Python 从入门到实战（九）：文件操作（让数据持久化的 “存储管家”）

欢迎回到「Python 从入门到实战」系列专栏。上一篇咱们掌握了类和面向对象编程，用Student和StudentManager类实现了学生管理系统 —— 但有个关键问题：程序运行时，学生数据只存在内存里，一旦关闭程序，所有添加的学生和课程信息都会丢失。这在实际应用中完全不可用（总不能每次启动程序都重新输入所有数据吧？）。

今天咱们要学 Python 的 “数据持久化核心”——文件操作。它就像程序的 “存储管家”，能把内存中的数据（比如学生信息、配置参数）保存到硬盘文件中，程序下次启动时再从文件中读取数据，实现 “数据不丢失”。咱们会从 “文本文件读写” 入手，再到 “CSV 结构化数据处理”（适合存储表格类数据），最后结合上一篇的学生管理系统，让它具备 “保存到文件” 和 “从文件加载” 的能力，真正落地实用。

一、为什么需要文件操作？先看 “内存数据” 的痛点

在学具体语法前，先通过上一篇的学生管理系统，感受 “无文件操作” 的问题：

python

运行

# 上一篇的学生管理系统（简化版）
class StudentManager:
    def __init__(self):
        self.students = []  # 数据只存在内存中
    
    def add_student(self, student):
        self.students.append(student)

# 1. 启动程序，添加学生
manager = StudentManager()
manager.add_student({"name": "小明", "age": 15})

# 2. 关闭程序后，self.students中的数据全部丢失
# 3. 下次启动程序，manager.students是空列表，需要重新添加

要解决这个问题，就需要文件操作：程序退出前，把self.students的数据写入文件；程序启动时，从文件中读取数据并恢复到self.students。

文件操作的核心价值就是：实现数据持久化（数据在程序关闭后不丢失），让程序能 “记住” 之前的状态。

二、文件操作基础：文本文件的读写

文本文件是最基础的文件类型（比如.txt文件），适合存储简单的字符串数据（比如日志、配置信息）。Python 对文本文件的操作主要分为 “读取” 和 “写入”，核心是open()函数和文件对象的方法。

1. 核心概念：open()函数与文件模式

操作文件的第一步是 “打开文件”，用open()函数，语法：

python

运行

file_object = open(file_path, mode='r', encoding='utf-8')

• file_path：文件路径（相对路径或绝对路径），比如"students.txt"（当前文件夹）或"C:/data/students.txt"（Windows 绝对路径）；

• mode：打开模式，决定文件可进行的操作（读 / 写 / 追加），常用模式如下：

  模式	含义	是否覆盖文件	若文件不存在
  r	只读（默认模式）	不允许写	报错
  w	只写（清空文件后写入）	是	创建文件
  a	追加（在文件末尾添加内容，不清空）	否	创建文件
  r+	读写（可读可写，不清空文件）	否	报错
  w+	读写（清空文件后读写）	是	创建文件

• encoding='utf-8'：指定文件编码，避免中文乱码（必须加，否则 Windows 默认gbk编码可能出错）；

• 文件对象：open()返回的对象，通过它调用读 / 写方法（比如read()“write()）。

关键提醒：打开的文件必须关闭（file_object.close()），否则会占用系统资源。推荐用with语句自动关闭文件（退出with块时自动调用close()），不用手动处理。

2. 读取文本文件：获取文件内容

读取文本文件有 3 种常用方法，适用于不同场景：

▶ 方法 1：read()—— 读取全部内容（适合小文件）

read()会一次性读取文件的所有内容，返回一个字符串。

python

运行

# 用with语句打开文件，自动关闭
with open("test.txt", mode='r', encoding='utf-8') as file:
    content = file.read()  # 读取全部内容
    print("文件内容：")
    print(content)
    print("内容类型：", type(content))  # <class 'str'>

