Python系统交互库全解析

Sally璐璐2025-07-29 18:23

系统交互库

os 模块

os 模块提供了跨平台的文件和目录操作方法，是 Python 标准库中最常用的系统接口之一：

文件操作：

  • os.rename(src, dst) - 重命名文件或目录
  • os.remove(path) - 删除文件（不能删除目录）
  • os.path 子模块提供：
    • os.path.exists(path) - 检查路径是否存在
    • os.path.isfile(path)/os.path.isdir(path) - 判断路径类型
    • os.path.getsize(path) - 获取文件大小

目录操作：

  • os.mkdir(path) - 创建单个目录
  • os.makedirs(path) - 递归创建多级目录
  • os.listdir(path) - 列出目录内容
  • os.chdir(path) - 改变当前工作目录
  • os.walk(top) - 目录树生成器，递归遍历

路径处理：

  • os.path.join(path1, path2) - 智能拼接路径（跨平台兼容）
  • os.path.abspath(path) - 获取绝对路径
  • os.path.dirname(path)/os.path.basename(path) - 获取目录名/文件名
  • os.path.splitext(path) - 分离文件名和扩展名

系统信息：

  • os.name - 操作系统名称（'posix', 'nt', 'java'）
  • os.environ - 环境变量字典
  • os.getcwd() - 获取当前工作目录
  • os.cpu_count() - 获取CPU核心数

sys 模块

sys 模块实现了与 Python 解释器的深度交互：

命令行参数：

  • sys.argv - 脚本参数列表（第一个元素是脚本名称）
  • 示例：python script.py arg1 arg2 → sys.argv = ['script.py', 'arg1', 'arg2']

模块搜索路径：

  • sys.path - Python 模块搜索路径列表
  • 可动态修改：sys.path.append('/custom/path')

标准输入输出：

  • sys.stdin/sys.stdout/sys.stderr - 标准 I/O 流对象

  • 重定向示例：

    python 复制代码 
    sys.stdout = open('output.log', 'w')
print("这将写入文件")

解释器信息：

  • sys.version - Python 版本信息
  • sys.platform - 操作系统平台标识符
  • sys.executable - Python 解释器路径
  • sys.exit([status]) - 退出程序（0表示成功）

其他重要功能：

  • sys.getsizeof(obj) - 获取对象占用的内存大小
  • sys.getrecursionlimit() - 获取递归深度限制
  • sys.settrace() - 设置跟踪函数用于调试

subprocess 模块

subprocess 提供了更安全的进程管理方式，替代传统的 os.system()：

基本用法：

python 复制代码 
# 运行简单命令
result = subprocess.run(["ls", "-l"], capture_output=True, text=True)
print(result.stdout)

# 检查返回码
if result.returncode != 0:
    print("命令执行失败")

高级控制：

  • subprocess.Popen() - 创建子进程并返回句柄

    python 复制代码 
    proc = subprocess.Popen(["python", "worker.py"], 
                       stdin=subprocess.PIPE,
                       stdout=subprocess.PIPE)

管道连接：

  • subprocess.PIPE - 创建管道

    python 复制代码 
    p1 = subprocess.Popen(["cat", "file.txt"], stdout=subprocess.PIPE)
p2 = subprocess.Popen(["grep", "keyword"], stdin=p1.stdout, stdout=subprocess.PIPE)

错误处理：

  • subprocess.CalledProcessError - 命令返回非零状态时抛出

  • 安全执行：

    python 复制代码 
    try:
    subprocess.run(["rm", "important_file"], check=True)
except subprocess.CalledProcessError as e:
    print(f"命令失败: {e}")

其他功能：

  • timeout 参数 - 设置命令超时时间
  • shell=True - 通过系统shell执行命令（有安全风险）
  • env 参数 - 设置子进程环境变量

远程管理工具

paramiko 库

paramiko 是纯 Python 实现的 SSHv2 协议库：

SSH 连接：

python 复制代码 
import paramiko

client = paramiko.SSHClient()
client.set_missing_host_key_policy(paramiko.AutoAddPolicy())
client.connect('hostname', username='user', password='pass')

执行命令：

python 复制代码 
stdin, stdout, stderr = client.exec_command('ls -l')
print(stdout.read().decode())

文件传输：

python 复制代码 
sftp = client.open_sftp()
sftp.put('local.txt', 'remote.txt')  # 上传
sftp.get('remote.txt', 'local.txt')  # 下载
sftp.close()

密钥认证：

python 复制代码 
key = paramiko.RSAKey.from_private_key_file('/path/to/key.pem')
client.connect('host', username='user', pkey=key)

高级功能：

  • SSH 隧道
  • 保持连接
  • 主机密钥验证
  • 交互式 shell

Fabric 工具

Fabric2 是新一代的批量任务框架，构建在 Paramiko 之上：

任务定义：

python 复制代码 
from fabric import task

@task
def deploy(c):
    c.run('git pull')
    c.run('pip install -r requirements.txt')

主机管理：

python 复制代码 
@task
def check_disk(c):
    # 单个连接
    result = c.run('df -h', hide=True)
    print(f"磁盘使用:\n{result.stdout}")
    
    # 多主机
    for connection in c:
        with connection.cd('/var/log'):
            connection.run('ls -l')

批量执行：

python 复制代码 
from fabric import Connection, ThreadingGroup

hosts = ['web1', 'web2', 'db1']
group = ThreadingGroup(*hosts, user='admin')

result = group.run('hostname')
for connection, result in result.items():
    print(f"{connection.host}: {result.stdout.strip()}")

