1 IO的含義
在計算機中，IO是Input/Output的簡寫，也就是輸入和輸出。
由於程序和運行時數據是在內存中駐留，由CPU這個超快的計算核心來執行，涉及到數據交換的地方，通常是磁盤、網絡等，就需要IO接口。
比如你訪問百度首頁，瀏覽器就需要通過網絡IO獲取網頁。瀏覽器先會發送請求給百度服務器，告訴它想要的html網址，這個動作是往外發數據，叫Output。接着百度服務器把網頁的內容發送過來，這個動作是從外面接收數據，叫Input。
所以，通常，程序完成IO操作會有Input和Output兩個數據流。當然也有只用一個的情況，比如，從磁盤讀取文件到內存，就只有Input操作，反過來，把數據寫到磁盤文件里，就只是一個Output操作。
輸入輸出是相對的，要考慮具體的對象是什么。一般，當我們寫的程序需要讀取磁盤文件時，相當於把磁盤的數據輸入到程序中，對於程序來說，讀取的數據就屬於Input，但是對於磁盤來說，相當於把數據輸出給程序，輸出的數據屬於Output。
IO編程中，Stream（流）是一個很重要的概念，可以把流想象成一個水管，數據就是水管里的水，但是只能單向流動。Input Stream就是數據從外面（磁盤、網絡）流進內存，Output Stream就是數據從內存流到外面去。對於瀏覽網頁來說，瀏覽器和服務器之間至少需要建立兩根水管，才可以既能發數據，又能收數據。
由於CPU和內存的速度遠遠高於外設的速度，所以，在IO編程中，就存在速度嚴重不匹配的問題。舉個例子來說，比如要把100M的數據寫入磁盤，CPU輸出100M的數據只需要0.01秒，可是磁盤要接收這100M數據可能需要10秒，怎么辦呢？有兩種辦法：
- 第一種是CPU等着，也就是程序暫停執行后續代碼，等100M的數據在10秒后寫入磁盤，再接着往下執行，這種模式稱為同步IO。
- 另一種方法是CPU不等待，只是告訴磁盤，“您老慢慢寫，不着急，我接着干別的事去了”，於是，后續代碼可以立刻接着執行，這種模式稱為異步IO。
同步和異步的區別就在於是否等待IO執行的結果。好比你去麥當勞點餐，你說“來個漢堡”，服務員告訴你，對不起，漢堡要現做，需要等5分鍾，於是你站在收銀台前面等了5分鍾，拿到漢堡再去逛商場，這是同步IO。
你說“來個漢堡”，服務員告訴你，漢堡需要等5分鍾，你可以先去逛商場，等做好了，我們再通知你，這樣你可以立刻去干別的事情（逛商場），這是異步IO。
很明顯，使用異步IO來編寫程序性能會遠遠高於同步IO，但是異步IO的缺點是編程模型復雜。想想看，你得知道什么時候通知你“漢堡做好了”，而通知你的方法也各不相同。如果是服務員跑過來找到你，這是回調模式，如果服務員發短信通知你，你就得不停地檢查手機，這是輪詢模式。總之，異步IO的復雜度遠遠高於同步IO。
操作IO的能力都是由操作系統提供的，每一種編程語言都會把操作系統提供的低級C接口封裝起來方便使用，Python也不例外。
讀寫文件是最常見的IO操作。Python內置了讀寫文件的函數，用法和C是兼容的。
讀寫文件前，我們先必須了解一下，在磁盤上讀寫文件的功能都是由操作系統提供的，現代操作系統不允許普通的程序直接操作磁盤，所以，讀寫文件就是請求操作系統打開一個文件對象（通常稱為文件描述符），然后，通過操作系統提供的接口從這個文件對象中讀取數據（讀文件），或者把數據寫入這個文件對象（寫文件）。
2 讀文件
要以讀文件的模式打開一個文件對象，使用Python內置的open()函數，傳入文件名和標示符：
>>> f = open('C:\\Users\\hfqn\\Desktop\\test.txt', 'r')
標示符'r'表示讀，這樣，我們就成功地打開了一個文件。
如果文件不存在，open()函數就會拋出一個IOError的錯誤，並且給出錯誤碼和詳細的信息告訴你文件不存在：
>>> f=open('C:\\Users\\hfqn\\Desktop\\notfound.txt', 'r')
Traceback (most recent call last):
File "<stdin>", line 1, in <module>
FileNotFoundError: [Errno 2] No such file or directory: 'C:\\Users\\hfqn\\Desktop\\notfound.txt'
如果文件打開成功，接下來，調用read()方法可以一次讀取文件的全部內容，Python把內容讀到內存，用一個str對象表示：
>>> f.read()
'Hello, world!'
