Day 11 檔案讀寫與例外處理

引言

到目前為止，我們的 Python 程式都在記憶體裡運作：變數、串列、字典這些資料，只要程式結束就消失了。如果想讓資料留下來，就得把結果寫到磁碟；想讀別人整理好的資料，也得從檔案讀進來。檔案讀寫是寫程式很常見的工作，不論是記錄使用者輸入、讀取設定檔、輸出報表，或是處理資料科學的 CSV，都脫離不了檔案操作。可以說，學會檔案讀寫之後，Python 才真正從「練習小工具」升級成「能處理真實資料的工具」。

不過，現實世界的檔案操作常常出問題：檔案可能不存在、權限不足、磁碟滿了，或讀到一半網路斷線。這時候如果沒有處理例外，程式就會直接當機，並把一段落落長的 Traceback 丟到使用者面前。今天除了學會基本的檔案讀寫，也會介紹 try / except 的機制，讓程式在出錯時能優雅地回應，而不是整支停下來。學完之後，你就能寫出對錯誤有耐受度的小工具，給同事或自己使用時也更安心。

讀取檔案：open() 與 with 敘述

Python 提供內建的 open() 函式來開啟檔案。最重要的兩個參數是檔案路徑與開啟模式：'r' 表示讀取（預設）、'w' 表示寫入、'a' 表示附加在檔尾。開啟後回傳的是一個檔案物件，可以呼叫 read()、readline()、readlines() 等方法讀取內容。讀取完成後要記得呼叫 close() 關閉檔案，否則可能會遺失部分資料、檔案被鎖住無法刪除，甚至在 Windows 上直接跳出「檔案已被另一個程式使用」的錯誤。

實務上更推薦用 with 敘述（context manager）。它會在區塊結束時自動關閉檔案，即使中間發生錯誤也會正確釋放資源。這種寫法不僅更安全，也讓程式碼更乾淨，省下手動呼叫 close() 的一行。

以下範例假設工作目錄下有一個 notes.txt（內容是幾行文字）；如果手邊沒有這個檔案，可以先建立一個再跟著執行。

# 讀取整個檔案
with open("notes.txt", "r", encoding="utf-8") as f:
    content = f.read()
    print(content)

# 一次讀一行，逐行處理
with open("notes.txt", "r", encoding="utf-8") as f:
    for line in f:
        print(line.strip())  # 去除換行與空白

第一段把整個檔案讀成一個字串，適合內容不大的設定檔或小報告。第二段用 for 迴圈逐行走訪，處理大檔案時比較省記憶體。常見的 encoding="utf-8" 是為了正確讀寫中文，避免在不同作業系統間產生亂碼。Windows 預設的編碼是 cp950 或 cp1252，如果沒指定 encoding，可能會在中文環境讀到 Mojibake（亂碼）字元。

如果只想讀取前幾行或前幾個字元，也可以用 readline() 與 readlines()：

with open("notes.txt", "r", encoding="utf-8") as f:
    first_line = f.readline()
    rest_lines = f.readlines()  # 回傳剩餘行組成的串列
    print(first_line)
    print(rest_lines[:3])  # 只看前 3 行

readline() 一次讀一行（含換行符號），適合用在「讀到某個關鍵字就停止」這類流程控制。readlines() 則一次把所有剩餘行讀成串列，方便後續用索引或切片處理。如果要讀取的檔案很大（幾 GB），建議改用前面示範的逐行 for 迴圈，避免一次把所有內容塞進記憶體。

寫入檔案：覆寫與附加

開啟檔案時的模式決定了寫入行為。'w' 模式會建立新檔案或覆寫既有檔案，'a' 模式則會把內容附加到檔案尾端。要小心 'w' 會直接清空原本的內容，如果是想保留舊資料又想寫入新的，必須先讀出來合併再寫回去，或者改用 'a' 模式。寫入可以用 write()（寫入字串）或 writelines()（寫入一組字串，但 writelines 不會自動加換行）。

# 寫入新檔
lines = ["第一行\n", "第二行\n", "第三行\n"]
with open("output.txt", "w", encoding="utf-8") as f:
    f.write("Hello, Python!\n")
    f.writelines(lines)

# 附加內容到既有檔案
with open("output.txt", "a", encoding="utf-8") as f:
    f.write("這是附加的一行\n")

執行後，output.txt 會包含四行文字。注意 write() 不會自動加上換行符號，需要自己寫 "\n"，這是新手常見的坑。如果同時需要讀取與寫入，可以使用 'r+' 或 'w+' 等模式，但實務上多半是先讀後寫，分成兩段 with 區塊處理會更清楚，也比較不容易出錯。當需要寫入更複雜的結構（例如字典、串列）時，可以考慮用 json 模組，它能直接把 Python 物件序列化為文字並儲存，之後再讀回來還原，維護成本比純文字檔低很多。