配置系统：

  • fabric.yml 配置文件：

    yaml 复制代码 
    user: deploy
connect_kwargs:
  key_filename: /path/to/key.pem
hosts:
  - web1.example.com
  - web2.example.com

  • 或通过 Python 配置：

    python 复制代码 
    c = Connection('host', user='user', connect_kwargs={'password': 'pass'})

其他特性：

  • 并行执行
  • 失败处理
  • 上下文管理器
  • 本地和远程操作混合

网络通信库

socket 模块

socket 提供底层网络接口：

TCP 通信：

python 复制代码 
# 服务器端
server_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
server_socket.bind(('0.0.0.0', 8000))
server_socket.listen(1)
conn, addr = server_socket.accept()

# 客户端
client_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
client_socket.connect(('localhost', 8000))

UDP 通信：

python 复制代码 
# 服务器端
udp_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)
udp_socket.bind(('0.0.0.0', 8000))
data, addr = udp_socket.recvfrom(1024)

# 客户端
udp_socket.sendto(b'Hello', ('localhost', 8000))

常用方法：

  • socket.settimeout() - 设置超时时间
  • socket.getaddrinfo() - 地址解析
  • socket.gethostname() - 获取主机名
  • socket.shutdown() - 优雅关闭连接

高级功能：

  • 非阻塞 I/O
  • 套接字选项设置
  • 多路复用 (select/poll)
  • SSL 包装

requests 库

requests 提供了人性化的 HTTP 客户端：

简单请求：

python 复制代码 
# GET 请求
response = requests.get('https://api.example.com/data')
print(response.json())

# POST 请求
payload = {'key1': 'value1', 'key2': 'value2'}
response = requests.post('https://api.example.com/post', data=payload)

参数传递：

  • params - URL 查询参数

    python 复制代码 
    requests.get('https://api.example.com/search', params={'q': 'python'})

  • json - JSON 请求体

    python 复制代码 
    requests.post('https://api.example.com/data', json={'key': 'value'})

会话保持：

python 复制代码 
session = requests.Session()
session.get('https://example.com/login', auth=('user', 'pass'))
response = session.get('https://example.com/dashboard')

高级功能：

  • 代理支持：

    python 复制代码 
    proxies = {'http': 'http://proxy.example.com:8080'}
requests.get('http://example.com', proxies=proxies)

  • 超时设置：

    python 复制代码 
    requests.get('http://example.com', timeout=5)

  • SSL 验证：

    python 复制代码 
    requests.get('https://example.com', verify='/path/to/cert.pem')

响应处理：

  • response.status_code - HTTP 状态码
  • response.headers - 响应头
  • response.content - 二进制响应体
  • response.text - 文本响应体
  • response.json() - JSON 解析

数据处理工具

json 模块

json 模块用于 API 数据交互：

序列化：

python 复制代码 
data = {'name': 'Alice', 'age': 30, 'skills': ['Python', 'SQL']}
json_str = json.dumps(data, indent=2)  # 美化输出

反序列化：

python 复制代码 
data = json.loads('{"name": "Alice", "age": 30}')

文件操作：

python 复制代码 
# 写入文件
with open('data.json', 'w') as f:
    json.dump(data, f)

# 读取文件
with open('data.json') as f:
    data = json.load(f)

高级功能：

  • 自定义编码器：

    python 复制代码 
    class CustomEncoder(json.JSONEncoder):
    def default(self, obj):
        if isinstance(obj, datetime):
            return obj.isoformat()
        return super().default(obj)

json.dumps(obj, cls=CustomEncoder)

  • 解析参数：

    python 复制代码 
    json.loads(json_str, object_hook=my_decoder)

csv 模块

csv 模块用于报表生成：

读取 CSV：

python 复制代码 
with open('data.csv') as f:
    reader = csv.reader(f)
    for row in reader:
        print(row)

写入 CSV：

python 复制代码 
with open('output.csv', 'w', newline='') as f:
    writer = csv.writer(f)
    writer.writerow(['Name', 'Age'])
    writer.writerow(['Alice', 30])

字典格式：

python 复制代码 
# 读取
with open('data.csv') as f:
    reader = csv.DictReader(f)
    for row in reader:
        print(row['Name'], row['Age'])

# 写入
with open('output.csv', 'w') as f:
    fieldnames = ['Name', 'Age']
    writer = csv.DictWriter(f, fieldnames=fieldnames)
    writer.writeheader()
    writer.writerow({'Name': 'Alice', 'Age': 30})

方言支持：

python 复制代码 
csv.register_dialect('mydialect', delimiter='|', quoting=csv.QUOTE_MINIMAL)
with open('data.psv') as f:
    reader = csv.reader(f, dialect='mydialect')

yaml 模块

yaml 用于配置文件解析：

基本用法：

python 复制代码 
import yaml

# 解析 YAML
with open('config.yaml') as f:
    config = yaml.safe_load(f)

# 生成 YAML
data = {'server': {'host': '127.0.0.1', 'port': 8000}}
yaml_str = yaml.dump(data, default_flow_style=False)

高级特性：

  • 锚点和别名：

    yaml 复制代码 
    defaults: &defaults
  adapter: postgres
  host: localhost

development:
  <<: *defaults
  database: dev

  • 自定义标签

  • 多文档流

安全考虑：

  • 始终优先使用 yaml.safe_load() 而非 yaml.load()
  • 避免加载不受信任的 YAML 文件
  • 复杂对象需要自定义表示器/构造器

与其他格式对比：

  • 比 JSON 更易读
  • 支持注释
  • 比 XML 更简洁
  • 适合配置文件和复杂数据结构
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