详解python的几种标准输出重定向方式

一. 背景

在Python中，文件对象sys.stdin、sys.stdout和sys.stderr分别对应解释器的标准输入、标准输出和标准出错流。在程序启动时，这些对象的初值由sys.__stdin__、sys.__stdout__和sys.__stderr__保存，以便用于收尾(finalization)时恢复标准流对象。

Windows系统中IDLE(python GUI)由pythonw.exe，该GUI没有控制台。因此，IDLE将标准输出句柄替换为特殊的PseudoOutputFile对象，以便脚本输出重定向到IDLE终端窗口(Shell)。这可能导致一些奇怪的问题，例如：
?
Python 2.7.11 (v2.7.11:6d1b6a68f775, Dec 5 2015, 20:32:19) [MSC v.1500 32 bit (Intel)] on win32
Type "copyright", "credits" or "license()" for more information.
>>> import sys
>>> for fd in (sys.stdin, sys.stdout, sys.stderr): print fd
 
<idlelib.PyShell.PseudoInputFile object at 0x0177C910>
<idlelib.PyShell.PseudoOutputFile object at 0x0177C970>
<idlelib.PyShell.PseudoOutputFile object at 0x017852B0>
>>> for fd in (sys.__stdin__, sys.__stdout__, sys.__stderr__): print fd
 
<open file '<stdin>', mode 'r' at 0x00FED020>
<open file '<stdout>', mode 'w' at 0x00FED078>
<open file '<stderr>', mode 'w' at 0x00FED0D0>
>>>
可以发现，sys.__stdout__与sys.stdout取值并不相同。而在普通的Python解释器下(如通过Windows控制台)运行上述代码时，两者取值相同。
print语句(statement)不以逗号结尾时，会在输出字符串尾部自动附加一个换行符(linefeed)；否则将一个空格代替附加的换行符。print语句默认写入标准输出流，也可重定向至文件或其他可写对象(所有提供write方法的对象)。这样，就可以使用简洁的print语句代替笨拙的object.write('hello'+'\n')写法。
由上可知，在Python中调用print obj打印对象时，缺省情况下等效于调用sys.stdout.write(obj+'\n')
示例如下：
?
>>> import sys
>>> print 'Hello World'
Hello World
>>> sys.stdout.write('Hello World')
Hello World
二. 重定向方式
本节介绍常用的Python标准输出重定向方式。这些方法各有优劣之处，适用于不同的场景。
2.1 控制台重定向
最简单常用的输出重定向方式是利用控制台命令。这种重定向由控制台完成，而与Python本身无关。
Windows命令提示符(cmd.exe)和Linux Shell(bash等)均通过">"或">>"将输出重定向。其中，">"表示覆盖内容，">>"表示追加内容。类似地，"2>"可重定向标准错误。重定向到"nul"(Windows)或"/dev/null"(linux)会抑制输出，既不屏显也不存盘。

以Windows命令提示符为例，将Python脚本输出重定向到文件(为缩短篇幅已删除命令间空行)：
?
E:\>echo print 'hello' > test.py
E:\>test.py > out.txt
E:\>type out.txt
hello
E:\>test.py >> out.txt
E:\>type out.txt
hello
hello
E:\>test.py > nul

注意，在Windows命令提示符中执行Python脚本时，命令行无需以"python"开头，系统会根据脚本后缀自动调用Python解释器。此外，type命令可直接显示文本文件的内容，类似Linux系统的cat命令。

Linux Shell中执行Python脚本时，命令行应以"python"开头。除">"或">>"重定向外，还可使用tee命令。该命令可将内容同时输出到终端屏幕和(多个)文件中，"-a"选项表示追加写入，否则覆盖写入。示例如下(echo $SHELL或echo $0显示当前所使用的Shell)：
?
[wangxiaoyuan_@localhost ~]$ echo $SHELL
/bin/bash
[wangxiaoyuan_@localhost ~]$ python -c "print 'hello'"
hello
[wangxiaoyuan_@localhost ~]$ python -c "print 'hello'" > out.txt
[wangxiaoyuan_@localhost ~]$ cat out.txt
hello
[wangxiaoyuan_@localhost ~]$ python -c "print 'world'" >> out.txt
[wangxiaoyuan_@localhost ~]$ cat out.txt            
hello
world
[wangxiaoyuan_@localhost ~]$ python -c "print 'I am'" | tee out.txt
I am
[wangxiaoyuan_@localhost ~]$ python -c "print 'xywang'" | tee -a out.txt
xywang
[wangxiaoyuan_@localhost ~]$ cat out.txt
I am
xywang
[wangxiaoyuan_@localhost ~]$ python -c "print 'hello'" > /dev/null
[wangxiaoyuan_@localhost ~]$
若仅仅想要将脚本输出保存到文件中，也可直接借助会话窗口的日志抓取功能。
注意，控制台重定向的影响是全局性的，仅适用于比较简单的输出任务。
2.2 print >>重定向
这种方式基于print语句的扩展形式，即"print obj >> expr"。其中，obj为一个file-like(尤其是提供write方法的)对象，为None时对应标准输出(sys.stdout)。expr将被输出到该文件对象中。
示例如下：
?
memo = cStringIO.StringIO(); serr = sys.stderr; file = open('out.txt', 'w+')
print >>memo, 'StringIO'; print >>serr, 'stderr'; print >>file, 'file'
print >>None, memo.getvalue()