示例文件test.txt内容：

plaintext

Hello Python!
这是我的第一个文件操作示例。
今天学习文件读取。

运行结果：

plaintext

文件内容：
Hello Python!
这是我的第一个文件操作示例。
今天学习文件读取。
内容类型： <class 'str'>

适用场景：小文件（比如几 KB），一次性读取效率高；大文件（比如几 MB 以上）不推荐，会占用过多内存。

▶ 方法 2：readline()—— 逐行读取（适合大文件）

readline()每次读取一行内容，返回字符串（包含行尾的\n），再次调用读取下一行，直到文件末尾返回空字符串。

python

运行

# 逐行读取大文件（避免占用过多内存）
with open("test.txt", mode='r', encoding='utf-8') as file:
    print("逐行读取结果：")
    line = file.readline()  # 读取第一行
    while line:  # 空字符串表示读取结束
        # 用strip()去除行尾的\n和空格
        print(line.strip())
        line = file.readline()  # 读取下一行

运行结果：

plaintext

逐行读取结果：
Hello Python!
这是我的第一个文件操作示例。
今天学习文件读取。

适用场景：大文件（比如日志文件、CSV 文件），逐行读取节省内存。

▶ 方法 3：readlines()—— 读取所有行到列表（适合中等文件）

readlines()一次性读取所有行，返回一个列表，每个元素是一行内容（包含\n）。

python

运行

# 读取所有行到列表
with open("test.txt", mode='r', encoding='utf-8') as file:
    lines = file.readlines()  # 返回列表：[行1, 行2, 行3]
    print("readlines()结果：", lines)
    print("\n处理后：")
    for line in lines:
        print(line.strip())

运行结果：

plaintext

readlines()结果： ['Hello Python!\n', '这是我的第一个文件操作示例。\n', '今天学习文件读取。']

处理后：
Hello Python!
这是我的第一个文件操作示例。
今天学习文件读取。

适用场景：中等大小的文件，需要按行处理（比如筛选特定行），列表操作更灵活。

3. 写入文本文件：保存内容到文件

写入文本文件主要用write()和writelines()方法，注意打开模式必须是w（清空写入）或a（追加），否则会报错。

▶ 方法 1：write()—— 写入字符串

write()接收一个字符串，将其写入文件，返回写入的字符数。

python

运行

# 1. 用w模式：清空文件后写入（覆盖原有内容）
with open("output.txt", mode='w', encoding='utf-8') as file:
    # 写入第一行（需手动加\n换行）
    count1 = file.write("第一行内容\n")
    # 写入第二行
    count2 = file.write("第二行内容：Python文件操作")
    print(f"写入字符数：{count1 + count2}")  # 输出：写入字符数：24

# 2. 用a模式：在文件末尾追加
with open("output.txt", mode='a', encoding='utf-8') as file:
    file.write("\n第三行内容：追加模式不会覆盖")

# 查看最终文件内容
with open("output.txt", mode='r', encoding='utf-8') as file:
    print("\n最终文件内容：")
    print(file.read())

运行后output.txt内容：

plaintext

第一行内容
第二行内容：Python文件操作
第三行内容：追加模式不会覆盖

注意：write()不会自动换行，需要手动加\n，否则所有内容会挤在一行。

▶ 方法 2：writelines()—— 写入字符串列表

writelines()接收一个字符串列表，将列表中的每个元素写入文件（同样需要手动加\n）。

python

运行

# 准备要写入的列表（每个元素是一行，需加\n）
lines = [
    "小明,15,数学:85,英语:92\n",
    "小红,14,数学:95,英语:88\n",
    "小刚,15,数学:78,英语:80\n"
]

# 写入列表
with open("students.txt", mode='w', encoding='utf-8') as file:
    file.writelines(lines)

# 验证写入结果
with open("students.txt", mode='r', encoding='utf-8') as file:
    print("students.txt内容：")
    print(file.read())

