Python中的上下文管理器（Context Manager）高级应用与性能优化

一、上下文管理器基础回顾
上下文管理器是实现了__enter__和__exit__方法的对象，用于资源管理。基础用法如下：

class FileManager:
    def __init__(self, filename, mode):
        self.filename = filename
        self.mode = mode
        self.file = None
        
    def __enter__(self):
        self.file = open(self.filename, self.mode)
        return self.file
        
    def __exit__(self, exc_type, exc_val, exc_tb):
        if self.file:
            self.file.close()

# 使用示例
with FileManager("test.txt", "w") as f:
    f.write("Hello")

二、上下文管理器的高级实现方式

1. 使用contextlib.contextmanager装饰器
   通过生成器函数快速创建上下文管理器：

from contextlib import contextmanager

@contextmanager
def file_manager(filename, mode):
    try:
        f = open(filename, mode)
        yield f  # 此处为__enter__返回的内容
    finally:
        f.close()  # 此处相当于__exit__

# 使用方式与类实现完全相同

2. 支持异步的上下文管理器
   异步上下文管理器需要实现__aenter__和__aexit__方法：

import aiofiles
from typing import AsyncContextManager

class AsyncFileManager:
    def __init__(self, filename, mode):
        self.filename = filename
        self.mode = mode
        
    async def __aenter__(self):
        self.file = await aiofiles.open(self.filename, self.mode)
        return self.file
        
    async def __aexit__(self, exc_type, exc_val, exc_tb):
        await self.file.close()

# 异步使用
async def main():
    async with AsyncFileManager("test.txt", "w") as f:
        await f.write("Hello")

三、性能优化技巧

1. 避免不必要的资源分配

class ConnectionManager:
    def __init__(self, host, port):
        self.host = host
        self.port = port
        self._conn = None  # 延迟初始化
        
    def __enter__(self):
        if self._conn is None:  # 只有第一次使用时才创建连接
            self._conn = create_connection(self.host, self.port)
        return self._conn
        
    def __exit__(self, *args):
        pass  # 保持连接开放，避免重复创建的开销

2. 使用__slots__减少内存占用

class OptimizedManager:
    __slots__ = ('resource', 'status')  # 固定属性列表，节省内存
    
    def __init__(self, resource):
        self.resource = resource
        self.status = 'closed'
        
    def __enter__(self):
        self.status = 'open'
        return self.resource
        
    def __exit__(self, *args):
        self.status = 'closed'

四、错误处理与异常管理

1. 精确控制异常处理

class TransactionManager:
    def __enter__(self):
        self.start_transaction()
        return self
        
    def __exit__(self, exc_type, exc_val, exc_tb):
        if exc_type is None:  # 没有异常时提交事务
            self.commit()
        else:  # 发生异常时回滚
            self.rollback()
        return False  # 不抑制异常，继续传播

    def start_transaction(self): ...
    def commit(self): ...
    def rollback(self): ...

2. 异常链保护

class SafeManager:
    def __exit__(self, exc_type, exc_val, exc_tb):
        try:
            self.cleanup()  # 必须执行的清理操作
        except Exception as cleanup_err:
            if exc_type is None:  # 原始操作没有异常
                raise cleanup_err
            else:  # 原始操作有异常，添加异常链
                raise RuntimeError("Cleanup failed") from exc_val

五、实际应用场景

1. 数据库连接池管理

from contextlib import contextmanager
from django.db import connection

@contextmanager
def database_transaction():
    try:
        yield connection.cursor()
        connection.commit()  # 无异常时自动提交
    except Exception:
        connection.rollback()  # 有异常时回滚
        raise
    finally:
        connection.close()

2. 临时目录管理

import tempfile
from pathlib import Path

@contextmanager
def temporary_workspace():
    temp_dir = tempfile.mkdtemp()
    try:
        yield Path(temp_dir)  # 返回Path对象便于操作
    finally:
        import shutil
        shutil.rmtree(temp_dir)  # 确保清理

六、最佳实践总结

1. 资源管理原则：确保__exit__中正确释放资源，即使发生异常
2. 异常传播：默认返回False让异常正常传播，除非有特殊需求
3. 性能考虑：对于频繁使用的上下文管理器，考虑使用__slots__和延迟初始化
4. 代码简洁性：简单场景优先使用@contextmanager装饰器
5. 异步支持：I/O密集型操作考虑实现异步上下文管理器

这种设计模式不仅使代码更安全可靠，还能显著提升可读性和维护性。