Python读取文件的四种方式的实例详解_Python

故事背景：最近在处理Wikipedia的数据时发现由于数据量过大，之前的文件读取和数据处理方法几乎不可用，或耗时非常久。今天学校安排统一核酸检查，刚好和文件读取的过程非常相似。正好借此机会和大家一起从头梳理一下几种文件读取方法。

故事设定：现在学校要求对所有同学进行核酸采集，每位同学先在宿舍内等候防护人员（以下简称“大白”）叫号，叫到自己时去停车场排队等候大白对自己进行采集，采集完之后的样本由大白统一有序收集并储存。

名词解释：

学生：所有的学生是一个大文件，每个学生是其中的一行数据
宿舍：硬盘
停车场：内存
核酸采集：数据处理
样本：处理后的数据
大白：程序

学生数量特别少的情况

当学生数量特别少时，可以考虑将所有学生统一叫到停车场等候，再依次进行核酸采集。

Python读取文件的四种方式的实例详解

方法一：简单情况

此时的程序可以模拟为：

import time
from typing import List


def pick_all_students(dorm: str) -> List[str]:
  with open(dorm, "rt", encoding="utf8") as fin:
      students = fin.readlines()
      return students


def pick_sample(student: str) -> str:
  time.sleep(0.01)
  sample = f"{student.strip()}'s sample"
  return sample


def process(dorm: str, sample_storeroom: str) -> None:
  with open(sample_storeroom, "wt", encoding="utf8") as fout:
      students = pick_all_students(dorm)
      for student in students:
          sample = pick_sample(student)
          fout.write(f"{sample}\n")
          fout.flush()


if __name__ == "__main__":
  process(
      "student_names.txt",
      "sample_storeroom.txt"
  )

注意，在第19行中，大白一次性把所有同学都叫到了停车场中。这种做法在学生比较少时做起来很快，但是如果学生特别多，停车场装不下怎么办？

停车场空间不够时怎么办？

Python读取文件的四种方式的实例详解

方法二：边读边处理

一般来说，由于停车场空间有限，我们不会采用一次性把所有学生都叫到停车场中，而是会一个一个地处理，这样可以节约内存空间。

import time
from typing import Iterator


def pick_one_student(dorm: str) -> Iterator[str]:
  with open(dorm, "rt", encoding="utf8") as fin:
      for student in fin:
          yield student


def pick_sample(student: str) -> str:
  time.sleep(0.01)
  sample = f"{student.strip()}'s sample"
  return sample


def process(dorm: str, sample_storeroom: str) -> None:
  with open(sample_storeroom, "wt", encoding="utf8") as fout:
      for student in pick_one_student(dorm):
          sample = pick_sample(student)
          fout.write(f"{sample}\n")
          fout.flush()


if __name__ == "__main__":
  process(
      "student_names.txt",
      "sample_storeroom.txt"
  )

这里pick_one_student函数中的返回值是用yield返回的，一次只会返回一名同学。

不过，这种做法虽然确保了停车场不会满员，但是这种做法在人数特别多的时候就不再适合了。虽然可以保证完成任务，但由于每次只能采集一个同学，程序的执行并不高。特别是当你的CPU有多个核时，会浪费机器性能，出现一核有难，其它围观的现象。

Python读取文件的四种方式的实例详解

怎么加快执行效率？

大家可能也已经注意到了，刚刚我们的场景中，不论采用哪种方法，都只有一名大白在工作。那我们能不能加派人手，从而提高效率呢？

答案当然是可行的。我们现在先考虑增加两名大白，使得一名大白专注于叫号，安排学生进入停车场，另外一名大白专注于采集核酸，最后一名大白用于存储核酸样本。

Python读取文件的四种方式的实例详解

方法三

import time
from multiprocessing import Queue, Process
from typing import Iterator


def pick_student(stu_queue: Queue, dorm: str) -> Iterator[str]:
  print("pick_student: started")

  picked_num = 0
  with open(dorm, "rt", encoding="utf8") as fin:
      for student in fin:
          stu_queue.put(student)
          picked_num += 1
          if picked_num % 500 == 0:
              print(f"pick_student: {picked_num}")

  # end signal
  stu_queue.put(None)
  print("pick_student: finished")


def pick_sample(student: str) -> str:
  time.sleep(0.01)
  sample = f"{student.strip()}'s sample"
  return sample


def process(stu_queue: Queue, store_queue: Queue) -> None:
  print("process: started")

  process_num = 0
  while True:
      student = stu_queue.get()
      if student is not None:
          sample = pick_sample(student)
          store_queue.put(sample)
          process_num += 1
          if process_num % 500 == 0:
              print(f"process: {process_num}")
      else:
          break

