一起玩Python程式：新手寫程式也可以這麼簡單！

檔案處理(上)

張傑帆

National Taiwan University

目錄

• 檔案是什麼？
• 檔案的開啟與關閉
• 檔案讀取方法
• 檔案寫入操作
• 小練習1：讀取日記

• 小練習2：完整日記系統

• 作業

學習目標

今天我們要成為資料管理大師
學會如何永久保存資料！

你將學會：

• 檔案基礎：理解檔案的本質與用途
• 開啟與關閉：安全地操作檔案
• 讀取資料：從檔案中取得資訊
• 寫入資料：將資料永久保存

• 日記系統：建立個人數位日記本
• 搜尋功能：快速找到過去的記錄
• 格式化：讓資料更有組織

準備好探索資料的祕密花園了嗎？

Let's dive into files!

檔案是什麼？

檔案的概念

檔案就像是電腦中的一本本筆記本，可以永久保存資料！

為什麼需要檔案？

生活中的檔案例子

• 手機通訊錄：儲存聯絡人資訊
• 相簿：保存珍貴照片
• Word文件：寫作業、報告
• 音樂檔案：收藏喜歡的歌曲
• 日記本：記錄每天的心情

檔案類型

文字檔案 (Text Files)

• 可以用記事本打開
• 內容是人類可讀的文字
• 例如：.txt, .csv, .py, .md

二進位檔案 (Binary Files)

• 需要特定程式才能開啟
• 內容是電腦的 0 和 1
• 例如：.jpg, .mp3, .exe, .pdf

本週重點：我們專注在文字檔案的處理！

檔案的開啟與關閉

開啟檔案：open() 函式

就像打開一本書，我們需要先「開啟」檔案才能讀寫！

基本語法

# filepath: example_code.py
file = open('檔案名稱', '模式')
# 進行檔案操作
file.close()  # 記得關閉！

檔案模式一覽表

模式	說明	檔案不存在時	會覆蓋原內容嗎？
'r'	讀取模式 (Read)	錯誤	不會
'w'	寫入模式 (Write)	建立新檔	會！
'a'	附加模式 (Append)	建立新檔	不會，加在最後
'r+'	讀寫模式	錯誤	可能會

模式選擇指南

# filepath: example_code.py
# 只想讀取內容 → 用 'r'
file = open('diary.txt', 'r')

# 要寫入新內容，舊的可以刪除 → 用 'w'
file = open('diary.txt', 'w')

# 要在檔案最後面新增內容 → 用 'a'
file = open('diary.txt', 'a')

為什麼一定要關閉檔案？

不關閉檔案的問題：

1. 資源佔用：檔案被鎖住，其他程式無法使用
2. 資料遺失：寫入的資料可能沒有真正存到硬碟
3. 記憶體洩漏：程式佔用越來越多記憶體

不好的做法

# filepath: example_code.py
file = open('diary.txt', 'r')
content = file.read()
# 忘記關閉檔案！糟糕！

好的做法

# filepath: example_code.py
file = open('diary.txt', 'r')
content = file.read()
file.close()  # 記得關閉

with 語法：自動安全關閉

with 是 Python 的魔法語法，檔案會自動關閉！

語法結構

# filepath: example_code.py
with open('檔案名稱', '模式') as 變數名稱:
    # 在這裡操作檔案
    # 程式區塊結束後，檔案自動關閉！

with 的優點

# filepath: example_code.py
# 傳統方式：要記得關閉
file = open('diary.txt', 'r')
try:
    content = file.read()
finally:
    file.close()

# with 方式：自動關閉，更簡潔！
with open('diary.txt', 'r') as file:
    content = file.read()
# 這裡檔案已經自動關閉了

實際範例

# filepath: example_code.py
# 讀取日記
with open('my_diary.txt', 'r', encoding='utf-8') as diary:
    today_entry = diary.read()
    print(today_entry)