运行后students.txt内容：

plaintext

小明,15,数学:85,英语:92
小红,14,数学:95,英语:88
小刚,15,数学:78,英语:80

适用场景：批量写入多行内容（比如列表中的学生信息），比多次调用write()更高效。

4. 新手必踩坑：文件路径与编码问题

▶ 坑 1：相对路径错误（找不到文件）

python

运行

# 错误示例：文件在"../data"文件夹，却用当前路径
with open("students.txt", mode='r', encoding='utf-8') as file:
    pass  # 报错：FileNotFoundError: [Errno 2] No such file or directory: 'students.txt'

解决：

• 相对路径：相对于当前程序所在文件夹，比如文件在data文件夹，路径是"data/students.txt"；
• 绝对路径：写完整路径，Windows 用C:/data/students.txt（注意是/不是\），macOS/Linux 用/Users/name/data/students.txt。

▶ 坑 2：忘记加encoding='utf-8'（中文乱码）

python

运行

# 错误示例：未指定编码，Windows默认gbk，读取utf-8文件会乱码
with open("test.txt", mode='r') as file:
    print(file.read())  # 输出：浣犲ソPython!（乱码）

解决：所有文本文件操作都加encoding='utf-8'，统一编码。

▶ 坑 3：用w模式读取文件（操作权限错误）

python

运行

# 错误示例：用w模式打开文件却读取
with open("test.txt", mode='w', encoding='utf-8') as file:
    print(file.read())  # 报错：io.UnsupportedOperation: not readable

解决：读取文件用r或r+模式，写入用w或a模式，避免权限不匹配。

三、结构化数据：CSV 文件的读写

文本文件适合简单字符串，但存储 “表格类数据”（比如学生的姓名、年龄、成绩）时，用txt文件需要手动分割（比如用逗号分隔），效率低。Python 的csv模块专门处理 “逗号分隔值（CSV）” 文件，适合存储结构化数据，相当于轻量级的 Excel。

1. CSV 文件的特点

CSV 文件（.csv）的每一行是一条记录，字段用逗号分隔，第一行可作为表头（字段名），比如：

csv

name,age,math,english
小明,15,85,92
小红,14,95,88
小刚,15,78,80

这种格式能直接用 Excel 打开，也能被 Python 的csv模块轻松解析，比txt文件更规范。

2. 用csv.writer写入 CSV 文件

csv.writer用于将列表或元组数据写入 CSV 文件，步骤：

1. 用open()打开文件（模式w或a）；
2. 创建csv.writer对象；
3. 用writerow()写入单行（列表 / 元组），或writerows()写入多行。

示例：写入学生成绩到 CSV

python

运行

import csv  # 导入csv模块

# 1. 准备数据：表头 + 学生列表
header = ["name", "age", "math", "english"]
students = [
    ["小明", 15, 85, 92],
    ["小红", 14, 95, 88],
    ["小刚", 15, 78, 80]
]

# 2. 写入CSV文件
with open("students.csv", mode='w', encoding='utf-8', newline='') as file:
    # 创建writer对象
    writer = csv.writer(file)
    # 写入表头
    writer.writerow(header)
    # 写入所有学生数据
    writer.writerows(students)

print("CSV文件写入完成！")

运行后students.csv内容（用记事本打开）：

plaintext

name,age,math,english
小明,15,85,92
小红,14,95,88
小刚,15,78,80

注意：打开文件时加newline=''，避免 Windows 下写入的 CSV 出现空行。

3. 用csv.reader读取 CSV 文件

csv.reader用于读取 CSV 文件，返回一个可迭代的 “阅读器对象”，每次迭代返回一行数据（列表形式）。

示例：读取 CSV 文件中的学生数据

python

运行

import csv

# 读取CSV文件
with open("students.csv", mode='r', encoding='utf-8') as file:
    # 创建reader对象
    reader = csv.reader(file)
    # 读取表头（第一行）
    header = next(reader)  # next()获取下一行，这里是表头
    print("表头：", header)
    # 读取剩余行（学生数据）
    print("\n学生数据：")
    for row in reader:
        # row是列表，每个元素对应一个字段
        name = row[0]
        age = int(row[1])  # 字符串转整数
        math = int(row[2])
        english = int(row[3])
        print(f"姓名：{name}，年龄：{age}，数学：{math}，英语：{english}")