例外處理基礎：try / except / else / finally

開啟檔案時最常見的錯誤就是 FileNotFoundError：指定的檔案不存在。這時候如果沒有處理，程式會立刻中斷並印出 Traceback，體驗很差。Python 用 try / except 來捕捉並處理例外（exception）。try 區塊裡放「可能出錯的程式碼」，except 區塊裡放「錯誤發生時要做的事」。

try:
    with open("missing.txt", "r", encoding="utf-8") as f:
        content = f.read()
        print(content)
except FileNotFoundError:
    print("找不到檔案，請確認路徑是否正確")
except PermissionError:
    print("沒有讀取權限")
except Exception as e:
    print(f"發生未預期的錯誤：{e}")

這個範例展示了幾個重點：except 後面可以指定例外型別，只處理我們關心的錯誤；多個 except 由上而下依序匹配，越具體的例外放越前面；最後一個 Exception 是所有例外的父類別，用來當作保險，攔截前面沒接住的錯誤。實際上，最好不要用「裸 except」也就是不指定任何錯誤別的寫法，因為連 KeyboardInterrupt 都被吃掉，會讓程式難以中斷。

完整的 try 結構還包含 else 與 finally：else 在沒有發生例外時執行，finally 則無論是否出錯都會跑，通常用來釋放資源或紀錄狀態。

try:
    f = open("data.txt", "r", encoding="utf-8")
    content = f.read()
except FileNotFoundError:
    print("檔案不存在")
else:
    print(f"成功讀取，內容長度：{len(content)}")
finally:
    if "f" in locals() and not f.closed:
        f.close()
    print("讀檔流程結束")

把「可能成功才要做的事」放在 else，能讓主流程更清楚，避免例外處理區塊被太多「正常邏輯」塞住。finally 則很適合放紀錄檔（log）寫入或資源釋放，確保不管程式怎麼走，這些事情一定會被執行。實際專案中，用 with 敘述搭配 try / except 是最常見的組合。

自訂例外與 raise

有時候我們想主動觸發錯誤，而不是被動等 Python 丟例外。例如使用者輸入的年齡是負數，這在邏輯上不合理，應該告訴呼叫端這個狀況。這時候可以用 raise 主動拋出例外。raise 後面接例外實例（可以是內建的，也可以是自訂的），程式會從這個位置立刻跳離當前呼叫堆疊。

def set_age(age):
    if not isinstance(age, int):
        raise TypeError("年齡必須是整數")
    if age < 0 or age > 150:
        raise ValueError("年齡超出合理範圍 (0-150)")
    print(f"設定年齡：{age}")

try:
    set_age(-5)
except ValueError as e:
    print(f"錯誤：{e}")

主動拋出例外比「回傳 -1 代表錯誤」這種用約定俗成的特殊值好得多，因為它強迫呼叫端必須處理，無法不小心忽略。實務上也常在函式入口做參數檢查，盡量把錯誤擋在離問題最近的地方，讓問題的根源更明確。

當專案變大，我們可以自訂例外類別，讓錯誤訊息更貼近業務情境。自訂例外只要繼承 Exception 或它的子類別即可。建議繼承最接近語意的內建例外（例如值錯誤就繼承 ValueError），這樣呼叫端既可以選擇針對特定自訂例外處理，也可以選擇針對父類別處理。

class InvalidAgeError(Exception):
    """年齡不合理的例外"""
    pass

def register(name, age):
    if age < 0:
        raise InvalidAgeError(f"使用者 {name} 的年齡不可小於 0")
    print(f"註冊 {name} ({age} 歲)")

try:
    register("小明", -1)
except InvalidAgeError as e:
    print(f"註冊失敗：{e}")

自訂例外的好處是呼叫端可以針對特定錯誤型別做處理，不會被一堆內建例外淹沒，閱讀程式碼時也能更快理解錯誤的商業意義。一個專案通常會把自訂例外集中在 exceptions.py 或 errors.py 模組，方便統一管理。

結語

今天學會了 Python 處理檔案與例外的基本功：用 open() 搭配 with 敘述來讀寫檔案，用 try / except / finally 來應對錯誤，再用 raise 與自訂例外把錯誤訊息講清楚。這幾個工具是寫任何真實程式都會用到的，特別是資料處理流程，常常得面對「檔案不存在」「格式怪怪」「資料缺漏」等狀況，把例外處理好，程式會更可靠。建議實際找一個過去寫過的小工具，把檔案讀寫與例外處理補進去，感受一下前後差異。

明天，我們會進入模組與套件的世界，看看怎麼把程式拆成可重複使用的模組、用 pip 安裝第三方套件，以及用 venv 為不同專案建立獨立的 Python 環境。這些基礎會讓後續安裝 NumPy、Pandas 與 PyTorch 時更順暢。

Hao程式筆記

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