# 寫入新日記
with open('my_diary.txt', 'a', encoding='utf-8') as diary:
    diary.write('\n2024-01-15: 今天學會了檔案處理！')

注意：encoding='utf-8' 確保中文正確顯示！

檔案讀取方法

三種讀取方法

Python 提供三種方式讀取檔案內容：

read() - 一次讀取全部

最簡單的方法，把整個檔案當作一個大字串！

# filepath: example_code.py
with open('diary.txt', 'r', encoding='utf-8') as file:
    content = file.read()
    print(content)
    print(f'檔案共有 {len(content)} 個字元')

read(size) - 讀取指定字元數

# filepath: example_code.py
with open('diary.txt', 'r', encoding='utf-8') as file:
    # 讀取前 100 個字元
    first_part = file.read(100)
    print(first_part)
    
    # 繼續讀取接下來的 100 個字元
    second_part = file.read(100)
    print(second_part)

readline() - 逐行讀取

每次呼叫讀取一行，適合處理大檔案！

# filepath: example_code.py
with open('diary.txt', 'r', encoding='utf-8') as file:
    line1 = file.readline()  # 讀第一行
    line2 = file.readline()  # 讀第二行
    line3 = file.readline()  # 讀第三行
    
    print('第一行:', line1)
    print('第二行:', line2)
    print('第三行:', line3)

用迴圈讀取所有行

# filepath: example_code.py
with open('diary.txt', 'r', encoding='utf-8') as file:
    line_number = 1
    while True:
        line = file.readline()
        if not line:  # 讀到檔案結尾
            break
        print(f'第 {line_number} 行: {line.strip()}')
        line_number += 1

readlines() - 讀取所有行成串列

把每一行當作串列的元素！

# filepath: example_code.py
with open('diary.txt', 'r', encoding='utf-8') as file:
    lines = file.readlines()
    
print(f'檔案共有 {len(lines)} 行')
print('所有行:', lines)

# 處理每一行
for i, line in enumerate(lines, 1):
    print(f'第 {i} 行: {line.strip()}')

三種方法比較範例

假設 diary.txt 內容為：

2024-01-13: 今天天氣很好
2024-01-14: 學習Python很有趣
2024-01-15: 完成了作業

# filepath: example_code.py
# 方法1: read()
with open('diary.txt', 'r', encoding='utf-8') as file:
    content = file.read()
    print(type(content))  # <class 'str'>
    print(repr(content))  # '2024-01-13: 今天天氣很好\n2024-01-14...'

# 方法2: readline()
with open('diary.txt', 'r', encoding='utf-8') as file:
    line = file.readline()
    print(type(line))  # <class 'str'>
    print(repr(line))  # '2024-01-13: 今天天氣很好\n'

# filepath: example_code.py
# 方法3: readlines()
with open('diary.txt', 'r', encoding='utf-8') as file:
    lines = file.readlines()
    print(type(lines))  # <class 'list'>
    print(lines)  # ['2024-01-13: 今天天氣很好\n', ...]

選擇方法的建議

# filepath: example_code.py
# 小檔案 (< 1MB)：用 read()
with open('small_file.txt', 'r') as f:
    content = f.read()

# 大檔案：用 readline() 或迴圈
with open('big_file.txt', 'r') as f:
    for line in f:  # 最省記憶體的方式！
        process(line)

# 需要所有行的串列：用 readlines()
with open('data.txt', 'r') as f:
    lines = f.readlines()
    sorted_lines = sorted(lines)

小練習 1

小練習 1：讀取日記

任務說明

請建立一個名為 my_diary.txt 的文字檔，內容如下：

2024-01-13: 今天是美好的一天，學會了變數和資料型態！
2024-01-14: 今天學習了條件判斷，if-else 好有趣！
2024-01-15: 今天認識了迴圈，程式可以重複執行了！

• 功能一：讀取並顯示整個日記內容

  • 使用 read() 方法
  • 提示：記得使用 with 語法和 encoding='utf-8'

• 功能二：只顯示第一行日記

  • 使用 readline() 方法

• 功能三：計算日記總共有幾行

  • 使用 readlines() 方法
  • 提示：使用 len() 函式

• 功能四：顯示包含「學習」關鍵字的日記

  • 用 for 迴圈和 in 運算子

參考寫法

# filepath: practice1_solution.py
# 功能一
with open('my_diary.txt', 'r', encoding='utf-8') as file:
    content = file.read()
    print('=== 完整日記 ===')
    print(content)