运行结果：

plaintext

表头： ['name', 'age', 'math', 'english']

学生数据：
姓名：小明，年龄：15，数学：85，英语：92
姓名：小红，年龄：14，数学：95，英语：88
姓名：小刚，年龄：15，数学：78，英语：80

4. 用csv.DictReader/DictWriter（与字典结合）

csv.reader返回列表，需要按索引取字段（比如row[0]是姓名），不够直观。csv.DictReader会将每行数据转换为字典，键是表头（比如row["name"]），更易读；对应的csv.DictWriter用字典写入数据。

示例 1：DictReader读取 CSV（字典形式）

python

运行

import csv

with open("students.csv", mode='r', encoding='utf-8') as file:
    # 创建DictReader对象，键是表头
    dict_reader = csv.DictReader(file)
    print("学生数据（字典形式）：")
    for row in dict_reader:
        # row是字典：{'name': '小明', 'age': '15', ...}
        print(f"姓名：{row['name']}，年龄：{row['age']}，数学：{row['math']}")

运行结果：

plaintext

学生数据（字典形式）：
姓名：小明，年龄：15，数学：85
姓名：小红，年龄：14，数学：95
姓名：小刚，年龄：15，数学：78

示例 2：DictWriter写入 CSV（字典形式）

python

运行

import csv

# 表头
header = ["name", "age", "math", "english"]
# 学生数据（字典列表，键对应表头）
students = [
    {"name": "小丽", "age": 15, "math": 90, "english": 85},
    {"name": "小强", "age": 14, "math": 88, "english": 92}
]

with open("students_dict.csv", mode='w', encoding='utf-8', newline='') as file:
    # 创建DictWriter对象，指定表头
    dict_writer = csv.DictWriter(file, fieldnames=header)
    # 写入表头
    dict_writer.writeheader()
    # 写入数据（接受字典列表）
    dict_writer.writerows(students)

print("DictWriter写入完成！")

运行后students_dict.csv内容：

plaintext

name,age,math,english
小丽,15,90,85
小强,14,88,92

四、异常处理：让文件操作更稳健

文件操作容易出现意外（比如文件不存在、权限不足、磁盘满了），如果不处理这些异常，程序会直接崩溃。Python 的try-except块能捕获异常，让程序友好提示并继续运行。

1. 常见文件异常及处理

▶ 异常 1：文件不存在（FileNotFoundError）

python

运行

import csv

try:
    # 尝试读取不存在的文件
    with open("nonexistent.csv", mode='r', encoding='utf-8') as file:
        reader = csv.reader(file)
        print(next(reader))
except FileNotFoundError:
    # 捕获文件不存在异常，友好提示
    print("❌ 错误：文件不存在，请检查文件路径！")
except Exception as e:
    # 捕获其他未知异常
    print(f"❌ 发生未知错误：{e}")
else:
    # 没有异常时执行
    print("✅ 文件读取成功！")

运行结果：

plaintext

❌ 错误：文件不存在，请检查文件路径！

▶ 异常 2：权限不足（PermissionError）

python

运行

try:
    # 尝试写入只读文件
    with open("read_only.txt", mode='w', encoding='utf-8') as file:
        file.write("test")
except PermissionError:
    print("❌ 错误：权限不足，无法写入文件！")
except Exception as e:
    print(f"❌ 未知错误：{e}")

