別用 os.path 了!

2021-12-18 Python開發者

前段時間，在使用新版本的 Django 時，我發現了 settings.py 的第一行代碼從

import os
BASE_DIR = os.path.dirname(os.path.dirname(os.path.dirname(os.path.abspath(__file__))))
變成了
from pathlib import Path
BASE_DIR = Path(__file__).resolve().parent.parent
於是我就好奇，os 和 pathlib 同樣是標準庫，為什麼 pathlib 得到了 Django 的青睞？學習了一番 pathlib 之後，發現這是一個非常高效便捷的工具，用它來處理文件系統路徑相關的操作最合適不過，集成了很多快捷的功能，提升你的編程效率，那是妥妥的。
接下來讓一起看一下，為什麼 pathlib 更值得我們使用。
pathlib vs os
話不多說，先看下使用對比：比如說
使用 os：
In [13]: import os

In [14]: os.getcwd()
Out[14]: '/Users/aaron'
使用 pathlib:
In [15]: from pathlib import Path

In [16]: Path.cwd()
Out[16]: PosixPath('/Users/aaron')
In [17]: print(Path.cwd())
/Users/aaron
使用 print 列印的結果是一樣的，但 os.getcwd() 返回的是字符串，而 Path.cwd() 返回的是 PosixPath 類，你還可以對此路徑進行後續的操作，會很方便。
使用 os:
In [18]: os.path.exists("/Users/aaron/tmp")
Out[18]: True
使用 pathlib:
In [21]: tmp = Path("/Users/aaron/tmp")

In [22]: tmp.exists()
Out[22]: True
可以看出 pathlib 更易讀，更面向對象。
In [38]: os.listdir("/Users/aaron/tmp")
Out[38]: ['.DS_Store', '.hypothesis', 'b.txt', 'a.txt', 'c.py', '.ipynb_checkpoints']

In [39]: tmp.iterdir()
Out[39]: <generator object Path.iterdir at 0x7fa3f20d95f0>

In [40]: list(tmp.iterdir())
Out[40]:
[PosixPath('/Users/aaron/tmp/.DS_Store'),
 PosixPath('/Users/aaron/tmp/.hypothesis'),
 PosixPath('/Users/aaron/tmp/b.txt'),
 PosixPath('/Users/aaron/tmp/a.txt'),
 PosixPath('/Users/aaron/tmp/c.py'),
 PosixPath('/Users/aaron/tmp/.ipynb_checkpoints')]
可以看出 Path().iterdir 返回的是一個生成器，這在目錄內文件特別多的時候可以大大節省內存，提升效率。
os 不支持含有通配符的路徑，但 pathlib 可以：
In [45]: list(Path("/Users/aaron/tmp").glob("*.txt"))
Out[45]: [PosixPath('/Users/aaron/tmp/b.txt'), PosixPath('/Users/aaron/tmp/a.txt')]
這是 pathlib 特有的：
f = Path('test_dir/test.txt'))
f.write_text('This is a sentence.')
f.read_text()
也可以使用 with 語句：
>>> p = Path('setup.py')
>>> with p.open() as f: f.readline()
...
'#!/usr/bin/env python3\n'
In [56]: p = Path("/Users/aaron/tmp/c.py")

In [57]: p.stat()
Out[57]: os.stat_result(st_mode=33188, st_ino=35768389, st_dev=16777221, st_nlink=1, st_uid=501, st_gid=20, st_size=20, st_atime=1620633580, st_mtime=1620633578, st_ctime=1620633578)

In [58]: p.parts
Out[58]: ('/', 'Users', 'aaron', 'tmp', 'c.py')

In [59]: p.parent
Out[59]: PosixPath('/Users/aaron/tmp')

In [60]: p.resolve()
Out[60]: PosixPath('/Users/aaron/tmp/c.py')

