文件操作

上一节完成了学生信息管理系统的基础功能，但学生数据只保存在内存中。程序一关闭，数据就会丢失。现在需要解决两个问题：

1. 程序退出时，把学生数据保存到文件
2. 程序再次启动时，从文件恢复学生数据

本节先学习文件的基本读写方法，再为学生信息管理系统补上保存和加载功能。

文件访问基础

打开文件与模式

读写文件前，要先用 open() 打开文件。它会返回一个文件对象，后续的读取、写入和关闭操作都通过这个对象完成：

file = open("hello.txt", mode="r", encoding="utf-8")

初学阶段先掌握 3 个参数：

参数	作用
file	文件名或文件路径
mode	文件的打开模式
encoding	文本文件使用的编码

文件的打开模式决定了接下来可以执行读取、覆盖写入还是追加写入：

模式	作用	文件不存在时	文件已存在时
r	只读	报错	从开头读取
w	只写	创建文件	清空原内容后写入
a	追加写入	创建文件	从文件末尾继续写入
b	二进制模式	不能单独使用	与 r、w、a 组合使用

r、w、a 默认处理文本内容。读写文本文件时，通常还要指定 encoding="utf-8"。

文本读写与自动关闭

覆盖写入：

如果要保存一份新的文本内容，w 模式会先清空文件的原内容，再写入新内容：

file = open("hello.txt", mode="w", encoding="utf-8")
file.write("正心全栈编程")
file.close()

write() 负责写入字符串，close() 负责关闭文件。

注意：如果 hello.txt 已经存在，原来的内容会被覆盖。

追加写入：

如果要保留原内容并继续写入，可以改用 a 模式：

file = open("hello.txt", mode="a", encoding="utf-8")
file.write("\n学习 Python")
file.close()

新内容会写到文件末尾。字符串开头的 \n 表示换行。

读取文本： 写入之后，如何把文件内容读回程序？open() 默认使用 r 模式，因此下面两种写法效果相同：

open("hello.txt", mode="r", encoding="utf-8")
open("hello.txt", encoding="utf-8")

读取全部内容可以使用 read()：

file = open("hello.txt", encoding="utf-8")
data = file.read()
print(data)
file.close()

常见的读取方法有 3 个：

方法	作用	返回值
read()	读取全部内容	字符串
readline()	读取一行	字符串
readlines()	读取所有行	由每行字符串组成的列表

file = open("hello.txt", encoding="utf-8")
print(file.readline())
print(file.readlines())
file.close()

第一次调用 readline() 后，读取位置会移动到下一行。因此，后面的 readlines() 只会读取剩余内容。

自动关闭文件： 前面的示例都要手动调用 close()。如果忘记关闭，文件资源就不能及时释放，也可能影响后续操作。

使用 with 可以让代码块结束时自动关闭文件：

with open("hello.txt", mode="w", encoding="utf-8") as file:
    file.write("正心全栈编程")

with 代码块结束后，Python 会自动关闭文件。后面的示例都使用这种写法。

JSON 数据持久化

学生信息是列表和字典结构，但文本模式下 write() 只能写入字符串，不能直接写入列表或字典：

student = {"name": "正心", "age": 18, "gender": "M"}

with open("student.txt", mode="w", encoding="utf-8") as file:
    file.write(student)  # TypeError

保存前需要先转换数据，因此使用标准库中的 json 模块。

序列化与反序列化

序列化： json.dumps() 可以把 Python 对象转换成 JSON 字符串：

import json

student = {"name": "正心", "age": 18, "gender": "M"}
data = json.dumps(student, ensure_ascii=False)

with open("student.json", mode="w", encoding="utf-8") as file:
    file.write(data)

ensure_ascii=False 可以让中文直接写入文件，而不是转换成 Unicode 转义字符。

反序列化： 从文件读到的内容仍然是字符串。json.loads() 可以把 JSON 字符串转回 Python 对象：

import json

with open("student.json", mode="r", encoding="utf-8") as file:
    data = file.read()

student = json.loads(data)
print(student)
print(type(student))

这两个过程分别叫作：

• 序列化：把 Python 对象转换成便于保存的字符串
• 反序列化：把字符串恢复成 Python 对象

json 还提供了可以直接读写文件的 dump() 和 load()。学生信息管理系统会使用这两个方法。

二进制文件读写

如果要处理图片、音频、视频等文件，就不能按文本读取，而要使用二进制模式。二进制模式由 b 和其他模式组合得到，例如 rb、wb。

二进制读取：

with open("demo.png", mode="rb") as file:
    data = file.read()
    print(data)

二进制写入：

with open("demo.bin", mode="wb") as file:
    data = b"hello world!"
    file.write(data)

二进制模式处理的是字节数据，不需要设置 encoding。写入时要使用 wb，读取时使用 rb。

案例：学生信息保存与加载

回到上一节的学生信息管理系统。问题是：学生数据已经是“列表套字典”的结构，如何在启动时加载 JSON，在退出时保存 JSON？项目中的 students.json 已经准备了一条测试数据：

[
  {
    "name": "正心",
    "chinese": 65,
    "math": 65,
    "english": 65,
    "total": 195
  }
]