2. 异常处理的原则

• 精准捕获：优先捕获具体异常（比如FileNotFoundError），再用Exception捕获未知异常；
• 友好提示：给用户清晰的错误原因，而非技术化的traceback；
• 避免静默失败：不要捕获异常后什么都不做，至少打印提示。

五、综合实操：学生管理系统（支持文件读写）

咱们修改上一篇的StudentManager类，添加save_to_csv()（保存学生数据到 CSV）和load_from_csv()（从 CSV 加载数据）方法，实现数据持久化。

完整代码

python

运行

import csv

# 1. 课程类（不变）
class Course:
    def __init__(self, name, score):
        self.name = name
        self.score = score
    
    def to_dict(self):
        """转换为字典，方便写入CSV"""
        return {"course_name": self.name, "course_score": self.score}
    
    @staticmethod
    def from_dict(data):
        """从字典创建Course实例（加载时用）"""
        return Course(data["course_name"], int(data["course_score"]))


# 2. 学生类（新增字典转换方法）
class Student:
    def __init__(self, name, age):
        self.name = name
        self.age = age
        self.courses = []
    
    def add_course(self, course):
        if isinstance(course, Course):
            self.courses.append(course)
    
    def calculate_average(self):
        if not self.courses:
            return 0.0
        total = sum(course.score for course in self.courses)
        return round(total / len(self.courses), 1)
    
    def to_dict_list(self):
        """转换为字典列表（每个课程一行，包含学生信息）"""
        dict_list = []
        for course in self.courses:
            course_dict = course.to_dict()
            # 每个课程行都包含学生的基础信息
            dict_list.append({
                "name": self.name,
                "age": self.age,
                "course_name": course_dict["course_name"],
                "course_score": course_dict["course_score"]
            })
        return dict_list
    
    @staticmethod
    def from_dict_group(grouped_data):
        """从分组的字典数据创建Student实例（加载时用）"""
        # grouped_data是同一学生的所有课程字典列表
        if not grouped_data:
            return None
        # 提取学生基础信息（第一行的name和age）
        first = grouped_data[0]
        student = Student(first["name"], int(first["age"]))
        # 添加所有课程
        for data in grouped_data:
            course = Course.from_dict(data)
            student.add_course(course)
        return student


# 3. 学生管理类（新增文件读写方法）
class StudentManager:
    def __init__(self):
        self.students = []
    
    def add_student(self, student):
        if isinstance(student, Student):
            self.students.append(student)
            print(f"✅ 添加学生：{student.name}")
    
    def save_to_csv(self, file_path="students_data.csv"):
        """保存所有学生数据到CSV"""
        # 表头（包含学生和课程字段）
        header = ["name", "age", "course_name", "course_score"]
        # 收集所有学生的字典列表（每个课程一行）
        all_data = []
        for student in self.students:
            all_data.extend(student.to_dict_list())
        
        try:
            with open(file_path, mode='w', encoding='utf-8', newline='') as file:
                writer = csv.DictWriter(file, fieldnames=header)
                writer.writeheader()
                writer.writerows(all_data)
            print(f"\n✅ 数据已保存到：{file_path}")
        except Exception as e:
            print(f"\n❌ 保存失败：{e}")
    
    def load_from_csv(self, file_path="students_data.csv"):
        """从CSV加载数据，恢复学生列表"""
        try:
            with open(file_path, mode='r', encoding='utf-8') as file:
                reader = csv.DictReader(file)
                # 按姓名分组（同一学生的课程放在一起）
                grouped_data = {}
                for row in reader:
                    name = row["name"]
                    if name not in grouped_data:
                        grouped_data[name] = []
                    grouped_data[name].append(row)
                