# 功能二
with open('my_diary.txt', 'r', encoding='utf-8') as file:
    first_line = file.readline()
    print('第一行日記:', first_line.strip())

# filepath: practice1_solution.py
# 功能三
with open('my_diary.txt', 'r', encoding='utf-8') as file:
    lines = file.readlines()
    print(f'日記共有 {len(lines)} 行')

# 功能四
with open('my_diary.txt', 'r', encoding='utf-8') as file:
    for line in file:
        if '學習' in line:
            print(line.strip())

休息時間

讓我們休息一下
準備學習檔案寫入！

檔案寫入操作

寫入方法概覽

重要：寫入方法不會自動換行，需要手動加上 \n！

write() - 寫入字串

基本用法

# filepath: example_code.py
# 模式 'w'：覆蓋原有內容
with open('output.txt', 'w', encoding='utf-8') as file:
    file.write('這是第一行\n')
    file.write('這是第二行\n')
    file.write('這是第三行\n')

模式 'w' vs 'a' 的差異

# filepath: example_code.py
# 模式 'w'：每次都重新開始寫
with open('test_w.txt', 'w', encoding='utf-8') as file:
    file.write('第一次寫入\n')

with open('test_w.txt', 'w', encoding='utf-8') as file:
    file.write('第二次寫入\n')  # 第一次的內容被覆蓋了！

# 結果：檔案只有「第二次寫入」

# filepath: example_code.py
# 模式 'a'：在最後面繼續寫
with open('test_a.txt', 'a', encoding='utf-8') as file:
    file.write('第一次寫入\n')

with open('test_a.txt', 'a', encoding='utf-8') as file:
    file.write('第二次寫入\n')  # 接在後面！

# 結果：檔案有「第一次寫入」和「第二次寫入」

write() 回傳值

# filepath: example_code.py
with open('output.txt', 'w', encoding='utf-8') as file:
    chars_written = file.write('Hello Python!\n')
    print(f'寫入了 {chars_written} 個字元')  # 寫入了 14 個字元

writelines() - 寫入多行

基本用法

# filepath: example_code.py
lines = [
    '2024-01-13: 學習Python第一天\n',
    '2024-01-14: 認識了變數和資料型態\n',
    '2024-01-15: 掌握了條件判斷\n'
]

with open('diary.txt', 'w', encoding='utf-8') as file:
    file.writelines(lines)

注意事項

# filepath: example_code.py
#  錯誤：沒有換行符號
lines = ['第一行', '第二行', '第三行']
with open('output.txt', 'w', encoding='utf-8') as file:
    file.writelines(lines)
# 結果：第一行第二行第三行（全部黏在一起）

#  正確：加上換行符號
lines = ['第一行\n', '第二行\n', '第三行\n']
with open('output.txt', 'w', encoding='utf-8') as file:
    file.writelines(lines)

實用技巧

# filepath: example_code.py
# 方法1：用串列生成式自動加上 \n
lines = ['第一行', '第二行', '第三行']
with open('output.txt', 'w', encoding='utf-8') as file:
    file.writelines([line + '\n' for line in lines])

# 方法2：用 join() 方法
with open('output.txt', 'w', encoding='utf-8') as file:
    file.write('\n'.join(lines) + '\n')

格式化寫入

使用 f-string 格式化

# filepath: example_code.py
name = '小明'
age = 15
score = 95.5

with open('student.txt', 'w', encoding='utf-8') as file:
    file.write(f'姓名：{name}\n')
    file.write(f'年齡：{age} 歲\n')
    file.write(f'成績：{score} 分\n')

日記格式化範例

# filepath: example_code.py
from datetime import datetime

def write_diary_entry(content):
    """寫入一筆日記"""
    now = datetime.now()
    date_str = now.strftime('%Y-%m-%d %H:%M:%S')
    
    with open('diary.txt', 'a', encoding='utf-8') as file:
        file.write(f'[{date_str}]\n')
        file.write(f'{content}\n')
        file.write('-' * 50 + '\n')