启动加载

程序启动时，先导入 json，再从文件中读取数据：

import json

with open("students.json", mode="r", encoding="utf-8") as file:
    students = json.load(file)

json.load(file) 会读取文件内容，并直接转换成列表。它的效果相当于先调用 read()，再调用 json.loads()。

这段代码要放在主循环前面。这样菜单出现时，students 中已经有了之前保存的数据。

退出保存

用户输入 0 时，先保存当前的 students，再退出循环，避免本次操作的数据丢失：

elif action == "0":
    with open("students.json", mode="w", encoding="utf-8") as file:
        json.dump(students, file, ensure_ascii=False, indent=2)

    print("学生信息保存成功")
    print("感谢使用学生信息管理系统，再见！")
    break

这里有两个新参数：

• ensure_ascii=False：直接保存中文
• indent=2：使用两个空格缩进，让 JSON 文件更容易阅读

把加载、菜单操作和退出保存组合起来，完整版本如下：

07_file_main.py

import json


menu = """**************************************************
欢迎使用【学生信息管理系统】V1.0
请选择你想要进行的操作
1. 新建学生信息
2. 显示全部信息
3. 查询学生信息
4. 修改学生信息
5. 删除学生信息

0. 保存数据并退出系统
**************************************************"""

# 程序启动时，从文件加载之前保存的学生数据
with open("students.json", mode="r", encoding="utf-8") as file:
    students = json.load(file)

row_format = "{}\t{}\t{}\t{}\t{}"

while True:
    print(menu)
    action = input("请选择你想要进行的操作：")

    if action == "1":
        print("1. 新建学生信息")
        name = input("请输入学生姓名：")
        chinese = int(input("请输入语文成绩："))
        math = int(input("请输入数学成绩："))
        english = int(input("请输入英语成绩："))
        total = chinese + math + english

        student = {
            "name": name,
            "chinese": chinese,
            "math": math,
            "english": english,
            "total": total,
        }
        students.append(student)
        print("学生信息添加成功")

    elif action == "2":
        print("2. 显示全部信息")
        if students:
            print("姓名\t语文\t数学\t英语\t总分")
            for student in students:
                print(row_format.format(*student.values()))
        else:
            print("暂无学生信息")

    elif action == "3":
        print("3. 查询学生信息")
        name = input("请输入要查询的学生姓名：")

        for student in students:
            if name == student["name"]:
                print("姓名\t语文\t数学\t英语\t总分")
                print(row_format.format(*student.values()))
                break
        else:
            print("该学生不存在，请检查姓名是否输入正确")

    elif action == "4":
        print("4. 修改学生信息")
        name = input("请输入要修改的学生姓名：")

        for student in students:
            if name == student["name"]:
                print("直接按回车可以保留原内容")

                new_name = input("请输入学生姓名：")
                if new_name:
                    student["name"] = new_name

                chinese = input("请输入语文成绩：")
                if chinese:
                    student["chinese"] = int(chinese)

                math = input("请输入数学成绩：")
                if math:
                    student["math"] = int(math)

                english = input("请输入英语成绩：")
                if english:
                    student["english"] = int(english)

                student["total"] = (
                    student["chinese"] + student["math"] + student["english"]
                )
                print("学生信息修改成功")
                break
        else:
            print("该学生不存在，请检查姓名是否输入正确")

    elif action == "5":
        print("5. 删除学生信息")
        name = input("请输入要删除的学生姓名：")

        for student in students:
            if name == student["name"]:
                students.remove(student)
                print("学生信息删除成功")
                break
        else:
            print("该学生不存在，请检查姓名是否输入正确")

    elif action == "0":
        # 退出循环前，把当前学生数据写回文件
        with open("students.json", mode="w", encoding="utf-8") as file:
            json.dump(students, file, ensure_ascii=False, indent=2)

        print("学生信息保存成功")
        print("感谢使用学生信息管理系统，再见！")
        break

    else:
        print("请输入正确的功能编号")

在 07_file_main.py 同级新建 students.json，放入一条测试数据：

[
  {
    "name": "正心",
    "chinese": 65,
    "math": 65,
    "english": 65,
    "total": 195
  }
]

在两个文件所在目录运行，Bash 和 PowerShell 使用相同命令：

python3 07_file_main.py

运行程序后，按下面的顺序验证持久化是否生效：

1. 显示全部信息，确认启动时已经加载测试数据
2. 新增或修改一名学生
3. 输入 0，保存数据并退出
4. 再次启动程序，检查修改后的数据是否还在

暂时保证文件存在

当前示例依赖 students.json。如果文件不存在，程序会报错。文件缺失时如何处理，会在异常处理章节解决。

小结

本节先回答四个问题：

1. 如何打开文件？使用 open()，通过 r、w、a 控制操作方式
2. 如何保证文件及时关闭？使用 with open(...)
3. 如何保存列表和字典？使用 json.dump() 写入 JSON
4. 如何恢复保存的数据？使用 json.load() 读取 JSON

练习

1. 用 w 模式写入一个文本文件，再用 r 模式读取并打印
2. 把一个包含姓名和年龄的字典保存到 JSON 文件，再读取回来
3. 修改学生信息管理系统的 JSON 文件名，重新完成一次保存和加载