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IO编程是计算机科学中的一个核心概念，涉及输入和输出操作。输入输出（IO）是指数据在各种存储设备或网络中移动。由于程序和运行时数据驻留在内存中，而物理设备如磁盘或网络需要通过IO接口进行数据交换，理解IO编程对于编写高效程序至关重要。

1. Streams（流）

在IO编程中，Stream（流）是一种基础概念。可以将其想象为一条管道，数据通过单方向流动。Input Stream（输入流）接收从外围设备（如磁盘、网络）进入内存的数据，而Output Stream（输出流）将内存中的数据发送到外围设备。

例如，当浏览网页时，浏览器与服务器之间需要建立两条流：一条用于发送请求，另一条用于接收响应。

2. 同步IO与异步IO

IO操作有两种模式：同步IO和异步IO。

• 同步IO：CPU等待磁盘将数据写入内存后，再执行后续代码。这种模式阻塞程序，直到数据处理完成。其优点是简单易行，但可能导致效率低下。

• 异步IO：CPU通知磁盘数据将慢慢写入，暂时返回执行其他任务。这种模式允许程序在等待IO操作时流程并行。其优点是提高效率，但实现复杂，通常用于服务器端。

本文将重点介绍同步IO模式，因其适合绝大多数文件读写场景。

3. 文件读写

文件读写是IO编程的常见操作。Python内置了open()函数，允许程序像操作系统一样处理文件。操作系统通过file descriptor（文件描述符）提供文件操作接口。

• 读取文件：使用open()函数和read()方法读取文件内容。默认支持UTF-8编码，也可以指定其他编码方式。

• 处理文件不存在异常：使用try-finally语句确保文件资源管理。with语句提供简洁代码，自动关闭文件。

4. StringIO和BytesIO

• StringIO：内存中操作字符串流。适用于临时缓冲，如处理动态生成的文本数据。

  from io import StringIOf = StringIO()f.write("hello ")f.write("world!")print(f.getvalue())  # 输出 "hello world!"

• BytesIO：内存中操作二进制流，处理像图片、视频等二进制文件。

  from io import BytesIOf = BytesIO()f.write(b'Hello')print(f.read())  # 输出 b'Hello'

5. 操作文件和目录

使用os和os.path模块进行文件和目录操作。os模块提供系统信息和环境变量。

• 查看目录：获取当前目录绝对路径。

  import osprint(os.path.abspath('.'))

• 创建删除目录：mkdir()和rmdir()处理目录。os.rename()重命名文件和目录。

6. 序列化

将内存数据保存或传输需要序列化和反序列化。Python的pickle模块和JSON处理提供解决方案。

• 序列化：将Python对象转为字节流或字符串。

  import pickled = dict(name='Bob', age=20, score=88)with open('dump.txt', 'wb') as f:    pickle.dump(d, f)

• 反序列化：从文件读取数据并恢复对象。

  with open('dump.txt', 'rb') as f:    obj = pickle.load(f)print(obj)  # 输出 {'age': 20, 'name': 'Bob', 'score': 88}

7. JSON处理

JSON格式广泛用于跨平台数据传输。json模块将Python对象转为JSON字符串，反之亦行。

• 序列化为JSON

  import jsonclass Student:    def __init__(self, name, age, score):        self.name = name        self.age = age        self.score = scores = Student('Bob', 20, 88)print(json.dumps(s, default=lambda x: x.__dict__))  # 输出 {"name": "Bob", "age": 20, "score": 88}

• 反序列化为Python对象

  json_str = '{"name": "Bob", "age": 20, "score": 88}'print(json.loads(json_str, object_hook=lambda x: Student(**x)))  # 输出 Student('Bob', 20, 88)

总结

由流到文件操作，再到序列化和反序列化，IO编程为数据交换奠定基础。正如Pluto的轨道理论所说，理解核心概念是理解复杂系统的关键。通过Python的内置工具，开发者可以高效地处理数据读写和操作，充分发挥内存速度优势。