# 使用範例
write_diary_entry('今天學會了檔案寫入，真棒！')

寫入 CSV 格式

# filepath: example_code.py
students = [
    ['姓名', '年齡', '成績'],
    ['小明', '15', '95'],
    ['小華', '16', '87'],
    ['小美', '15', '92']
]

with open('students.csv', 'w', encoding='utf-8') as file:
    for row in students:
        file.write(','.join(row) + '\n')

讀取後修改再寫入

範例：更新日記內容

# filepath: example_code.py
# 讀取原有內容
with open('diary.txt', 'r', encoding='utf-8') as file:
    lines = file.readlines()

# 修改內容（例如：加上行號）
modified_lines = []
for i, line in enumerate(lines, 1):
    modified_lines.append(f'{i}. {line}')

# 寫回檔案
with open('diary.txt', 'w', encoding='utf-8') as file:
    file.writelines(modified_lines)

日記系統實作

日記系統設計

系統功能

1. 寫入日記：記錄今天的心情
2. 閱讀日記：查看所有日記
3. 搜尋日記：找特定日期或關鍵字
4. 清空日記：重新開始

日記檔案格式

========================================
日期：2024-01-15 14:30:25
========================================
今天學會了檔案處理，覺得很有成就感！
可以永久保存資料真的很棒！

========================================
日期：2024-01-16 20:15:00
========================================
今天複習了前面的內容，對Python更熟悉了。

日記系統完整程式碼

# filepath: diary_system.py
from datetime import datetime

def write_diary():
    """寫入新的日記"""
    print('\n=== 寫日記 ===')
    content = input('請輸入今天的日記內容：')
    
    now = datetime.now()
    date_str = now.strftime('%Y-%m-%d %H:%M:%S')
    
    with open('my_diary.txt', 'a', encoding='utf-8') as file:
        file.write('=' * 40 + '\n')
        file.write(f'日期：{date_str}\n')
        file.write('=' * 40 + '\n')
        file.write(f'{content}\n\n')
    
    print(' 日記已保存！')

# filepath: diary_system.py
def read_diary():
    """閱讀所有日記"""
    print('\n=== 我的日記本 ===')
    try:
        with open('my_diary.txt', 'r', encoding='utf-8') as file:
            content = file.read()
            if content:
                print(content)
            else:
                print('日記本是空的，快來寫第一篇日記吧！')
    except FileNotFoundError:
        print('還沒有日記檔案，請先寫一篇日記！')

# filepath: diary_system.py
def search_diary():
    """搜尋日記"""
    print('\n=== 搜尋日記 ===')
    keyword = input('請輸入要搜尋的關鍵字：')
    
    try:
        with open('my_diary.txt', 'r', encoding='utf-8') as file:
            lines = file.readlines()
            found = False
            current_entry = []
            
            for line in lines:
                current_entry.append(line)
                if line.strip() == '' and current_entry:
                    entry_text = ''.join(current_entry)
                    if keyword in entry_text:
                        print(entry_text)
                        found = True
                    current_entry = []
            
            if not found:
                print(f'沒有找到包含「{keyword}」的日記')
    except FileNotFoundError:
        print('還沒有日記檔案！')

# filepath: diary_system.py
def clear_diary():
    """清空所有日記"""
    print('\n=== 清空日記 ===')
    confirm = input('確定要刪除所有日記嗎？(yes/no)：')
    if confirm.lower() == 'yes':
        with open('my_diary.txt', 'w', encoding='utf-8') as file:
            pass  # 開啟 'w' 模式但不寫入，檔案就被清空了
        print(' 日記已清空')
    else:
        print(' 取消清空')

# filepath: diary_system.py
def show_menu():
    """顯示選單"""
    print('\n' + '=' * 40)
    print(' 歡迎使用個人日記系統')
    print('=' * 40)
    print('1.   寫新日記')
    print('2.  閱讀所有日記')
    print('3.  搜尋日記')
    print('4.   清空日記')
    print('5.  離開系統')
    print('=' * 40)

