Python学习：标准库之数据持久存储与交换

持久存储数据以便长期使用包括两个方面：在对象的内存中表示和存储格式之间来回转换数据，以及处理转换后数据的存储区。

标准库包含很多模块可以处理不同情况下的这两个方面

有两个模块可以将对象转换为一种可传输或存储的格式(这个过程被称为序列化)。最常用的是使用pickle持久存储，因为它可以与其他一些具体存储序列化数据的模块集成，如shelve。
而对基于web的应用，json更为常用，因为它能更好地与现有的web服务存储工具集成

一旦将内存中对象转化为一种可保存的格式，那么下一步就是确定如何存储这个数据。如果数据不需要以某种方式索引，则按照顺序先后写入序列化对象即可。
Python包括一组模块可以在一个简单的数据库中存储键值对，需要索引查找时会使用某种DBM变形格式

要利用DBM的格式，最直接的方式是使用shelve。可以打开shelve文件，通过一个类似字典的API来访问。

保存到数据库的对象会自动"腌制"并保存，而无须调用者做任何额外的工作

不过shelve有一个缺点，使用默认接口时，没有办法预测将使用哪一个DBM格式，因为shelve会根据创建数据库的系统上有哪些可用的库来选择一个格式。

如果应用不需要在配置有不同的库的主机之间共享数据库文件，那么选择哪一种并不重要。不过，如果必须保证可移植性，则可以使用这个模块中的某个类来确保选择一个特定的格式

对于web应用，由于这些应用已经在处理json格式的数据，因此可以使用json和dbm提供另一种持久存储机制。

直接使用dbm会比使用shelve多做一些工作，因为DBM数据库键和值都必须是字符串，，而且在数据库中访问值时不会自动创建对象。

还有xml，csv等格式

一、pickle：对象序列化

import pickle
'''
pickle模块实现了一个算法，可以将一个Python对象转换为一系列字节。这个过程被称为序列化。
可以传输或存储表示对象的字节流，然后再重新构造来创建有相同性质的新对象。
'''
 
# 注意：
'''
pickle的文档明确指出它不提供任何安全保证。实际上，对数据解除"腌制"(反序列化)可以执行任意的代码。
使用pickle模块完成进程间通信或数据存储时要当心，另外不要相信未经过安全验证的数据。
'''

1.编码和解码字符串中的数据

import pickle
'''
可以使用dumps将Python中对象进行序列化，也可以使用loads将序列化的对象转换成Python中的对象
'''
d = {"a": 1, "b": 2}
 
data_string = pickle.dumps(d)
print(data_string)
 
# 传入序列化对象
data = pickle.loads(data_string)  # b'\x80\x03}q\x00(X\x01\x00\x00\x00aq\x01K\x01X\x01\x00\x00\x00bq\x02K\x02u.'
print(data["a"] + data["b"])  # 3
'''
dumps(python对象) --> 序列化对象
loads(序列化对象) --> Python对象
 
默认地，pickle将以一种二进制格式写入，在Python3程序之间共享时这种兼容性最好
 
数据序列化后，可以写到一个文件、套接字、管道或者其它位置，之后可以读取这个文件，将文件进行反序列化，以便用同样的值构造一个新对象
'''
 
 
# 注意：可以序列化Python中的大部分常见对象
class A:
    a = "aaa"
 
 
a = A()
obj = pickle.dumps(a)
# 反序列化之后的对象和原来的对象是一样的，但是不是同一个对象
print(pickle.loads(obj) is a)  # False
print(pickle.loads(obj).a)  # aaa
 
 
# 除此之外，pickle还可以将序列化dump到一个文件里,然后从文件里面load
'''
函数分别是dump和load
pickle.dump(python对象, f)
pickle.load(f)
 
和不涉及文件的dumps、loads类似
pickle.dumps(Python对象)  -->会有返回值，obj
pickle.loads(obj)
 
操作类似，不再演示
'''

　　

2.处理流

import pickle
import io
'''
除了dumps、loads，pickle还提供了一些便利的函数来处理类似文件的流。
可以向一个流写多个对象，然后从流读取这些对象，而无须事先知道要写多个对象或者这些对象有多大。
'''
d = {"a": 1, "b": 2}
l = [1, 2, 3]
s = {1, 1, 3}
data = [d, l, s]
 
out_s = io.BytesIO()
for o in data:
    pickle.dump(o, out_s)
    out_s.flush()
 
in_s = io.BytesIO(out_s.getvalue())
 
while True:
    try:
        o = pickle.load(in_s)
        print(o)
    except EOFError:
        break
'''
{'a': 1, 'b': 2}
[1, 2, 3]
{1, 3}
'''

