Python `os` / `sys` / `shutil` 模块：系统级操作的极限运用

Python `os` / `sys` / `shutil` 模块：系统级操作的极限运用 (讲座模式)

各位朋友们，大家好！我是今天的讲师，一个和Python打了多年交道的老码农。今天咱们不聊高深莫测的算法，也不谈玄之又玄的架构，咱们就来点实在的——聊聊Python里那些能让你直接和操作系统“对话”的模块：os、sys 和 shutil。

别看它们的名字朴实无华，但它们的功能强大到超乎你的想象。有了它们，你可以像一个操作系统管理员一样，轻松管理你的文件、目录，甚至控制程序的运行。所以，准备好，咱们要开始一场系统级操作的“极限运动”了！

第一幕：`os` 模块 – 我是你的文件总管

os 模块，可以理解为 “operating system” 的缩写，它就像一个万能遥控器，让你在 Python 代码里直接控制操作系统。无论你是想创建目录、删除文件、还是获取环境变量，os 模块都能帮你搞定。

1. 文件和目录操作：基础中的基础

os.getcwd()：告诉你现在在哪儿
```
import os

current_directory = os.getcwd()
print(f"当前工作目录是：{current_directory}")
```
这个函数就像你的 GPS，告诉你当前 Python 脚本运行的目录。
os.chdir(path)：换个地方溜达
```
import os

os.chdir("/tmp")  # 切换到 /tmp 目录
print(f"当前工作目录已切换至：{os.getcwd()}")
```
就像你在命令行里用 cd 命令一样，os.chdir() 可以让你在不同的目录之间切换。
os.mkdir(path) 和 os.makedirs(path)：造房子，盖别墅
```
import os

os.mkdir("my_new_directory")  # 创建一个名为 my_new_directory 的目录
os.makedirs("my_new_directory/subdir1/subdir2")  # 创建多层目录
```
os.mkdir() 只能创建单层目录，如果目录已经存在就会报错。而 os.makedirs() 则可以创建多层目录，如果中间的目录不存在，它会自动创建。你可以把它想象成盖别墅，一层一层地往上盖。
os.rmdir(path) 和 shutil.rmtree(path)：拆房子，夷为平地
```
import os
import shutil

os.rmdir("my_new_directory")  # 删除一个空目录
shutil.rmtree("my_new_directory")  # 删除包含内容的目录
```
os.rmdir() 只能删除空目录，如果目录里有文件或者其他目录，就会报错。shutil.rmtree() 则可以删除包含内容的目录，注意，这个操作不可逆，使用时要小心！
os.remove(path)：抹去痕迹
```
import os

os.remove("my_file.txt")  # 删除一个文件
```
这个函数用于删除文件，就像你在命令行里用 rm 命令一样。

os.rename(old_path, new_path)：改头换面

import os

os.rename("old_file.txt", "new_file.txt")  # 重命名文件
os.rename("old_directory", "new_directory")  # 重命名目录

你可以用这个函数来重命名文件或者目录。

2. 文件属性：知己知彼，百战不殆

os.path.exists(path)：它存在吗？

import os

if os.path.exists("my_file.txt"):
    print("文件存在")
else:
    print("文件不存在")

这个函数可以检查文件或者目录是否存在。

os.path.isfile(path) 和 os.path.isdir(path)：它是文件还是目录？

import os

if os.path.isfile("my_file.txt"):
    print("这是一个文件")
elif os.path.isdir("my_directory"):
    print("这是一个目录")

这两个函数可以判断给定的路径是文件还是目录。

os.path.getsize(path)：它有多重？

import os

file_size = os.path.getsize("my_file.txt")
print(f"文件大小是：{file_size} 字节")

这个函数可以获取文件的大小，单位是字节。

os.path.getmtime(path)：最后一次见它是什么时候？
```
import os
import time

last_modified_time = os.path.getmtime("my_file.txt")
print(f"最后修改时间是：{time.ctime(last_modified_time)}")
```
这个函数可以获取文件的最后修改时间，返回的是一个时间戳，可以用 time.ctime() 函数转换成可读的格式。

