Python 課程 – 檔案操作（File I/O）

主題：開啟與關閉檔案（`open`、`with`）

簡介

在日常開發中，讀寫檔案是最常見的需求之一。無論是處理日誌、儲存使用者設定，抑或是批次匯入/匯出資料，都離不開檔案的開啟與關閉。Python 內建的 open() 函式提供了彈性十足的介面，而 with 陳述式則讓我們在使用完檔案後自動釋放資源，避免遺漏關閉檔案所造成的資源泄漏或資料遺失。

本篇文章將從 基本概念、實作範例、常見陷阱 以及 最佳實踐 逐層說明，幫助初學者快速上手，同時讓有一定經驗的開發者重新檢視自己的寫法，提升程式的可靠度與可讀性。

核心概念

1. `open()` 的基本用法

open() 會回傳一個 檔案物件（file object），其語法如下：

file = open(file, mode='r', buffering=-1, encoding=None, errors=None, newline=None, closefd=True, opener=None)

file：檔案路徑（相對或絕對）。
mode：開啟模式，最常用的有
- 'r' 讀取（預設）
- 'w' 寫入（會覆寫原檔）
- 'a' 附加（寫入時不會清空）
- 'b' 二進位模式（如 'rb'、'wb'）
- '+' 讀寫同時（如 'r+'、'w+'）。
encoding：文字檔的編碼，常見 utf-8、cp950（繁體中文 Windows 預設）等。

小技巧：在處理跨平台文字檔時，建議明確指定 encoding='utf-8'，避免因預設編碼不同而產生亂碼。

2. 手動關閉檔案：`file.close()`

f = open('data.txt', 'r', encoding='utf-8')
content = f.read()
print(content)
f.close()          # 必須手動關閉

若忘記呼叫 close()，檔案會保持「開啟」狀態，直到 Python 的垃圾回收機制自行釋放。這在大量檔案操作或長時間執行的服務端程式中，可能導致 檔案描述符耗盡，從而拋出 OSError: [Errno 24] Too many open files。

3. 使用 `with` 陳述式自動關閉

with 會在區塊結束時自動呼叫檔案物件的 __exit__ 方法，等同於 try…finally 的寫法，讓程式更安全且易讀。

with open('data.txt', 'r', encoding='utf-8') as f:
    content = f.read()
    print(content)   # 離開 with 區塊後，檔案已自動關閉

優點：

保證關閉：即使區塊內發生例外，檔案仍會被正確關閉。
語法簡潔：不必額外寫 try…finally。
可疊加：同時開啟多個檔案，只要使用逗號分隔即可。

with open('input.txt', 'r', encoding='utf-8') as fin, \
     open('output.txt', 'w', encoding='utf-8') as fout:
    for line in fin:
        fout.write(line.upper())

4. 常見的開啟模式範例

模式	說明	例子
`'r'`	只讀，檔案必須存在	`open('a.txt')`
`'w'`	寫入，若檔案已存在會被清空	`open('b.txt', 'w')`
`'a'`	附加寫入，檔案不存在時會自動建立	`open('c.txt', 'a')`
`'rb'`/`'wb'`	二進位讀寫，常用於圖片、音訊等	`open('img.png', 'rb')`
`'r+'`	讀寫，同時允許讀取與寫入	`open('d.txt', 'r+')`
`'x'`	獨占寫入，檔案已存在則拋出 `FileExistsError`	`open('e.txt', 'x')`

程式碼範例

以下提供 5 個實用範例，從最基礎的讀寫到稍微進階的例外處理與二進位操作，均以註解說明每一步的意圖。

範例 1：最簡單的文字讀取（手動關閉）

# 讀取 data.txt，內容以 UTF-8 解碼
f = open('data.txt', 'r', encoding='utf-8')
try:
    for line in f:
        print(line.rstrip())   # 去除換行符號
finally:
    f.close()                  # 確保檔案一定被關閉

重點：使用 try…finally 可以保證即使迴圈內發生例外，檔案仍會被關閉。

範例 2：使用 `with` 寫入檔案（自動關閉）

# 將一串文字寫入 output.txt，若檔案已存在會被覆寫
with open('output.txt', 'w', encoding='utf-8') as fout:
    fout.write('Hello, Python!\n')
    fout.write('這是一行中文。\n')
    # 不需要額外的 close()

範例 3：逐行讀寫並轉換大小寫（同時開兩個檔案）

# 讀取 input.txt，將每行文字轉成大寫後寫入 output.txt
with open('input.txt', 'r', encoding='utf-8') as fin, \
     open('output.txt', 'w', encoding='utf-8') as fout:
    for line in fin:
        fout.write(line.upper())