上述代码执行后，屏显为"serr"和"StringIO"(两行，注意顺序)，out.txt文件内写入"file"。

可见，这种方式非常灵活和方便。缺点是不适用于输出语句较多的场景。

2.3 sys.stdout重定向

将一个可写对象(如file-like对象)赋给sys.stdout，可使随后的print语句输出至该对象。重定向结束后，应将sys.stdout恢复最初的缺省值，即标准输出。

简单示例如下：
?
import sys
savedStdout = sys.stdout #保存标准输出流
with open('out.txt', 'w+') as file:
  sys.stdout = file #标准输出重定向至文件
  print 'This message is for file!'
 
sys.stdout = savedStdout #恢复标准输出流
print 'This message is for screen!'

注意，IDLE中sys.stdout初值为PseudoOutputFile对象，与sys.__stdout__并不相同。为求通用，本例另行定义变量(savedStdout)保存sys.stdout，下文也将作此处理。此外，本例不适用于经由from sys import stdout导入的stdout对象。

以下将自定义多种具有write()方法的file-like对象，以满足不同需求：
?
class RedirectStdout: #import os, sys, cStringIO
  def __init__(self):
    self.content = ''
    self.savedStdout = sys.stdout
    self.memObj, self.fileObj, self.nulObj = None, None, None
 
  #外部的print语句将执行本write()方法，并由当前sys.stdout输出
  def write(self, outStr):
    #self.content.append(outStr)
    self.content += outStr
 
  def toCons(self): #标准输出重定向至控制台
    sys.stdout = self.savedStdout #sys.__stdout__
 
  def toMemo(self): #标准输出重定向至内存
    self.memObj = cStringIO.StringIO()
    sys.stdout = self.memObj
 
  def toFile(self, file='out.txt'): #标准输出重定向至文件
    self.fileObj = open(file, 'a+', 1) #改为行缓冲
    sys.stdout = self.fileObj
   
  def toMute(self): #抑制输出
    self.nulObj = open(os.devnull, 'w')
    sys.stdout = self.nulObj
     
  def restore(self):
    self.content = ''
    if self.memObj.closed != True:
      self.memObj.close()
    if self.fileObj.closed != True:
      self.fileObj.close()
    if self.nulObj.closed != True:
      self.nulObj.close()
    sys.stdout = self.savedStdout #sys.__stdout__

注意，toFile()方法中，open(name[, mode[, buffering]])调用选择行缓冲(无缓冲会影响性能)。这是为了观察中间写入过程，否则只有调用close()或flush()后输出才会写入文件。内部调用open()方法的缺点是不便于用户定制写文件规则，如模式(覆盖或追加)和缓冲(行或全缓冲)。

重定向效果如下：
?  
redirObj = RedirectStdout()
sys.stdout = redirObj #本句会抑制"Let's begin!"输出
print "Let's begin!"
 
#屏显'Hello World!'和'I am xywang.'(两行)
redirObj.toCons(); print 'Hello World!'; print 'I am xywang.'
#写入'How are you?'和"Can't complain."(两行)
redirObj.toFile(); print 'How are you?'; print "Can't complain."
redirObj.toCons(); print "What'up?"   #屏显
redirObj.toMute(); print '<Silence>'  #无屏显或写入
os.system('echo Never redirect me!')  #控制台屏显'Never redirect me!'
redirObj.toMemo(); print 'What a pity!' #无屏显或写入
redirObj.toCons(); print 'Hello?'    #屏显
redirObj.toFile(); print "Oh, xywang can't hear me" #该串写入文件
redirObj.restore()
 
print 'Pop up' #屏显

可见，执行toXXXX()语句后，标准输出流将被重定向到XXXX。此外，toMute()和toMemo()的效果类似，均可抑制输出。

使用某对象替换sys.stdout时，尽量确保该对象接近文件对象，尤其是涉及第三方库时(该库可能使用sys.stdout的其他方法)。此外，本节替换sys.stdout的代码实现并不影响由os.popen()、os.system()或os.exec*()系列方法所创建进程的标准I/O流。
2.4 上下文管理器(Context Manager)
本节严格意义上并非新的重定向方式，而是利用Pyhton上下文管理器优化上节的代码实现。借助于上下文管理器语法，可不必向重定向使用者暴露sys.stdout。
首先考虑输出抑制，基于上下文管理器语法实现如下：
?
import sys, cStringIO, contextlib
class DummyFile:
  def write(self, outStr): pass
 
