Tìm hiểu Context Managers trong Python

Trong bài viết này, bạn sẽ tìm hiểu cách quản lý ngữ cảnh (context managers) trong Python và sử dụng chúng một cách hiệu quả. Quản lý ngữ cảnh là một tính năng mạnh mẽ giúp đơn giản hóa việc quản lý tài nguyên như mở/đóng file, khóa/giải phóng tài nguyên, và nhiều hơn nữa. Thông qua việc sử dụng các câu lệnh with, bạn có thể viết mã ngắn gọn, rõ ràng và đảm bảo rằng tài nguyên được quản lý đúng cách, ngay cả khi có lỗi xảy ra. Hãy cùng tìm hiểu cách thức hoạt động của quản lý ngữ cảnh và các ứng dụng thực tế của chúng trong Python.

Giới thiệu về quản lý ngữ cảnh trong Python

Quản lý ngữ cảnh (context manager) là một đối tượng định nghĩa một ngữ cảnh thực thi trong lệnh with. Để hiểu rõ hơn về khái niệm này, chúng ta hãy bắt đầu với một ví dụ đơn giản.

Giả sử bạn có một file tin gọi là data.txt chứa số nguyên 100.

Chương trình sau đây đọc file data.txt, chuyển đổi nội dung của nó thành một số và hiển thị kết quả ra màn hình:

Bài viết này được đăng tại [free tuts .net]

f = open('data.txt')
data = f.readlines()

# chuyển đổi số thành số nguyên và hiển thị
print(int(data[0]))

f.close()

Mã này rất đơn giản và dễ hiểu. Tuy nhiên, file data.txt có thể chứa dữ liệu không thể chuyển đổi thành số. Trong trường hợp này, mã sẽ gây ra lỗi.

Ví dụ, nếu data.txt chứa chuỗi '100' thay vì số 100, bạn sẽ gặp lỗi sau:

ValueError: invalid literal for int() with base 10: "'100'"

Do lỗi này, Python có thể không đóng file đúng cách. Để khắc phục điều này, bạn có thể sử dụng câu lệnh try...except...finally:

try:
    f = open('data.txt')
    data = f.readlines()
    # chuyển đổi số thành số nguyên và hiển thị
    print(int(data[0]))
except ValueError as error:
    print(error)
finally:
    f.close()

Vì mã trong khối finally luôn được thực thi, mã sẽ luôn đóng file đúng cách. Giải pháp này hoạt động như mong đợi, nhưng khá dài dòng.

Do đó, Python cung cấp một cách tốt hơn để tự động đóng file sau khi bạn hoàn thành xử lý nó. Đây là lúc các quản lý ngữ cảnh xuất hiện.

Ví dụ sau đây cho thấy cách sử dụng một quản lý ngữ cảnh để xử lý file data.txt:

with open('data.txt') as f:
    data = f.readlines()
    print(int(data[0]))

Trong ví dụ này, chúng ta sử dụng hàm open() với lệnh with. Sau khối with, Python sẽ tự động đóng file.

Câu lệnh with trong Python

Đây là cú pháp điển hình của lệnh with:

with context as ctx:
    # sử dụng đối tượng ctx

# ngữ cảnh được dọn dẹp

Cách nó hoạt động:

• Khi Python gặp lệnh with, nó tạo ra một ngữ cảnh mới. Ngữ cảnh có thể tùy chọn trả về một đối tượng.
• Sau khối with, Python tự động dọn dẹp ngữ cảnh.
• Phạm vi của ctx cùng phạm vi với lệnh with. Điều này có nghĩa là bạn có thể truy cập ctx cả bên trong và sau lệnh with.

Ví dụ sau đây cho thấy cách truy cập biến f sau lệnh with:

with open('data.txt') as f:
    data = f.readlines()
    print(int(data[0]))

print(f.closed)  # True

Giao thức quản lý ngữ cảnh trong Python

Quản lý ngữ cảnh trong Python hoạt động dựa trên giao thức quản lý ngữ cảnh, bao gồm các phương thức sau:

• __enter__() – thiết lập ngữ cảnh và tùy chọn trả về một đối tượng.
• __exit__() – dọn dẹp đối tượng.

Nếu bạn muốn một lớp hỗ trợ giao thức quản lý ngữ cảnh, bạn cần triển khai hai phương thức này.

Giả sử rằng ContextManager là một lớp hỗ trợ giao thức quản lý ngữ cảnh. Sau đây là cách sử dụng lớp ContextManager:

with ContextManager() as ctx:
    # làm gì đó
# hoàn thành ngữ cảnh

Khi bạn sử dụng lớp ContextManager với lệnh with, Python ngầm tạo một instance của lớp ContextManager (instance) và tự động gọi phương thức __enter__() trên instance đó.

Phương thức __enter__() có thể tùy chọn trả về một đối tượng. Nếu có, Python gán đối tượng trả về cho ctx.

Lưu ý rằng ctx tham chiếu đến đối tượng được trả về bởi phương thức __enter__(). Nó không tham chiếu đến instance của lớp ContextManager.

