Python技法：实用运维脚本编写（进程/文件/目录操作）

Python在很大程度上可以对shell脚本进行替代。笔者一般单行命令用shell，复杂点的多行操作就直接用Python了。这篇文章就归纳一下Python的一些实用脚本操作。

1. 执行外部程序或命令

我们有以下C语言程序cal.c(已编译为.out文件)，该程序负责输入两个命令行参数并打印它们的和。该程序需要用Python去调用C语言程序并检查程序是否正常返回（正常返回会返回 0）。

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
int main(int argc, char* argv[]){
    int a = atoi(argv[1]);
    int b = atoi(argv[2]);
    int c = a + b;
    printf("%d + %d = %d\n", a, b, c);
    return 0;
}

那么我们可以使用subprocess模块的run函数来spawn一个子进程：

res = subprocess.run(["Python-Lang/cal.out", "1", "2"])
print(res.returncode)

可以看到控制台打印出进程的返回值0：

1 + 2 = 3
0

当然，如果程序中途被杀死。如我们将下列while.c程序写为下列死循环(已编译为.out文件)：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
int main(int argc, char* argv[]){
    while(1);
    return 0;
}

我们同样用run函数接收其返回值：

res = subprocess.run("Python-Lang/while.out")
print(res.returncode)

不过我们在程序运行中用shell命令将其终止掉：

(base) orion-orion@MacBook-Pro Python-Lang % ps -a |grep while
11829 ttys001    0:17.49 Python-Lang/while.out
11891 ttys005    0:00.00 grep while
(base) orion-orion@MacBook-Pro Python-Lang % kill 11829

可以看到控制台打印输出的进程返回值为-15（因为负值-N表示子进程被信号N终止，而kill命令默认的信号是15，该信号会终止进程）:

-15

如果程序陷入死循环不能正常终止，我们总不能一直等着吧？此时，我们可以设置超时机制并进行异常捕捉：

try:
    res = subprocess.run(["Python-Lang/while.out"], capture_output=True, timeout=5)
except subprocess.TimeoutExpired as e:
    print(e)

此时会打印输出异常结果：

Command '['Python-Lang/while.out']' timed out after 5 seconds

有时需要获取程序的输出结果，此时可以加上capture_output参数，然后访问返回对象的stdout属性即可：

res = subprocess.run(["netstat", "-a"], capture_output=True)
out_bytes = res.stdout

输出结果是以字节串返回的，如果想以文本形式解读，可以再增加一个解码步骤：

out_text = out_bytes.decode("utf-8")
print(out_text)

可以看到已正常获取文本形式的输出结果：

...
kctl       0      0     33      6 com.apple.netsrc
kctl       0      0     34      6 com.apple.netsrc
kctl       0      0      1      7 com.apple.network.statistics
kctl       0      0      2      7 com.apple.network.statistics
kctl       0      0      3      7 com.apple.network.statistics

(base) orion-orion@MacBook-Pro Learn-Python %

一般来说，命令的执行不需要依赖底层shell的支持（如sh，bash等），我们提供的字符串列表会直接传递给底层的系统调用，如os.execve()。如果希望命令通过shell来执行，只需要给定参数shell=True并将命令以简单的字符串形式提供即可。比如我们想让Python执行一个涉及管道、I/O重定向或其它复杂的Shell命令时，我们就可以这样写：

out_bytes = subprocess.run("ps -a|wc -l> out", shell=True)

2. 文件和目录操作（命名、删除、拷贝、移动等）

我们想要和文件名称和路径打交道时，为了保证获得最佳的移植性（尤其是需要同时运行与Unix和Windows上时），最好使用os.path中的函数。例如：

import os
file_name = "/Users/orion-orion/Documents/LocalCode/Learn-Python/Python-Lang/test.txt"
print(os.path.basename(file_name))
# test.txt
print(os.path.dirname(file_name))
# /Users/orion-orion/Documents/LocalCode/Learn-Python/Python-Lang
print(os.path.split(file_name))
# ('/Users/orion-orion/Documents/LocalCode/Learn-Python/Python-Lang', 'test.txt')
print(os.path.join("/new/dir", os.path.basename(file_name)))
# /new/dir/test.txt
print(os.path.expanduser("~/Documents"))
# /Users/orion-orion/Documents

其中os.path.expanduser当用户或$HOME未知时, 将不做任何操作。如我们这里的$HOME就为/Users/orion-orion：

(base) orion-orion@MacBook-Pro ~ % echo $HOME
/Users/orion-orion

如果要删除文件，请用os.remove（在删除前注意先判断文件是否存在）：

file_name = "Python-Lang/test.txt"
if os.path.exists(file_name):
    os.remove(file_name)

接下来我们看如何拷贝文件。当然最直接的方法是调用Shell命令：

os.system("cp Python-Lang/test.txt Python-Lang/test2.txt")

当然这不够优雅。如果不像通过调用shell命令来实现，可以使用shutil模块，该模块提供了一系列对文件和文件集合的高阶操作，其中就包括文件拷贝和移动/重命名。这些函数的参数都是字符串，用来提供文件或目录的名称。以下是示例：

src = "Python-Lang/test.txt"
dst = "Python-Lang/test2.txt"

# 对应cp src dst (拷贝文件，存在则覆盖)
shutil.copy(src, dst) 

src = "Python-Lang/sub_dir"
dst = "Python-Lang/sub_dir2"
# 对应cp -R src dst (拷贝整个目录树)
shutil.copytree(src, dst)

src = "Python-Lang/test.txt"
dst = "Python-Lang/sub_dir/test2.txt"
# 对应mv src dst (移动文件，可选择是否重命名)
shutil.move(src, dst)