                # 从分组数据创建Student实例
                self.students = []
                for data in grouped_data.values():
                    student = Student.from_dict_group(data)
                    if student:
                        self.students.append(student)
            
            print(f"\n✅ 从{file_path}加载成功，共{len(self.students)}名学生")
        except FileNotFoundError:
            print(f"\n❌ 加载失败：文件{file_path}不存在，将创建新数据")
        except Exception as e:
            print(f"\n❌ 加载失败：{e}")
    
    def show_all_students(self):
        """显示所有学生信息"""
        print(f"\n===== 学生列表（共{len(self.students)}人）=====")
        if not self.students:
            print("❌ 暂无学生数据")
            return
        for i, student in enumerate(self.students, start=1):
            print(f"\n{i}. 姓名：{student.name}，年龄：{student.age}岁")
            print(f"   课程：{[c.name for c in student.courses]}")
            print(f"   平均分：{student.calculate_average()}")


# 4. 主程序：测试文件读写
def main():
    print("===== 学生管理系统（文件版） =====")
    
    # 1. 创建管理器，加载已有数据
    manager = StudentManager()
    manager.load_from_csv()
    
    # 2. 新增学生（如果没有数据）
    if not manager.students:
        print("\n【新增学生数据】")
        # 小明
        xiaoming = Student("小明", 15)
        xiaoming.add_course(Course("数学", 85))
        xiaoming.add_course(Course("英语", 92))
        manager.add_student(xiaoming)
        # 小红
        xiaohong = Student("小红", 14)
        xiaohong.add_course(Course("数学", 95))
        xiaohong.add_course(Course("英语", 88))
        manager.add_student(xiaohong)
    
    # 3. 显示所有学生
    manager.show_all_students()
    
    # 4. 保存数据到CSV
    manager.save_to_csv()


if __name__ == "__main__":
    main()

关键改进说明

1. to_dict()/from_dict()：Course和Student类新增字典转换方法，因为 CSV 只能存储字符串 / 数字，需要将实例转换为字典才能写入；
2. 分组加载：读取 CSV 时，同一学生的多个课程会被分到一组（按姓名），再创建Student实例，避免重复创建学生；
3. 异常处理：加载文件时捕获FileNotFoundError，首次运行无文件时提示并创建新数据；
4. 数据持久化：程序启动时加载 CSV 数据，退出前保存数据，关闭程序后数据不丢失。

运行结果

plaintext

===== 学生管理系统（文件版） =====

❌ 加载失败：文件students_data.csv不存在，将创建新数据

【新增学生数据】
✅ 添加学生：小明
✅ 添加学生：小红

===== 学生列表（共2人）=====

1. 姓名：小明，年龄：15岁
   课程：['数学', '英语']
   平均分：88.5

2. 姓名：小红，年龄：14岁
   课程：['数学', '英语']
   平均分：91.5

✅ 数据已保存到：students_data.csv

再次运行程序时，会从students_data.csv加载数据，无需重新添加学生。

六、小结与下一篇预告

这篇你学到了什么？

1. 文件操作基础：用open()函数打开文件，掌握r/w/a模式，用with语句自动关闭文件；
2. 文本文件读写：read()/readline()/readlines()读取内容，write()/writelines()写入内容，处理中文乱码；
3. CSV 文件处理：用csv模块的reader/writer和DictReader/DictWriter处理结构化数据，适合表格类信息；
4. 异常处理：捕获FileNotFoundError等异常，让程序更稳健；
5. 实战应用：修改学生管理系统，实现数据持久化，解决 “程序关闭后数据丢失” 的问题。

下一篇预告

今天的文件操作让程序能存储数据，但处理 “复杂数据”（比如 JSON 格式、Excel 文件）或 “大量数据” 时，仅靠csv模块不够高效。下一篇咱们会学 Python 的 “数据处理库”——pandas，它能轻松处理 Excel/CSV/JSON 数据，实现数据筛选、统计、可视化，为后面的数据分析项目打基础。

如果这篇内容帮你掌握了文件操作，欢迎在评论区分享你的 “文件版管理系统”（比如修改成图书管理系统），咱们一起交流进步～