Nếu có lỗi xảy ra trong khối with hoặc sau khối with, Python gọi phương thức __exit__() trên đối tượng instance.

Ứng dụng của quản lý ngữ cảnh trong Python

Như bạn đã thấy từ ví dụ trước, việc sử dụng phổ biến của quản lý ngữ cảnh là mở và đóng file tự động. Tuy nhiên, bạn có thể sử dụng quản lý ngữ cảnh trong nhiều trường hợp khác như:

• Mở - Đóng: Nếu bạn muốn mở và đóng một tài nguyên tự động, bạn có thể sử dụng quản lý ngữ cảnh. Ví dụ, bạn có thể mở một socket và đóng nó bằng quản lý ngữ cảnh.

• Khóa - Giải phóng: Quản lý ngữ cảnh có thể giúp bạn quản lý khóa cho các đối tượng hiệu quả hơn, cho phép bạn chiếm giữ và giải phóng khóa tự động.

• Bắt đầu - Dừng: Quản lý ngữ cảnh cũng giúp bạn làm việc với các kịch bản yêu cầu các giai đoạn bắt đầu và dừng. Ví dụ, bạn có thể sử dụng quản lý ngữ cảnh để bắt đầu một bộ đếm thời gian và dừng nó tự động.

• Thay đổi - Đặt lại: Quản lý ngữ cảnh có thể hoạt động với kịch bản thay đổi và đặt lại. Ví dụ, ứng dụng của bạn cần kết nối tới nhiều nguồn dữ liệu và có một kết nối mặc định. Để kết nối tới một nguồn dữ liệu khác, bạn có thể sử dụng quản lý ngữ cảnh để thay đổi kết nối mặc định sang kết nối mới, làm việc với kết nối mới, và đặt lại về kết nối mặc định sau khi hoàn thành.

Triển khai giao thức quản lý ngữ cảnh trong Python

Ví dụ sau đây minh họa việc triển khai đơn giản hàm open() bằng cách sử dụng giao thức quản lý ngữ cảnh:

class File:
    def __init__(self, filename, mode):
        self.filename = filename
        self.mode = mode

    def __enter__(self):
        print(f'Opening the file {self.filename}.')
        self.__file = open(self.filename, self.mode)
        return self.__file

    def __exit__(self, exc_type, exc_value, exc_traceback):
        print(f'Closing the file {self.filename}.')
        if not self.__file.closed:
            self.__file.close()

        return False


with File('data.txt', 'r') as f:
    print(int(next(f)))

Cách nó hoạt động:

• Khởi tạo filename và mode trong phương thức __init__().
• Mở file trong phương thức __enter__() và trả về đối tượng file.
• Đóng file nếu nó đang mở trong phương thức __exit__().

Sử dụng quản lý ngữ cảnh trong Python

để triển khai mô hình bắt đầu và dừng

Ví dụ sau đây định nghĩa một lớp Timer hỗ trợ giao thức quản lý ngữ cảnh:

from time import perf_counter


class Timer:
    def __init__(self):
        self.elapsed = 0

    def __enter__(self):
        self.start = perf_counter()
        return self

    def __exit__(self, exc_type, exc_value, exc_traceback):
        self.stop = perf_counter()
        self.elapsed = self.stop - self.start
        return False

Cách nó hoạt động:

• Nhập perf_counter từ module time.
• Bắt đầu bộ đếm thời gian trong phương thức __enter__().
• Dừng bộ đếm thời gian trong phương thức __exit__() và trả về thời gian đã trôi qua.

Bây giờ, bạn có thể sử dụng lớp Timer để đo thời gian cần thiết để tính toán số Fibonacci của 1000 một triệu lần:

def fibonacci(n):
    f1 = 1
    f2 = 1
    for i in range(n-1):
        f1, f2 = f2, f1 + f2

    return f1


with Timer() as timer:
    for _ in range(1, 1000000):
        fibonacci(1000)

print(timer.elapsed)

Kết bài

Sử dụng quản lý ngữ cảnh trong Python để định nghĩa các ngữ cảnh thực thi trong lệnh with là một cách tiếp cận thông minh để đảm bảo mã của bạn an toàn và hiệu quả. Bằng cách triển khai các phương thức __enter__() và __exit__(), bạn có thể hỗ trợ đầy đủ giao thức quản lý ngữ cảnh, giúp tự động hóa việc quản lý tài nguyên như mở/đóng file, khóa/giải phóng, bắt đầu/dừng và thay đổi/đặt lại.

Quản lý ngữ cảnh không chỉ giúp mã của bạn ngắn gọn và dễ đọc hơn mà còn tăng tính bảo mật và hiệu quả trong việc xử lý tài nguyên, đặc biệt trong những tình huống phức tạp. Sử dụng chúng một cách thông minh sẽ giúp bạn tránh được các lỗi tiềm ẩn và đảm bảo rằng tài nguyên được xử lý một cách chính xác. Tóm lại, việc nắm vững và áp dụng quản lý ngữ cảnh sẽ là một bước tiến quan trọng trong việc phát triển các ứng dụng Python chất lượng cao.