可以看到，正如注释所言，这些函数的语义和Unix命令类似。如果你对Unix下的文件拷贝/移动等操作不熟悉，可以参见我的博客《Linux：文件解压、复制和移动的若干坑》。

默认情况下，如果源文件是一个符号链接，那么目标文件将会是该链接所指向的文件的拷贝。如果只想拷贝符号链接本身，可以提供关键字参数follow_symlinks:

shutil.copy(src, dst, follow_symlinks=True)

如果想在拷贝的目录中保留符号链接，可以这么做：

shutil.copytree(src, dst, symlinks=True)

有时在拷贝整个目录时需要对特定的文件和目录进行忽略，如.pyc这种中间过程字节码。我们可以为copytree提供一个ignore函数，该函数已目录名和文件名做为输入参数，返回一列要忽略的名称做为结果（此处用到字符串对象的.endswith方法，该方法用于获取文件类型）：

def ignore_pyc_files(dirname, filenames):
    return [name for name in filenames if name.endswith('pyc')] 

shutil.copytree(src, dst, ignore=ignore_pyc_files)

不过由于忽略文件名这种模式非常常见，已经有一个实用函数ignore_patterns()提供给我们使用了（相关模式使用方法类似.gitignore）：

shutil.copytree(src, dst, ignore=shutil.ignore_patterns("*~", "*.pyc"))

注：此处的"*~"模式匹配是文本编辑器（如Vi）产生的以"~"结尾的中间文件。

忽略文件名还常常用在os.listdir()中。比如我们在数据密集型（如机器学习）应用中，需要遍历data目录下的所有数据集文件并加载，但是需要排除.开头的隐藏文件，如.git，否则会出错，此时可采用下列写法：

import os
import os
filenames = [filename for filename in os.listdir("Python-Lang/data") if not filename.startswith(".")] #注意，os.listdir返回的是不带路径的文件名

让我们回到copytree()。用copytree()来拷贝目录时，一个比较棘手的问题是错误处理。比如在拷贝的过程中遇到已经损坏的符号链接，或者由于权限问题导致有些文件无法访问等。对于这种情况，所有遇到的异常会收集到一个列表中并将其归组为一个单独的异常，在操作结束时抛出。示例如下：

import shutil

src = "Python-Lang/sub_dir"
dst = "Python-Lang/sub_dir2"

try:
    shutil.copytree(src, dst)
except shutil.Error as e:
    for src, dst, msg in e.args[0]:
        print(src, dst, msg)

如果提供了ignore_dangling_symlinks=True，那么copytree将会忽略悬垂的符号链接。

更多关于shutil的使用(如记录日志、文件权限等)可参见shutil文档^[4]。

接下来我们看如何使用os.walk()函数遍历层级目录以搜索文件。只需要将顶层目录提供给它即可。比如下列函数用来查找一个特定的文件名，并将所有匹配结果的绝对路径打印出来：

import os
def findfile(start, name):
    for relpath, dirs, files in os.walk(start):
        if name in files:
            # print(relpath)
            full_path = os.path.abspath(os.path.join(relpath, name))
            print(full_path)

start = "."
name = "test.txt"
findfile(start, name)

可以看到，os.walk可为为我们遍历目录层级，且对于进入的每个目录层级它都返回一个三元组，包含：正在检视的目录的相对路径（相对脚本执行路径），正在检视的目录中包含的所有目录名列表，正在捡视的目录中包含的所有文件名列表。这里的os.path.abspath接受一个可能是相对的路径并将其组成绝对路径的形式。

我们还能够附加地让脚本完成更复杂的功能，如下面这个函数可打印出所有最近有修改过的文件：

import os
import time
def modified_within(start, seconds):
    now = time.time()
    for relpath, dirs, files in os.walk(start):
        for name in files:
            full_path = os.path.join(relpath, name)
            mtime = os.path.getmtime(full_path)
            if mtime > (now - seconds):
                print(full_path)

start = "."
seconds = 60
modified_within(start, 60)

3. 创建和解包归档文件

如果仅仅是想创建或解包归档文件，可以直接使用shutil模块中的高层函数：

import shutil
shutil.make_archive(base_name="data", format="zip", root_dir="Python-Lang/data")
shutil.unpack_archive("data.zip")

其中第二个参数format为期望输出的格式。要获取所支持的归档格式列表，可以使用get_archive_formats()函数：

print(shutil.get_archive_formats())
# [('bztar', "bzip2'ed tar-file"), ('gztar', "gzip'ed tar-file"), ('tar', 'uncompressed tar file'), ('xztar', "xz'ed tar-file"), ('zip', 'ZIP file')]

Python也提供了诸如tarfile、zipfile、gzip等模块来处理归档格式的底层细节。比如我们想要创建然后解包.zip归档文件，可以这样写：

import zipfile

with zipfile.ZipFile('Python-Lang/data.zip', 'w') as zout:
    zout.write(filename='Python-Lang/data/test1.txt', arcname="test1.txt")
    zout.write(filename='Python-Lang/data/test2.txt', arcname="test2.txt")
with zipfile.ZipFile('Python-Lang/data.zip', 'r') as zin:
    zin.extractall('Python-Lang/data2') #没有则自动创建data2目录

参考

• [1] https://docs.python.org/3/library/subprocess.html
• [2] https://stackoverflow.com/questions/28708531/what-does-do-in-a-gitignore-file
• [3] https://stackoverflow.com/questions/7099290/how-to-ignore-hidden-files-using-os-listdir
• [4] https://docs.python.org/3/library/shutil.html
• [5] Martelli A, Ravenscroft A, Ascher D. Python cookbook[M]. " O'Reilly Media, Inc.", 2015.