  # end signal
  store_queue.put(None)
  print("process: finished")


def store_sample(store_queue: Queue, sample_storeroom: str) -> None:
  print("store_sample: started")

  store_num = 0
  with open(sample_storeroom, "wt", encoding="utf8") as fout:
      while True:
          sample = store_queue.get()
          if sample is not None:
              fout.write(f"{sample}\n")
              fout.flush()

              store_num += 1
              if store_num % 500 == 0:
                  print(f"store_sample: {store_num}")
          else:
              break

  print("store_sample: finished")


if __name__ == "__main__":
  dorm = "student_names.txt"
  sample_storeroom = "sample_storeroom.txt"

  stu_queue = Queue()
  store_queue = Queue()

  store_p = Process(target=store_sample, args=(store_queue, sample_storeroom), daemon=True)
  store_p.start()
  process_p = Process(target=process, args=(stu_queue, store_queue), daemon=True)
  process_p.start()
  read_p = Process(target=pick_student, args=(stu_queue, dorm), daemon=True)
  read_p.start()

  store_p.join()

这份代码中，我们引入了多进程的思路，将每个大白看作一个进程，并使用了队列Queue作为进程间通信的媒介。stu_queue表示学生叫号进停车场的队列，store_queue表示已经采集过的待存储核酸样本的队列。

此外，为了控制进程的停止，我们在pick_student和 process函数的最后都向各自队列中添加了None作为结束标志符。

假设有1w名学生（student_names.txt文件有1w行），经过测试后发现上述方法的时间如下：

方法一：1m40.716s
方法二：1m40.717s
方法三：1m41.097s

咦？不是做了分工吗？怎么速度还变慢了？经笔者观察，这是因为叫号的大白速度太快了（文件读取速度快）通常是TA已经齐活了，另外俩人还在吭哧吭哧干活呢，体现不出来分工的优势。如果这个时候我们对法二和法三的叫号做延时操作，每个学生叫号之后停滞10ms再叫下一位学生，则方法三的处理时间几乎不变，而方法二的时间则会延长至3m21.345s。

怎么加快处理速度？

上面提到，大白采核酸的时间较长，往往上一个人的核酸还没采完，下一个人就已经在后面等着了。我们能不能提高核酸采集这个动作（数据处理）的速度呢？其实一名大白执行一次核酸采集的时间我们几乎无法再缩短了，但是我们可以通过增加人手的方式，来达到这个目的。就像去银行办业务，如果开放的窗口越多，那么每个人等待的时间就会越短。这里我们也采取类似的策略，增加核酸采集的窗口。

Python读取文件的四种方式的实例详解

import time
from multiprocessing import Queue, Process, cpu_count
from typing import Iterator


def pick_student(stu_queue: Queue, dorm: str, num_workers: int) -> Iterator[str]:
  print("pick_student: started")

  picked_num = 0
  with open(dorm, "rt", encoding="utf8") as fin:
      for student in fin:
          stu_queue.put(student)
          picked_num += 1
          if picked_num % 500 == 0:
              print(f"pick_student: {picked_num}")

  # end signal
  for _ in range(num_workers):
      stu_queue.put(None)

  print("pick_student: finished")


def pick_sample(student: str) -> str:
  time.sleep(0.01)
  sample = f"{student.strip()}'s sample"
  return sample


def process(stu_queue: Queue, store_queue: Queue) -> None:
  print("process: started")

  process_num = 0
  while True:
      student = stu_queue.get()
      if student is not None:
          sample = pick_sample(student)
          store_queue.put(sample)
          process_num += 1
          if process_num % 500 == 0:
              print(f"process: {process_num}")
      else:
          break

  print("process: finished")


def store_sample(store_queue: Queue, sample_storeroom: str) -> None:
  print("store_sample: started")

  store_num = 0
  with open(sample_storeroom, "wt", encoding="utf8") as fout:
      while True:
          sample = store_queue.get()
          if sample is not None:
              fout.write(f"{sample}\n")
              fout.flush()

              store_num += 1
              if store_num % 500 == 0:
                  print(f"store_sample: {store_num}")
          else:
              break

  print("store_sample: finished")


if __name__ == "__main__":
  dorm = "student_names.txt"
  sample_storeroom = "sample_storeroom.txt"
  num_process = max(1, cpu_count() - 1)

  maxsize = 10 * num_process
  stu_queue = Queue(maxsize=maxsize)
  store_queue = Queue(maxsize=maxsize)

  store_p = Process(target=store_sample, args=(store_queue, sample_storeroom), daemon=True)
  store_p.start()
  process_workers = []
  for _ in range(num_process):
      process_p = Process(target=process, args=(stu_queue, store_queue), daemon=True)
      process_p.start()
      process_workers.append(process_p)
  read_p = Process(target=pick_student, args=(stu_queue, dorm, num_process), daemon=True)
  read_p.start()

  for worker in process_workers:
      worker.join()

  # end signal
  store_queue.put(None)
  store_p.join()

总耗时 0m4.160s ！我们来具体看看其中的细节部分：

首先我们将CPU核数 - 3作为采核酸的大白数量。这里减3是为其它工作进程保留了一些资源，你也可以根据自己的具体情况做调整

这次我们在 Queue中增加了 maxsize参数，这个参数是限制队列的最大长度，这个参数通常与你的实际内存情况有关。如果数据特别多时要考虑做些调整。这里我采用10倍的工作进程数目作为队列的长度

注意这里pick_student函数中要为每个后续的工作进程都添加一个结束标志，因此最后会有个for循环

我们把之前放在process函数中的结束标志提取出来，放在了最外侧，使得所有工作进程均结束之后再关闭最后的store_p进程