In [61]: p.exists()
Out[61]: True

In [62]: p.is_dir()
Out[62]: False

In [63]: p.is_file()
Out[63]: True

In [64]: p.owner()
Out[64]: 'aaron'

In [65]: p.group()
Out[65]: 'staff'

In [66]: p.name
Out[66]: 'c.py'

In [67]: p.suffix
Out[67]: '.py'

In [68]: p.suffixes
Out[68]: ['.py']

In [69]: p.stem
Out[69]: 'c'

相比 os.path.join，使用一個 / 是不是更為直觀和便捷？
>>> p = PurePosixPath('foo')
>>> p / 'bar'
PurePosixPath('foo/bar')
>>> p / PurePosixPath('bar')
PurePosixPath('foo/bar')
>>> 'bar' / p
PurePosixPath('bar/foo')
當然，也可以使用 joinpath 方法
>>> PurePosixPath('/etc').joinpath('passwd')
PurePosixPath('/etc/passwd')
>>> PurePosixPath('/etc').joinpath(PurePosixPath('passwd'))
PurePosixPath('/etc/passwd')
>>> PurePosixPath('/etc').joinpath('init.d', 'apache2')
PurePosixPath('/etc/init.d/apache2')
>>> PureWindowsPath('c:').joinpath('/Program Files')
PureWindowsPath('c:/Program Files')
>>> PurePath('a/b.py').match('*.py')
True
>>> PurePath('/a/b/c.py').match('b/*.py')
True
>>> PurePath('/a/b/c.py').match('a/*.py')
False
pathlib 出現的背景和要解決的問題
pathlib 目的是提供一個簡單的類層次結構來處理文件系統的路徑，同時提供路徑相關的常見操作。那為什麼不使用 os 模塊或者 os.path 來實現呢？
許多人更喜歡使用 datetime 模塊提供的高級對象來處理日期和時間，而不是使用數字時間戳和 time 模塊 API。同樣的原因，假如使用專用類表示文件系統路徑，也會更受歡迎。
換句話說，os.path 是面向過程風格的，而 pathlib 是面向對象風格的。Python 也在一直在慢慢地從複製 C 語言的 API 轉變為圍繞各種常見功能提供更好，更有用的抽象。
其他方面，使用專用的類處理特定的需求也是很有必要的，例如 Windows 路徑不區分大小寫。
在這樣的背景下，pathlib 在 Python 3.4 版本加入標準庫。
pathlib 的優勢和劣勢分別是什麼
pathlib 的優勢在於考慮了 Windows 路徑的特殊性，同時提供了帶 I/O 操作的和不帶 I/O 操作的類，使用場景更加明確，API 調用更加易懂。
先看下 pathlib 對類的劃分：
圖中的箭頭表示繼承自，比如 Path 繼承自 PurePath，PurePath 表示純路徑類，只提供路徑常見的操作，但不包括實際 I/O 操作，相對安全；Path 包含 PurePath 的全部功能，包括 I/O 操作。
PurePath 有兩個子類，一個是 PureWindowsPath，表示 Windows 下的路徑，不區分大小寫，另一個是 PurePosixPath，表示其他系統的路徑。有了 PureWindowsPath，你可以這樣對路徑進行比較：
from pathlib import PureWindowsPath
>>> PureWindowsPath('a') == PureWindowsPath('A')
True
PurePath 可以在任何作業系統上實例化，也就是說與平臺無關，你可以在 unix 系統上使用 PureWindowsPath，也可以在 Windows 系統上使用 PurePosixPath，他們還可以相互比較。
>>> from pathlib import PurePosixPath, PureWindowsPath, PosixPath  
>>> PurePosixPath('a') == PurePosixPath('b')
False
>>> PurePosixPath('a') < PurePosixPath('b')
True
>>> PurePosixPath('a') == PosixPath('a')
True
>>> PurePosixPath('a') == PureWindowsPath('a')
False
可以看出，同一個類可以相互比較，不同的類比較的結果是 False。
相反，包含 I/O 操作的類 PosixPath 及 WindowsPath 只能在對應的平臺實例化：
In [8]: from pathlib import PosixPath,WindowsPath