3.重构对象的问题

import pickle
import sys
'''
处理定制类时，腌制的类必须出现在读取pickle的进程所在的命名空间里。
只会腌制这个实例的数据，而不是类定义。类名用于查找构造函数，以便在解除腌制时创建新对象。
 
比如我在A.py中定义了一个类Foo，然后将其实例对象序列化。
我在B.py中将其反序列化，是会报错的，因为根本就有没有Foo这个类，如果from A import Foo之后，那么便不会报错。
说明腌制的类必须出现在读取pickle的进程所在的命名空间里
'''

4.不可腌制的对象

import pickle
'''
并不是所有对象都是可腌制的。套接字、文件句柄、数据库连接以及其他运行时状态依赖于操作系统或其他进程的对象，其可能无法用一种有意义的方式保存。
如果对象包含不可腌制的属性，则可以定义__getstate__和__setstate__来返回所腌制实例的状态的一个子集
 
__getstate__方法必须返回一个对象，其中包含所腌制对象的内部状态。表示状态的一种便利方式是使用字典，不过值可以是任意的可腌制对象。
保存状态，然后在从pickle加载对象时将所保存的状态传入__setstate__
'''
 
 
class A:
 
    def __init__(self):
        self.name = "mashiro"
        self.age = 16
 
    def __getstate__(self):
        print("__getstate__")
        return {"name": self.name, "age": self.age}
 
    def __setstate__(self, state):
        print("__setstate__")
        print(state)
 
 
a = A()
# 当dumps的时候，会触发__getstate__方法，要有一个返回值
dump_obj = pickle.dumps(a)  # __getstate__
# 当loads的时候，会触发__setstate__方法，__getstate__方法的返回值会传给state
load_obj = pickle.loads(dump_obj)
'''
__setstate__
{'name': 'mashiro', 'age': 16}
'''
  
# 而且pickle协议会自动处理对象之间的循环引用，所以复杂数据结构不需要任何特殊的处理。

5.dbm：Unix-键值数据库

'''
在一些小型程序中，不需要关系型数据库时，可以方便的用持久字典来存储键值对，和python中的字典非常类似。而且dbm的键和值都必须是str或者bytes类型
'''
import dbm
  
'''
这里第一个参数直接传入文件名，第二个参数表示模式
常见的模式：
r：可读，默认就是这个模式
w：可读可写
但是r、w，都必须确保文件已经存在，否则报错。
  
c：可读可写，文件不存在时会创建
n：可读可写，但总是会创建一个新的文件，也就是说如果创建同名文件，那么之前的内容都会被清空，也就是起不到追加的效果。
  
因此我们平常的模式一般都会选择c
  
  
第三个参数是权限，这个在windows下基本不用，是一组用八进制表示的数字，默认是0o666，都是可读可写不可执行
'''
db = dbm.open("store", "c")
  
# 打开文件之后，就可以存储值了
# 注意key和value都必须是str或者bytes类型
db["name"] = "satori"
db["age"] = "16"
db["gender"] = "f"
db["anime"] = "东方地灵殿"
  
# 关闭文件，将内容写到磁盘上
db.close()
  
  
################################################################
# 打开文件
db = dbm.open("store", "c")
print(db.keys())  # [b'name', b'age', b'gender', b'anime']
for key in db.keys():
    print(f"key={key}, value={db[key]}")
    '''
    key=b'name', value=b'satori'
    key=b'age', value=b'16'
    key=b'gender', value=b'f'
    key=b'anime', value=b'\xe4\xb8\x9c\xe6\x96\xb9\xe5\x9c\xb0\xe7\x81\xb5\xe6\xae\xbf'
    '''

会多出这么三个文件

6.shelve：对象的持久存储

''' 
shelve和dbm比较类似，但是功能远比dbm强大，因为它可以持久化任意对象
'''
import shelve
  
# 参数flag默认是c,因此我们只需要传入文件名就可以了，这个是自动追加在后面的
# 也就是说我写完之后，再次打开继续写的话，只会追加不会清空
sh = shelve.open("shelve")
  
sh["dict"] = {"name": "satori", "age": 16}
sh["list"] = [1, 2, 3, 4]
sh["set"] = {1, 2, 3, 2}
  