範例 4：二進位檔案的複製（圖片、音訊等）

# 複製 image.png 為 image_copy.png，使用二進位模式
with open('image.png', 'rb') as src, open('image_copy.png', 'wb') as dst:
    while True:
        chunk = src.read(4096)   # 每次讀 4KB，減少記憶體使用
        if not chunk:
            break
        dst.write(chunk)

範例 5：捕捉例外並提供友善訊息

import sys

file_path = 'maybe_missing.txt'

try:
    with open(file_path, 'r', encoding='utf-8') as f:
        data = f.read()
        print(data)
except FileNotFoundError:
    print(f'⚠️ 找不到檔案：{file_path}', file=sys.stderr)
except UnicodeDecodeError as e:
    print(f'⚠️ 編碼錯誤：{e}', file=sys.stderr)

說明：FileNotFoundError 與 UnicodeDecodeError 是最常見的兩種例外，適時捕捉能讓使用者得到明確的錯誤資訊，而不會直接中斷程式。

常見陷阱與最佳實踐

陷阱	為何會發生	解法 / 最佳實踐
忘記關閉檔案	手動 `open()` 後未呼叫 `close()`，或在例外發生時直接跳出	使用 `with`，或在 `try…finally` 中呼叫 `close()`
檔案編碼不一致	在 Windows 常見使用 `cp950`，而 Linux 預設 `utf-8`，導致讀取時出現亂碼或 `UnicodeDecodeError`	明確指定 `encoding`（如 `utf-8`），或使用 `errors='ignore'`/`'replace'` 處理異常字符
一次讀取過大檔案	使用 `read()` 直接把整個檔案載入記憶體，檔案過大會耗盡記憶體	逐行或分塊讀取（`for line in f:`、`f.read(4096)`）
檔案路徑硬編碼	程式只能在特定目錄執行，移植性差	使用 `os.path.join()`、`pathlib.Path` 來組合路徑
寫入模式不當	用 `'w'` 開啟已存在的檔案，卻不小心把舊資料覆蓋了	若要保留舊資料，改用 `'a'`（附加）或先檢查檔案是否存在
二進位/文字模式混用	在二進位模式下寫入文字字串會拋出 `TypeError`	二進位模式只能寫入 `bytes`，文字模式只能寫入 `str`

其他最佳實踐

使用 pathlib：更直觀且跨平台。

from pathlib import Path
p = Path('logs') / 'app.log'
with p.open('a', encoding='utf-8') as log_file:
    log_file.write('程式開始執行\n')

設定緩衝區：對於大量小寫入，可調整 buffering 參數提升效能。

with open('big.txt', 'w', buffering=1) as f:   # 行緩衝
    for i in range(100000):
        f.write(f'{i}\n')

使用 shutil.copyfileobj 進行檔案複製，省去自行寫迴圈的麻煩。

import shutil
with open('src.bin', 'rb') as src, open('dst.bin', 'wb') as dst:
    shutil.copyfileobj(src, dst, length=8192)

實際應用場景

場景	可能的程式碼片段	為何需要 `open`/`with`
日誌系統	每次服務請求寫入 `app.log`	使用 `with open(..., 'a')` 確保即時寫入且不會遺漏關閉
資料匯入/匯出	讀取 CSV、JSON、XML 檔案	`with open(..., 'r', encoding='utf-8') as f:` 搭配 `csv`、`json` 模組
設定檔管理	讀取 `.ini`、`.yaml` 並寫回修改	讀取時使用 `with`，寫入時使用 `'w'` 或 `'r+'` 以保證原子性
檔案備份	每晚自動備份資料庫匯出檔	二進位模式 (`'rb'`/`'wb'`) + `shutil.copyfileobj`
大型文字處理	文字分析、關鍵字統計	逐行讀取 (`for line in f:`) 減少記憶體佔用，`with` 確保檔案釋放

總結

open() 是 Python 操作檔案的入口，模式與編碼是最常需要注意的參數。
永遠使用 with 來管理檔案生命週期，能自動關閉檔案、避免資源泄漏，程式碼也更具可讀性。
針對 大型檔案、二進位資料 或 跨平台編碼，要善用分塊讀寫、pathlib、以及明確的 encoding 設定。
了解常見陷阱（忘記關閉、編碼不一致、一次讀取過大等）並遵守最佳實踐，能讓你的檔案操作更安全、效能更佳。

掌握了 開啟與關閉檔案 的正確方式，就為日後的資料處理、日誌紀錄、設定管理等各種實務需求奠定了堅實的基礎。祝你在 Python 的檔案操作旅程中寫出乾淨、可靠且高效的程式碼！