详解Python中的with语句和上下文管理器

1. 什么是with语句

在Python中，使用with语句可以很方便地管理资源（如文件、网络连接等）的打开和关闭。这种方式称之为“上下文管理器”，而with语句就是可以使用上下文管理器的语句。通过上下文管理器和with语句的结合使用，可以保证在使用资源之后及时地关闭它，避免资源的泄露。

1.1. with语句的基本用法

使用with语句的基本语法如下：

with 上下文管理器 as 变量:

    缩进块代码

其中，上下文管理器是定义了__enter__()和__exit__()方法的对象。在with语句块开始执行时，会调用上下文管理器的__enter__()方法进行一些初始化操作，而在with语句块结束后，会调用上下文管理器的__exit__()方法进行一些清理操作。

下面的代码演示了with语句的基本用法：

with open('file.txt', 'r') as f:

    print(f.read())

上面的代码中，使用open()函数打开了一个名为file.txt的文件，并将其作为上下文管理器传递给with语句。在with语句块中，可以使用文件对象f读取文件内容。在with语句块结束后，文件对象f会自动关闭。

1.2. 上下文管理器的自定义

除了内置的上下文管理器（如文件对象）外，我们还可以自定义上下文管理器。自定义上下文管理器需要实现__enter__()和__exit__()两个方法，__enter__()方法用于进行一些初始化操作，__exit__()方法用于进行一些清理操作。

下面的代码演示了如何定义自己的上下文管理器：

class MyContextManager:

    def __enter__(self):
        print('entering context')
        return self
    
    def __exit__(self, exc_type, exc_value, traceback):
        print('exiting context')
        
with MyContextManager() as manager:
    print('inside context')

上面的代码中，自定义了一个名为MyContextManager的上下文管理器，并在__enter__()和__exit__()方法中分别添加了entering context和exiting context的打印操作。在with语句中，将MyContextManager()作为上下文管理器并将其赋值给变量manager。在with语句块中，可以使用manager变量执行一些操作。在with语句块结束后，会自动调用MyContextManager对象的__exit__()方法，执行exiting context操作。

2. 上下文管理器的高级用法

除了基本的上下文管理器用法，上下文管理器还有一些高级用法。

2.1. 上下文管理器的嵌套使用

上下文管理器是可以嵌套使用的，也就是说，在一个上下文管理器中嵌套使用另一个上下文管理器。在这种情况下，内部的上下文管理器会先被进入，然后再进入外部的上下文管理器。

下面的代码演示了上下文管理器的嵌套使用：

class OuterContextManager:

    def __enter__(self):
        print('entering outer context')
        return self
    
    def __exit__(self, exc_type, exc_value, traceback):
        print('exiting outer context')
        
class InnerContextManager:
    def __enter__(self):
        print('entering inner context')
        return self
    
    def __exit__(self, exc_type, exc_value, traceback):
        print('exiting inner context')
    
with OuterContextManager() as outer_manager:
    with InnerContextManager() as inner_manager:
        print('inside inner context')
    print('inside outer context')

上面的代码中，定义了两个上下文管理器OuterContextManager和InnerContextManager。在with语句中，将InnerContextManager()作为内部上下文管理器，将OuterContextManager()作为外部上下文管理器，并在内部和外部上下文管理器的__enter__()和__exit__()方法中添加了打印操作。在with语句块中，先进入内部上下文管理器，执行inside inner context的打印操作，然后退出内部上下文管理器，再退出外部上下文管理器，执行inside outer context的打印操作。

2.2. 上下文管理器的异常处理

在上下文管理器中，如果在__enter__()方法中出现了异常，__exit__()方法不会被调用。而如果在__exit__()方法中出现了异常，异常会被抛出到with语句块之外。上下文管理器通常会用于打开和关闭文件、锁定和释放资源等操作，因此正确地处理异常是非常重要的。

下面的代码演示了如何正确处理上下文管理器中的异常：

class MyContextManager:

    def __enter__(self):
        print('entering context')
        return self
    
    def __exit__(self, exc_type, exc_value, traceback):
        if exc_type is not None:
            print('handling exception:', exc_type, exc_value, traceback)
        print('exiting context')
        
with MyContextManager() as manager:
    print('inside context')
    raise Exception('something goes wrong')

上面的代码中，在with语句块中使用MyContextManager()作为上下文管理器，并在__enter__()方法中添加了打印操作。在__exit__()方法中，通过判断exc_type是否为None，来处理异常。在with块中，如果抛出了异常，会将异常信息传递给__exit__()方法，并执行打印异常信息的操作。

2.3. 上下文管理器的装饰器实现

在Python中，还可以使用装饰器来实现上下文管理器。装饰器可以将一个函数或方法转换成一个上下文管理器，从而可以使用with语句来管理该函数或方法执行时的资源，这种方式称之为“函数装饰器”。

下面的代码演示了如何使用装饰器实现上下文管理器：

from contextlib import contextmanager

@contextmanager
def my_context_manager():
    print('entering context')
    try:
        yield
    except Exception as e:
        print('handling exception', e)
    finally:
        print('exiting context')
        
with my_context_manager():
    print('inside context')
    raise Exception('something goes wrong')

上面的代码中，使用了contextmanager装饰器来定义了一个my_context_manager()上下文管理器。在my_context_manager()中，使用try...except...finally语句来处理异常，并在yield语句前后添加了打印操作。在with语句块中，使用my_context_manager()作为上下文管理器，并在with语句块中抛出了异常。

3. 总结

with语句提供了一种方便的方式来管理代码中的资源，在使用资源后，with语句会自动关闭资源，避免了资源泄露的问题。上下文管理器提供了一种自定义的机制，可以在__enter__()方法中进行一些初始化操作，在__exit__()方法中进行一些清理操作。上下文管理器还可以嵌套使用，处理异常并使用装饰器实现。