# 写完之后关闭文件，刷到内存里面
# 关闭之后就无法操作了
sh.close()
  
  
# 下面我们就可以操作数据了，下面的代码即便写在另一个py文件里面也是可以的
sh2 = shelve.open("shelve")
print(sh2["dict"], sh2["dict"].keys())  # {'name': 'satori', 'age': 16} dict_keys(['name', 'age'])
print(sh2["list"], sum(sh2["list"]))  # [1, 2, 3, 4] 10
print(sh2["set"])  # {1, 2, 3}
sh2.close()
  
  
# 可以看到，拿出来的就是原生的对象，可以直接用来进行操作的。那我们看看自己定义的类可不可以呢？
sh3 = shelve.open("shelve")
  
  
class A:
    def __init__(self, name, age):
        self.name = name
        self.age = age
  
    @property
    def print_info(self):
        return f"my name is {self.name}, age is {self.age}"
  
  
a = A("satori", 16)
# 将这个类和类的一个实例对象存储进去
sh3["A"] = A
sh3["a"] = a
sh3.close()
  
  
######################################
sh4 = shelve.open("shelve")
  
# sh4["A"]拿到A这个类，传入参数，调用方法
print(sh4["A"]("mashiro", "17").print_info)  # my name is mashiro, age is 17
  
# sh4["a"]拿到a这个实例对象，直接调用方法
print(sh4["a"].print_info)  # my name is satori, age is 16
  
# 我们发现依旧是可以的，说明了shelve这个模块真的很强大

我们再来看一个例子

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import shelve
  
sh = shelve.open("shelve")
sh["list"] = [1, 2, 3]
sh["str"] = "mashiro"
sh.close()
  
##############################
sh = shelve.open("shelve")
sh["list"].append("xxxx")
sh["str"] = "satori"
sh.close()
  
#######################
sh = shelve.open("shelve")
print(sh["list"])  # [1, 2, 3]
print(sh["str"])  # satori

分析结果，第一次打开文件我们创建两个键值对

sh["list"] = [1, 2, 3]
sh["str"] = "mashiro"

第二次打开文件，修改了两个键的值
第三次打开文件，打印。但是我们发现sh["str"]改变了，但是sh["list"]没有改变，这是为什么？
首先sh["str"] = "satori"很好理解，但是为什么sh["list"]没有变？
因为=，我们是直接赋值，将这一块内存里面的值给换掉，而sh["list"]我们是做append操作，这只是在原来的基础上进行修改shelve默认情况下是不会记录，持久化对象的修改的，除非你是创建新的对象，或者是把原来的对象给换掉，如果是在原来的基础上(可变类型),比如列表、字典，进行添加或者删除操作，这些是不会被记录的
所以：sh["list"]=[1, 2, 3] sh["list"].append("xxxx") --->sh["list"]仍是[1, 2, 3]不会是[1, 2, 3, "xxx"]
因为shelve没有记录对象自身的修改，如果我想得到期望的结果，一种方法是把对象整体换掉sh["list"] = [1, 2, 3, "xxxx"]，这样等于是重新赋值，是可行的。但是有时候我们不知道列表里面内容，或者列表里面的内容是一些函数、类什么的、不好写的话，该咋办呢？

其实我们在打开文件的时候，还可以加上一个参数，叫做writeback

import shelve
  
sh = shelve.open("shelve")
sh["list"] = [1, 2, 3]
sh["str"] = "mashiro"
sh.close()
  
##############################
# 如果我们需要进行修改，那么加上一个writeback=True就可以了，从名字也能看出来
# 这是会将修改的内容从新写回去
sh = shelve.open("shelve", writeback=True)
sh["list"].append("xxxx")
sh["str"] = "satori"
sh.close()
  
#######################
sh = shelve.open("shelve")
print(sh["list"])  # [1, 2, 3, 'xxxx']
print(sh["str"])  # satori
'''
可以看到都发生改变了，但是这个参数有缺陷，就是会有额外的内存消耗。当我们加上writeback=True的时候shelve会将我们读取的对象都放到一个内存缓存当中。
比如说我们获取了20持久化的对象，但是我们只修改了一个，剩余的19个只是查看并没有做修改，但当我们sh.close()的时候，会将这20个对象都写回去
因为shelve不知道你会对哪个对象进行修改，于是不管你是查看还是修改，都会放到缓存当中，然后再一次性都写回去。
这样会造成两点：
1.对象放到内存缓存当中，等于是重新拷贝了一份，因为我们读取文件已经到内存当中了，而shelve又把我们使用的对象放到内存的另一片空间中
2.写入数据，我们明明只修改了一份数据，但是它把20份都重新写回去了，这样会造成性能上的问题，导致效率会降低。
因此加不加这个参数，由具体情况决定
'''