最后一步是調用close()方法關閉文件。文件使用完畢后必須關閉，因為文件對象會占用操作系統的資源，並且操作系統同一時間能打開的文件數量也是有限的：
>>> f.close()
由於文件讀寫時都有可能產生IOError，一旦出錯，后面的f.close()就不會調用。所以，為了保證無論是否出錯都能正確地關閉文件，我們可以使用try ... finally來實現：
try:
f = open('\path\to\file', 'r')
print(f.read())
finally:
if f:
f.close()
但是每次都這么寫實在太繁瑣，所以，Python引入了with語句來自動幫我們調用close()方法：
with open('\path\to\file', 'r') as f:
print(f.read())
這和前面的try ... finally是一樣的，但是代碼更佳簡潔，並且不必調用f.close()方法。
調用read()會一次性讀取文件的全部內容，如果文件有10G，內存就爆了，所以，為保險起見，可以反復調用read(size)方法，每次最多讀取size個字節的內容。
另外，調用readline()可以每次讀取一行內容，調用readlines()一次讀取所有內容並按行返回list。因此，要根據需要決定怎么調用。
如果文件很小，read()一次性讀取最方便；如果不能確定文件大小，反復調用read(size)比較保險；如果是配置文件，調用readlines()最方便：
with open('\path\to\file', 'r') as f:
for line in f.readlines():
print(line.strip()) # 把末尾的'\n'刪掉
前面講的默認都是讀取文本文件，並且是UTF-8編碼的文本文件。要讀取二進制文件，比如圖片、視頻等等，用'rb'模式打開文件即可：
>>> f = open('C:\\Users\\hfqn\\Desktop\\test.jpg', 'rb')
>>> f.read()
b''\x89PNG\r\n\x1a\n\x00\x00\x00...' # 十六進制表示的字節
要讀取非UTF-8編碼的文本文件，需要給open()函數傳入encoding參數，例如，讀取GBK編碼的文件：
>>> f = open('C:\\Users\\hfqn\\Desktop\\gbk.txt','r',encoding='gbk')
>>> f.read()
'人生苦短，我用python'
遇到有些編碼不規范的文件，你可能會遇到UnicodeDecodeError，因為在文本文件中可能夾雜了一些非法編碼的字符。遇到這種情況，open()函數還接收一個errors參數，表示如果遇到編碼錯誤后如何處理。最簡單的方式是直接忽略：
>>> f = open('C:\\Users\\hfqn\\Desktop\\gbk.txt','r',encoding='gbk', errors='ignore')
關於Python的編碼，可參考《Python2與Python3的字符編碼與解碼》：http://www.jianshu.com/p/19c74e76ee0a
3 寫文件
寫文件和讀文件是一樣的，唯一區別是調用open()函數時，傳入標識符'w'或者'wb'表示寫文本文件或寫二進制文件：
>>> f = open('C:\\Users\\hfqn\\Desktop\\test.txt', 'w')
>>> f.write('Hello, world!')
>>> f.close()
你可以反復調用write()來寫入文件，但是務必要調用f.close()來關閉文件。
當我們寫文件時，操作系統往往不會立刻把數據寫入磁盤，而是放到內存緩存起來，空閑的時候再慢慢寫入。只有調用close()方法時，操作系統才保證把沒有寫入的數據全部寫入磁盤。忘記調用close()的后果是數據可能只寫了一部分到磁盤，剩下的丟失了。所以，還是用with語句來得保險：
with open('C:\\Users\\hfqn\\Desktop\\test.txt', 'w') as f:
f.write('Hello, world!')
要寫入特定編碼的文本文件，請給open()函數傳入encoding參數，將字符串自動轉換成指定編碼。
4 StringIO和BytesIO
很多時候，數據讀寫不一定是文件，也可以在內存中讀寫。StringIO就是在內存中讀寫str。
要把str寫入StringIO，我們需要先創建一個StringIO，然后，像文件一樣寫入即可：
>>> from io import StringIO
>>> f = StringIO()
>>> f.write('hello')
5
>>> f.write(' ')
1
>>> f.write('world!')
6
>>> print(f.getvalue())
hello world!
getvalue()方法用於獲得寫入后的str。
要讀取StringIO，可以用一個str初始化StringIO，然后，像讀文件一樣讀取：
>>> from io import StringIO
>>> f = StringIO('Hello!\nHi!\nGoodbye!')
>>> while True:
... s = f.readline()
... if s == '':
... break
... print(s.strip())
Hello!
Hi!
Goodbye!
StringIO操作的只能是str，如果要操作二進制數據，就需要使用BytesIO。
BytesIO實現了在內存中讀寫bytes，我們創建一個BytesIO，然后寫入一些bytes：
>>> from io import BytesIO
>>> f = BytesIO()
>>> f.write('中文'.encode('utf-8'))
6
>>> print(f.getvalue())
b'\xe4\xb8\xad\xe6\x96\x87'
注意，寫入的不是str，而是經過UTF-8編碼的bytes。
和StringIO類似，可以用一個bytes初始化BytesIO，然后，像讀文件一樣讀取：
>>> from io import BytesIO
>>> f = BytesIO(b'\xe4\xb8\xad\xe6\x96\x87')
>>> f.read()
b'\xe4\xb8\xad\xe6\x96\x87'
StringIO和BytesIO是在內存中操作str和bytes的方法，使得和讀寫文件具有一致的接口。
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