Pythonでのファイル読み書きまとめ

chatGPTにPythonでのファイルの読み書きについて詳しく教えてもらいましたので、その結果をまとめます。

chatGPTとの対話概要

・Pythonでファイルを開くにはwith open構文を使う方法とopen関数を使う方法があり、with open構文を使用すると、明示的に「f.close()」を実行する必要がないので、コードがシンプルになり、おすすめです。
・open関数のモードは’r’:読み込み、’w’:書き込み、’x’:排他的生成、’a’：追記の４つの基本形があり、付加的にバイナリモードの時は’b’、読み書き両用の場合は’+’をつける。
・日本語のエンコーディングは、Shift_JIS、EUC-JP、UTF-8の3つが代表的で、近年では、UTF-8エンコーディングがより広く使われている傾向にあります。
・bufferingオプションで、データの読み書きをまとめて行い、高速化できる。
・openerオプションでカスタマイズしたファイルの読み書きができる。

open関数の基本形

open関数は、ファイルを開くためのPython標準ライブラリの関数です。open関数は、ファイルを読み書きするためのファイルハンドルを返します。

open(file, mode='r', buffering=-1, encoding=None, errors=None, newline=None, closefd=True, opener=None)

file: 呼び出しや開きたいファイルのパスを指定
mode: ファイルを開くモードを指定
buffering: ファイルの読み書きでバッファリング量を指定。バッファリングを大きく設定することで一度に大量のデータの読み書きし高速化
encoding: エンコーディングを指定
error: エンコーディングエラー発生時の処理
newline: 改行コードを指定
closefd: Falseにするとファイルを明示的に閉じられなくなる
opener: ファイルを開くための関数を指定

with open構文とopen関数の使い分けは？

Pythonでは、with open構文を使用することで、ファイルを開いて処理を行い、最後に自動的にファイルを閉じることができます。with open構文を使用することで、明示的にファイルを閉じる必要がなくなり、コードがシンプルになることがあります。

with open('test.txt', 'r') as f:
    for line in f:
        print(line)

例えば、上記のように、with open構文を使用することで、「test.txt」というファイルを開いて、中身を1行ずつ読み込んでいます。with open構文では、最後に自動的にファイルが閉じられるため、明示的に「f.close()」を実行する必要がありません。

一方、with構文を使わずに、open関数を使用することでも、ファイルを開くことはできます。

# ファイルを開く
f = open('test.txt', 'r')

# ファイルを読み込む
for line in f:
    print(line)

# ファイルを閉じる
f.close()

例えば、上記のように、open関数を使用することで、「test.txt」というファイルを開くことができます。「for」文を使用することで、中身を1行ずつ読み込んでいます。最後に、明示的に「f.close()」を実行することで、ファイルを閉じることができます。

with open構文を使用する場合と、open関数を使用する場合で、使い分けるポイントは、以下の2つが挙げられます。

使いたいスコープ: with open構文を使用する場合は、with内でのみファイルが有効です。一方、open関数を使用する場合は、open関数を実行した後は、ファイルが有効である限りどこでも使用することができます。
ファイルを閉じる必要の有無: with open構文を使用する場合は、明示的に「f.close()」を実行する必要がありません。一方、open関数を使用する場合は、明示的に「f.close()」を実行する必要があり、「f.close()」を忘れると、ファイルが閉じられず、リソースを消費し続けることになる可能性があります。

通常、ファイルを開いて処理を行い、最後に自動的に閉じる必要がある場合は、with open構文を使用することをおすすめします。with open構文を使用することで、明示的に「f.close()」を実行する必要がありませんので、コードがシンプルになります。

一方、open関数を使用する場合は、明示的に「f.close()」を実行する必要があります。「f.close()」を忘れると、ファイルが閉じられず、リソースを消費し続けることになる可能性があります。また、「f.close()」を明示的に実行することで、処理が終わったタイミングで、一時的に使用したリソースを解放することができます。

どちらの方法を使用するかは、プログラマーが判断する必要があります。おすすめは、with open構文を使用することです。

open関数のモードの詳細

open関数のモードには以下のものがあります。

基本４型
‘r’：読み込み用にテキストモードで開く
‘w’：書き込み用にテキストモードで開き、すでに存在する場合はファイルを上書きする
‘x’：排他的な生成用にテキストモードで開く
‘a’：追記用にテキストモードで開く