In [9]: PosixPath('a')
Out[9]: PosixPath('a')

In [10]: WindowsPath('a')

NotImplementedError                       Traceback (most recent call last)
<ipython-input-10-cc7a0d86d4ed> in <module>
----> 1 WindowsPath('a')

/Library/Frameworks/Python.framework/Versions/3.8/lib/python3.8/pathlib.py in __new__(cls, *args, **kwargs)
   1038         self = cls._from_parts(args, init=False)
   1039         if not self._flavour.is_supported:
-> 1040             raise NotImplementedError("cannot instantiate %r on your system"
   1041                                       % (cls.__name__,))
   1042         self._init()

NotImplementedError: cannot instantiate 'WindowsPath' on your system

In [11]:
要說劣勢，如果有的話，那就是在選擇類時會比較困惑，到底用哪一個呢？其實如果你不太確定的話，用 Path 就可以了，這也是它的名稱最短的原因，因為更加常用，短點的名稱編寫的更快。
適用的場景
如果要處理文件系統相關的操作，選 pathlib 就對了。
一些關鍵點
獲取家目錄：
In [70]: from pathlib import Path

In [71]: Path.home()
Out[71]: PosixPath('/Users/aaron')
父目錄的層級獲取：
>>> p = PureWindowsPath('c:/foo/bar/setup.py')
>>> p.parents[0]
PureWindowsPath('c:/foo/bar')
>>> p.parents[1]
PureWindowsPath('c:/foo')
>>> p.parents[2]
PureWindowsPath('c:/')
獲取多個文件後綴：
>>> PurePosixPath('my/library.tar.gar').suffixes
['.tar', '.gar']
>>> PurePosixPath('my/library.tar.gz').suffixes
['.tar', '.gz']
>>> PurePosixPath('my/library').suffixes
[]


Windows 風格轉 Posix:
>>> p = PureWindowsPath('c:\\windows')
>>> str(p)
'c:\\windows'
>>> p.as_posix()
'c:/windows'
獲取文件的 uri：
>>> p = PurePosixPath('/etc/passwd')
>>> p.as_uri()
'file:///etc/passwd'
>>> p = PureWindowsPath('c:/Windows')
>>> p.as_uri()
'file:///c:/Windows'
判斷是否絕對路徑：
>>> PurePosixPath('/a/b').is_absolute()
True
>>> PurePosixPath('a/b').is_absolute()
False

>>> PureWindowsPath('c:/a/b').is_absolute()
True
>>> PureWindowsPath('/a/b').is_absolute()
False
>>> PureWindowsPath('c:').is_absolute()
False
>>> PureWindowsPath('//some/share').is_absolute()
True
文件名若有變化：
>>> p = PureWindowsPath('c:/Downloads/pathlib.tar.gz')
>>> p.with_name('setup.py')
PureWindowsPath('c:/Downloads/setup.py')
是不是非常方便？
技術的底層原理和關鍵實現
pathlib 並不是基於 str 的實現，而是基於 object 設計的，這樣就嚴格地區分了 Path 對象和字符串對象，同時也用到了一點 os 的功能，比如 os.name，os.getcwd 等，這一點大家可以看 pathlib 的源碼了解更多。
最後的話
本文分享了 pathlib 的用法，後面要處理路徑相關的操作時，你應該第一時間想到 pathlib，不會用沒有關係，搜尋引擎所搜索 pathlib 就可以看到具體的使用方法。
雖然 pathlib 比 os 庫更高級，更方便並且提供了很多便捷的功能，但是我們仍然需要知道如何使用 os 庫，因為 os 庫是 Python 中功能最強大且最基本的庫之一，但是，在需要一些文件系統操作時，強烈建議使用 pathlib。
- EOF -
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