# filepath: diary_system.py
def main():
    """主程式"""
    while True:
        show_menu()
        choice = input('請選擇功能 (1-5)：')
        
        if choice == '1':
            write_diary()
        elif choice == '2':
            read_diary()
        elif choice == '3':
            search_diary()
        elif choice == '4':
            clear_diary()
        elif choice == '5':
            print(' 謝謝使用，再見！')
            break
        else:
            print(' 無效的選擇，請輸入 1-5')

if __name__ == '__main__':
    main()

程式設計重點

1. 錯誤處理

# filepath: example_code.py
try:
    with open('diary.txt', 'r') as file:
        content = file.read()
except FileNotFoundError:
    print('檔案不存在！')

2. 使用者友善的提示

# filepath: example_code.py
print(' 成功！')  # 綠色勾勾
print(' 錯誤！')  # 紅色叉叉
print('  警告！')  # 黃色警告

3. 函式化設計

• 每個功能獨立成一個函式
• 主程式只負責控制流程
• 容易維護和擴充

運算思維總整理

抽象化 (Abstraction)

檔案的抽象概念

• 檔案是「永久儲存資料的容器」
• 不需要知道硬碟如何運作
• 只需要知道「開啟→操作(讀/加/寫)→關閉」的流程

# filepath: example_code.py
# 抽象化：把複雜的檔案操作包裝成簡單的函式
def save_data(data, filename):
    """抽象化的儲存函式"""
    with open(filename, 'w', encoding='utf-8') as file:
        file.write(data)

def load_data(filename):
    """抽象化的讀取函式"""
    with open(filename, 'r', encoding='utf-8') as file:
        return file.read()

# 使用時很簡單
save_data('Hello!', 'test.txt')
content = load_data('test.txt')

演算法思維 (Algorithmic Thinking)

安全的檔案處理流程

1. 檢查：檔案是否存在？
2. 開啟：用正確的模式開啟
3. 操作：讀取或寫入
4. 關閉：確保資源釋放
5. 錯誤處理：處理可能的問題

問題分解 (Decomposition)

日記系統的分解

日記系統
├── 寫入功能
│   ├── 取得使用者輸入
│   ├── 格式化日期時間
│   └── 寫入檔案
├── 讀取功能
│   ├── 開啟檔案
│   ├── 讀取內容
│   └── 顯示結果
└── 搜尋功能
    ├── 取得搜尋關鍵字
    ├── 逐行比對
    └── 顯示符合的結果

本週總結

你學會了什麼？

1. 檔案基礎概念

• 理解檔案的本質與用途
• 區分文字檔案與二進位檔案
• 了解為什麼需要檔案處理

2. 檔案操作技能

• 使用 open() 開啟檔案
• 選擇正確的檔案模式 (r, w, a)
• 使用 with 語法自動關閉檔案
• 掌握三種讀取方法 (read, readline, readlines)
• 掌握兩種寫入方法 (write, writelines)

3. 實務應用

• 建立個人日記系統
• 實作搜尋功能
• 處理檔案錯誤
• 格式化輸出

知識地圖

檔案處理
├── 基礎概念
│   ├── 檔案類型
│   ├── 檔案路徑
│   └── 編碼問題
├── 檔案開啟
│   ├── open() 函式
│   ├── 檔案模式
│   └── with 語法
├── 檔案讀取
│   ├── read()
│   ├── readline()
│   └── readlines()
└── 檔案寫入
    ├── write()
    └── writelines()

重點回顧

最佳實踐

# filepath: best_practices.py
#  推薦的檔案處理模式

# 1. 使用 with 語法
with open('file.txt', 'r', encoding='utf-8') as file:
    content = file.read()

# 2. 錯誤處理
try:
    with open('file.txt', 'r', encoding='utf-8') as file:
        content = file.read()
except FileNotFoundError:
    print('檔案不存在')

# 3. 大檔案處理：逐行讀取
with open('big_file.txt', 'r', encoding='utf-8') as file:
    for line in file:
        process(line)

作業

作業說明

請選擇以下三個選項中的任一個完成：

• 選項一適合初學者打好基礎
• 選項二適合想要多練習的同學
• 選項三適合想要挑戰創意的同學

繳交方式：將程式碼和執行結果截圖一起繳交

選項一：基礎練習

作業 1：課程筆記系統

建立一個課程筆記系統，包含以下功能：

# filepath: homework1_1.py
# 1. 新增筆記：輸入課程名稱和筆記內容
# 2. 查看所有筆記
# 3. 搜尋特定課程的筆記
# 4. 計算總共記了幾堂課的筆記

# 提示：筆記格式
# ================================
# 課程：Python程式設計
# 日期：2024-01-15
# ================================
# 今天學習了檔案處理...