付加情報
・’+’をつける：読み書き両用
・’b’をつける：バイナリモード

※「排他的な生成」とは、既に同じ名前のファイルが存在する場合に、そのファイルを生成しようとするとエラーが発生する、という意味です。’x’モードを使うことで、同じ名前のファイルがすでに存在している場合に、「FileExistsError」というエラーが発生するようになります。’x’モードを使うことで、同じ名前のファイルがすでに存在している場合に、そのファイルを上書きすることを防ぎ、ない場合は新しいファイルを生成します。

複数のエンコーディングが存在するのはなぜ？

複数のエンコーディングが存在するのは、世界中に様々な言語があるためです。言語ごとに、異なる文字を使用しています。例えば、日本語では、「こんにちは」という文字列を表現するために、「こ」「ん」「に」「ち」「は」という5つの文字が使われます。一方、英語では、「Hello」という文字列を表現するために、「H」「e」「l」「l」「o」という5つの文字が使われます。

文字をコンピューター上で表現するためには、それぞれの文字を数値に変換する必要があります。このように、文字を数値に変換する規則を「エンコーディング」と呼びます。

エンコーディングには、様々な種類があります。例えば、ASCIIエンコーディングは、英語圏でよく使われるエンコーディングです。一方、Shift_JISエンコーディングは、日本語を表現するためによく使われるエンコーディングです。

複数のエンコーディングが存在するのは、世界中に様々な言語があるためです。異なる言語では、異なる文字を使用するため、異なるエンコーディングが必要になります。そのため、複数のエンコーディングが存在しています。

代表的な日本語のエンコーディング

日本語を表現するためによく使われるエンコーディングには、以下のものがあります。

Shift_JISエンコーディング: Windowsでよく使われるエンコーディング
EUC-JPエンコーディング: Unix系OSでよく使われるエンコーディング
UTF-8エンコーディング: 世界で広く使われているエンコーディング

日本語を表現するためによく使われるエンコーディングは、上記の3つが代表的です。ただし、近年では、UTF-8エンコーディングがより広く使われている傾向があります。

bufferingオプションの説明

open関数には、bufferingオプションがあります。このオプションは、ファイルを読み書きする際のバッファリングの方法を指定することができます。
バッファリングとは、ファイルを読み書きする際に、一時的にデータを記憶しておくことを意味します。バッファリングを使用すると、データを一度に大量に読み書きすることができるため、処理が高速化される可能性があります。
buffering オプションには、以下のような値を指定することができます。

0: バッファリングしない
1: バッファリングする。データを一定量 (通常は 1KB) ごとに記憶し、溜まったデータをまとめてファイルに書き込む
>1: バッファリングする。指定したサイズ (バイト単位) のデータを記憶し、溜まったデータをまとめてファイルに書き込む。

以下のように open関数を使用して、データを 16KB ごとに記憶し、まとめてファイルに書き込むようにしたい場合は、次のように書くことができます。

with open('file.txt', 'w', buffering=16384) as f:
    # ファイルを読み書きする処理

bufferingオプションを使用すると、データを記憶するために追加のメモリが必要になるため、大量のデータを扱う場合や、メモリが限られている場合は注意する必要がある

closefdオプションの説明

closefd オプションを使用すると、開いたファイルを明示的に閉じることができます。これにより、以下のような利点があります。

ファイルを開いたままにしておくと、ファイルが残ったままになる可能性があるため、リソースを消費し続けることがある。ファイルを明示的に閉じることで、このような問題を回避できる。
ファイルを開いたままにしておくと、そのファイルを他のプログラムや処理で使用できなくなる可能性がある。ファイルを明示的に閉じることで、このような問題を回避できる。

ただし、closefd オプションを False にすると、ファイルを明示的に閉じることができなくなるため、注意が必要です。また、closefd オプションを使用する場合は、プログラムが終了する前に必ずファイルを閉じるようにすることが重要です。

openerオプションの設定方法

open関数には、opener オプションがあり、このオプションで、カスタマイズされた関数を使用して、ファイルを開くようにすることができる。

def custom_opener(path, flags, mode=0o777, *, bufsize=-1, **kwargs):
    # ファイルを開く処理
    # ...
    return file_handle

with open('file.txt', 'r', opener=custom_opener) as f:
    # ファイルを読み込む処理

opener 関数は、次のような引数を受け取る