3. 路径处理：迷宫探险的地图

os.path.abspath(path)：告诉我你的绝对位置
```
import os

absolute_path = os.path.abspath("my_file.txt")
print(f"绝对路径是：{absolute_path}")
```
这个函数可以获取文件的绝对路径，也就是从根目录开始的完整路径。
os.path.dirname(path) 和 os.path.basename(path)：你的父母是谁？你的名字叫什么？
```
import os

path = "/path/to/my/file.txt"
directory = os.path.dirname(path)
filename = os.path.basename(path)

print(f"目录是：{directory}")
print(f"文件名是：{filename}")
```
os.path.dirname() 可以获取文件所在的目录，os.path.basename() 可以获取文件名。
os.path.join(path1, path2, ...)：把碎片拼起来
```
import os

path = os.path.join("/path/to", "my", "file.txt")
print(f"拼接后的路径是：{path}")
```
这个函数可以把多个路径片段拼接成一个完整的路径，它会自动处理路径分隔符，让你的代码在不同的操作系统上都能正常运行。

4. 系统信息：了解你的环境

os.environ：环境变量的宝藏
```
import os

username = os.environ.get("USERNAME")
print(f"当前用户名是：{username}")
```
os.environ 是一个字典，包含了所有的环境变量。你可以通过 os.environ.get() 方法来获取某个环境变量的值。
os.system(command)：执行系统命令
```
import os

os.system("ls -l")  # 执行 ls -l 命令
```
这个函数可以执行系统命令，就像你在命令行里输入命令一样。但是，使用 os.system() 要小心，因为它可能会执行一些危险的命令，导致系统崩溃。建议使用 subprocess 模块来执行系统命令，它更加安全和灵活。

第二幕：`sys` 模块 – 我是你的程序指挥官

sys 模块，可以理解为 "system" 的缩写，它提供了一些与 Python 解释器交互的函数和变量。你可以用它来获取命令行参数、控制程序的退出、甚至修改 Python 的搜索路径。

1. 命令行参数：程序的入口

sys.argv：接收来自世界的问候
```
import sys

print(f"命令行参数是：{sys.argv}")
```
sys.argv 是一个列表，包含了所有的命令行参数。第一个元素是脚本的名称，后面的元素是用户输入的参数。

例如，如果你在命令行里输入 python my_script.py arg1 arg2，那么 sys.argv 的值就是 ['my_script.py', 'arg1', 'arg2']。

2. 程序控制：进退自如

sys.exit(status)：优雅地谢幕
```
import sys

if some_error_occurred:
    print("程序出错，即将退出")
    sys.exit(1)  # 退出程序，返回状态码 1
```
sys.exit() 可以让程序退出，你可以指定一个状态码，告诉操作系统程序是正常退出还是异常退出。

3. 模块搜索路径：寻找宝藏的地图

sys.path：告诉 Python 去哪里找模块
```
import sys

print(f"模块搜索路径是：{sys.path}")
```
sys.path 是一个列表，包含了 Python 解释器搜索模块的路径。你可以修改 sys.path，让 Python 能够找到你自定义的模块。
```
import sys

sys.path.append("/path/to/my/module")  # 添加新的模块搜索路径
```

4. 标准输入输出：与世界交流

sys.stdin、sys.stdout 和 sys.stderr：程序的眼睛、嘴巴和耳朵

sys.stdin 是标准输入流，你可以用它来读取用户的输入。sys.stdout 是标准输出流，你可以用它来打印程序的输出。sys.stderr 是标准错误流，你可以用它来打印程序的错误信息。
```
import sys

# 从标准输入读取一行
line = sys.stdin.readline().strip()
print(f"你输入的是：{line}")

# 向标准输出打印信息
sys.stdout.write("这是一条输出信息n")

# 向标准错误打印错误信息
sys.stderr.write("这是一个错误信息n")
```