選項二：進階應用

作業 2：待辦事項管理系統

建立一個功能完整的待辦事項系統：

# filepath: homework2_1.py
# 必要功能：
# 1. 新增待辦事項（包含標題、內容、優先順序）
# 2. 查看所有待辦事項
# 3. 標記完成
# 4. 刪除待辦事項
# 5. 依優先順序排序顯示

# 檔案格式範例：
# [未完成][高]完成Python作業
# 內容：要完成檔案處理的作業
# 建立時間：2024-01-15 10:00:00
# ---

選項三：創意發揮

作業 3：自由專題

設計並實作一個你自己想做的檔案應用系統！

必須包含：

1. 至少 5 個功能
2. 檔案讀取和寫入
3. 搜尋或統計功能
4. 良好的錯誤處理
5. 使用者友善的介面

創意主題建議：

• 閱讀筆記系統（記錄讀過的書和心得）
• 記帳系統（收入支出管理）
• 歌單管理系統
• 食譜收藏系統
• 目標追蹤系統
• 名言佳句收藏
• 部落格文章管理
• 遊戲紀錄系統

作業提示

常見問題解決

# filepath: homework_tips.py
# 問題1：檔案不存在怎麼辦？
try:
    with open('file.txt', 'r') as f:
        content = f.read()
except FileNotFoundError:
    print('檔案不存在，建立新檔案')
    with open('file.txt', 'w') as f:
        f.write('')

# 問題2：如何判斷檔案是否為空？
with open('file.txt', 'r') as f:
    content = f.read()
    if not content:
        print('檔案是空的')

# filepath: homework_tips.py
# 問題3：如何在檔案中搜尋？
search_word = '關鍵字'
with open('file.txt', 'r', encoding='utf-8') as f:
    for line_num, line in enumerate(f, 1):
        if search_word in line:
            print(f'第 {line_num} 行: {line.strip()}')

# 問題4：如何修改檔案內容？
# 方法：讀取→修改→寫回
with open('file.txt', 'r', encoding='utf-8') as f:
    lines = f.readlines()

# 修改內容
modified_lines = [line.replace('舊', '新') for line in lines]

with open('file.txt', 'w', encoding='utf-8') as f:
    f.writelines(modified_lines)

常見錯誤與除錯

錯誤 1：忘記關閉檔案

# filepath: common_errors.py
#  錯誤
file = open('test.txt', 'r')
content = file.read()
# 忘記 file.close()

#  正確
with open('test.txt', 'r') as file:
    content = file.read()
# 自動關閉

錯誤 2：編碼問題

# filepath: common_errors.py
#  可能出現亂碼
with open('test.txt', 'r') as file:
    content = file.read()

#  指定 UTF-8 編碼
with open('test.txt', 'r', encoding='utf-8') as file:
    content = file.read()

錯誤 3：寫入時忘記換行

# filepath: common_errors.py
#  結果：ABC（全部黏在一起）
with open('test.txt', 'w') as file:
    file.write('A')
    file.write('B')
    file.write('C')

#  結果：A B C（各自一行）
with open('test.txt', 'w') as file:
    file.write('A\n')
    file.write('B\n')
    file.write('C\n')

錯誤 4：模式選擇錯誤

# filepath: common_errors.py
#  想要新增內容卻用了 'w'（原內容會消失！）
with open('diary.txt', 'w') as file:
    file.write('新的一天\n')

#  使用 'a' 模式附加內容
with open('diary.txt', 'a') as file:
    file.write('新的一天\n')

再次感謝！

下週見！

Made changes.