达。

with的基本语法如下，EXPR是一个任意表达式，VAR是一个单一的变量（可以是tuple），”as VAR”是可选的。

with EXPR as VAR:
    BLOCK

根据PEP 343的解释，with…as…会被翻译成以下语句：

mgr = (EXPR)
exit = type(mgr).__exit__  # Not calling it yet
value = type(mgr).__enter__(mgr)
exc = True
try:
    try:
        VAR = value  # Only if "as VAR" is present
        BLOCK
    except:
        # The exceptional case is handled here
        exc = False
        if not exit(mgr, *sys.exc_info()):
            raise
        # The exception is swallowed if exit() returns true
finally:
    # The normal and non-local-goto cases are handled here
    if exc:
        exit(mgr, None, None, None)

为什么这么复杂呢？注意finally中的代码，需要BLOCK被执行后才会执行finally的清理工作，因为当EXPR执行时抛出异常，访问mgr.exit执行就会报AttributeError的错误。

二、实现方式

根据前面对with的翻译可以看到，被with求值的对象必须有一个__enter__方法和一个__exit__方法。稍微看一个文件读取的例子吧，注意在这里我们要解决2个问题：文件读取异常，读取完毕后关闭文件句柄。用try…except一般会这样写：

f = open('/tmp/tmp.txt')
try:
    for line in f.readlines():
        print(line)
finally:
    f.close()

注意我们这里没有处理文件打开失败的IOError，上面的写法可以正常工作，但是对于每个打开的文件，我们都要手动关闭文件句柄。如果要使用with来实现上述功能，需要需要一个代理类：

class opened(object):

    def __init__(self, name):
        self.handle = open(name)
    def __enter__(self):
        return self.handle
    def __exit__(self, type, value, trackback):
        self.handle.close()
with opened('/tmp/a.txt') as f:
    for line in f.readlines():
        print(line)

注意我们定了一个名字叫opened的辅助类，并实现了__enter__和__exit__方法，__enter__方法没有参数，__exit__方法的3个参数，分别代表异常的类型、值、以及堆栈信息，如果没有异常，3个入参的值都为None。

如果你不喜欢定义class，还可以用Python标准库提供的contextlib来实现：

from contextlib import contextmanager

@contextmanager
def opened(name):
    f = open(name)
    try:
        yield f
    finally:
        f.close()
with opened('/tmp/a.txt') as f:
    for line in f.readlines():
        print(line)

使用contextmanager的函数，yield只能返回一个参数，而yield后面是处理清理工作的代码。在我们读取文件的例子中，就是关闭文件句柄。这里原理上和我们之前实现的类opened是相同的，有兴趣的可以参考一下contextmanager的源代码。

三、应用场景
废话了这么多，那么到底那些场景下该使用with，有没有一些优秀的例子？当然啦，不然这篇文章意义何在。以下摘自PEP 343。

一个确保代码执行前加锁，执行后释放锁的模板：

@contextmanager
    def locked(lock):
        lock.acquire()
        try:
            yield
        finally:
            lock.release()

    with locked(myLock):
        # Code here executes with myLock held.  The lock is
        # guaranteed to be released when the block is left (even
        # if via return or by an uncaught exception).

数据库事务的提交和回滚：

@contextmanager
        def transaction(db):
            db.begin()
            try:
                yield None
            except:
                db.rollback()
                raise
            else:
                db.commit()

重定向stdout：

@contextmanager
def stdout_redirected(new_stdout):
    save_stdout = sys.stdout
    sys.stdout = new_stdout
    try:
        yield None
    finally:
        sys.stdout = save_stdout

with opened(filename, "w") as f:
    with stdout_redirected(f):
        print "Hello world"

注意上面的例子不是线程安全的，再多线程环境中要小心使用。

四、总结

with是对try…expect…finally语法的一种简化，并且提供了对于异常非常好的处理方式。在Python有2种方式来实现with语法：class-based和decorator-based，2种方式在原理上是等价的，可以根据具体场景自己选择。

with最初起源于一种block…as…的语法，但是这种语法被很多人所唾弃，最后诞生了with，关于这段历史依然可以去参考PEP-343和PEP-340