第三幕：`shutil` 模块 – 我是你的文件搬运工

shutil 模块，可以理解为 "shell utilities" 的缩写，它提供了一些高级的文件操作函数，比如复制文件、移动文件、压缩文件等。你可以把它想象成一个文件搬运工，帮你轻松处理各种文件操作。

1. 文件复制：克隆大法

shutil.copy(src, dst)：复制文件
```
import shutil

shutil.copy("source_file.txt", "destination_file.txt")  # 复制文件
```
这个函数可以复制文件，它会把 src 文件的内容复制到 dst 文件。如果 dst 文件已经存在，它会被覆盖。
shutil.copytree(src, dst)：复制目录
```
import shutil

shutil.copytree("source_directory", "destination_directory")  # 复制目录
```
这个函数可以复制整个目录，包括目录里的所有文件和子目录。如果 dst 目录已经存在，就会报错。

2. 文件移动：乾坤大挪移

shutil.move(src, dst)：移动文件或目录
```
import shutil

shutil.move("source_file.txt", "destination_directory")  # 移动文件到目录
shutil.move("source_directory", "destination_directory")  # 移动目录到目录
```
这个函数可以移动文件或目录，它会把 src 文件或目录移动到 dst 目录。如果 dst 已经存在同名的文件或目录，它会被覆盖。

3. 文件压缩：打包带走

shutil.make_archive(base_name, format, root_dir)：把东西打包成压缩包
```
import shutil

shutil.make_archive("my_archive", "zip", "/path/to/my/directory")  # 创建一个 zip 压缩包
```
这个函数可以把一个目录压缩成一个压缩包。base_name 是压缩包的名字，format 是压缩格式，root_dir 是要压缩的目录。常用的压缩格式有 "zip"、"tar"、"gztar"、"bztar"、"xztar"。

4. 磁盘空间：家底有多少

shutil.disk_usage(path)：看看还剩多少空间

import shutil

total, used, free = shutil.disk_usage("/")  # 获取根目录的磁盘使用情况
print(f"总空间：{total // (2**30)} GB")
print(f"已用空间：{used // (2**30)} GB")
print(f"可用空间：{free // (2**30)} GB")

这个函数可以获取磁盘的使用情况，包括总空间、已用空间和可用空间。

总结：系统级操作的利器

咱们今天一起学习了 os、sys 和 shutil 这三个强大的模块，它们就像 Python 的左膀右臂，让你能够轻松地进行系统级操作。

为了方便大家记忆，我给大家整理了一个表格：

模块	常用函数	功能描述
`os`	`os.getcwd()`	获取当前工作目录
	`os.chdir(path)`	改变当前工作目录
	`os.mkdir(path)` / `os.makedirs(path)`	创建目录
	`os.rmdir(path)` / `shutil.rmtree(path)`	删除目录
	`os.remove(path)`	删除文件
	`os.rename(old_path, new_path)`	重命名文件或目录
	`os.path.exists(path)`	检查文件或目录是否存在
	`os.path.isfile(path)` / `os.path.isdir(path)`	检查路径是文件还是目录
	`os.path.getsize(path)`	获取文件大小
	`os.path.abspath(path)`	获取绝对路径
`sys`	`sys.argv`	获取命令行参数
	`sys.exit(status)`	退出程序
	`sys.path`	获取模块搜索路径
`shutil`	`shutil.copy(src, dst)`	复制文件
	`shutil.copytree(src, dst)`	复制目录
	`shutil.move(src, dst)`	移动文件或目录
	`shutil.make_archive(base_name, format, root_dir)`	创建压缩包
	`shutil.disk_usage(path)`	获取磁盘使用情况

当然，这只是冰山一角，还有很多其他的函数等待你去探索。记住，熟能生巧，多练习，多实践，你才能真正掌握这些工具，成为一个系统级操作的高手！

最后，提醒大家，在使用这些模块进行系统级操作时，一定要小心谨慎，避免误操作导致数据丢失或者系统崩溃。切记，安全第一！

今天的讲座就到这里，谢谢大家！希望大家有所收获，下次再见！