@contextlib.contextmanager
def MuteStdout():
  savedStdout = sys.stdout
  sys.stdout = cStringIO.StringIO() #DummyFile()
  try:
    yield
  except Exception: #捕获到错误时，屏显被抑制的输出(该处理并非必需)
    content, sys.stdout = sys.stdout, savedStdout
    print content.getvalue()#; raise
  #finally:
  sys.stdout = savedStdout
使用示例如下：
?
with MuteStdout():
  print "I'll show up when <raise> is executed!" #不屏显不写入
  raise #屏显上句
  print "I'm hiding myself somewhere:)" #不屏显
再考虑更通用的输出重定向：
?
import os, sys
from contextlib import contextmanager
@contextmanager
def RedirectStdout(newStdout):
  savedStdout, sys.stdout = sys.stdout, newStdout
  try:
    yield
  finally:
    sys.stdout = savedStdout
使用示例如下：
? 
def Greeting(): print 'Hello, boss!'
 
with open('out.txt', "w+") as file:
  print "I'm writing to you..."  #屏显
  with RedirectStdout(file):
    print 'I hope this letter finds you well!' #写入文件
  print 'Check your mailbox.'   #屏显
 
with open(os.devnull, "w+") as file, RedirectStdout(file):
  Greeting()           #不屏显不写入
  print 'I deserve a pay raise:)' #不屏显不写入
print 'Did you hear what I said?'  #屏显

可见，with内嵌块里的函数和print语句输出均被重定向。注意，上述示例不是线程安全的，主要适用于单线程。

当函数被频繁调用时，建议使用装饰器包装该函数。这样，仅需修改该函数定义，而无需在每次调用该函数时使用with语句包裹。示例如下：
?
import sys, cStringIO, functools
def MuteStdout(retCache=False):
  def decorator(func):
    @functools.wraps(func)
    def wrapper(*args, **kwargs):
      savedStdout = sys.stdout
      sys.stdout = cStringIO.StringIO()
      try:
        ret = func(*args, **kwargs)
        if retCache == True:
          ret = sys.stdout.getvalue().strip()
      finally:
        sys.stdout = savedStdout
      return ret
    return wrapper
  return decorator

若装饰器MuteStdout的参数retCache为真，外部调用func()函数时将返回该函数内部print输出的内容(可供屏显)；若retCache为假，外部调用func()函数时将返回该函数的返回值(抑制输出)。

MuteStdout装饰器使用示例如下：
?
@MuteStdout(True)
def Exclaim(): print 'I am proud of myself!'
 
@MuteStdout()
def Mumble(): print 'I lack confidence...'; return 'sad'
 
print Exclaim(), Exclaim.__name__ #屏显'I am proud of myself! Exclaim'
print Mumble(), Mumble.__name__  #屏显'sad Mumble'

在所有线程中，被装饰函数执行期间，sys.stdout都会被MuteStdout装饰器劫持。而且，函数一经装饰便无法移除装饰。因此，使用该装饰器时应慎重考虑场景。

接着，考虑创建RedirectStdout装饰器：
?
def RedirectStdout(newStdout=sys.stdout):
  def decorator(func):
    def wrapper(*args,**kwargs):
      savedStdout, sys.stdout = sys.stdout, newStdout
      try:
        return func(*args, **kwargs)
      finally:
        sys.stdout = savedStdout
    return wrapper
  return decorator

使用示例如下：
?
file = open('out.txt', "w+")
@RedirectStdout(file)
def FunNoArg(): print 'No argument.'
 
@RedirectStdout(file)
def FunOneArg(a): print 'One argument:', a
 
def FunTwoArg(a, b): print 'Two arguments: %s, %s' %(a,b)
 
FunNoArg()   #写文件'No argument.'
FunOneArg(1984) #写文件'One argument: 1984'
RedirectStdout()(FunTwoArg)(10,29) #屏显'Two arguments: 10, 29'
print FunNoArg.__name__      #屏显'wrapper'(应显示'FunNoArg')
 
file.close()

注意FunTwoArg()函数的定义和调用与其他函数的不同，这是两种等效的语法。此外，RedirectStdout装饰器的最内层函数wrapper()未使用"functools.wraps(func)"修饰，会丢失被装饰函数原有的特殊属性(如函数名、文档字符串等)。

2.5 logging模块重定向

对于代码量较大的工程，建议使用logging模块进行输出。该模块是线程安全的，可将日志信息输出到控制台、写入文件、使用TCP/UDP协议发送到网络等等。

默认情况下logging模块将日志输出到控制台(标准出错)，且只显示大于或等于设置的日志级别的日志。日志级别由高到低为CRITICAL > ERROR > WARNING > INFO > DEBUG > NOTSET，默认级别为WARNING。

以下示例将日志信息分别输出到控制台和写入文件：
? 
import logging
logging.basicConfig(level = logging.DEBUG,
  format = '%(asctime)s [%(levelname)s] at %(filename)s,%(lineno)d: %(message)s',
  datefmt = '%Y-%m-%d(%a)%H:%M:%S',
  filename = 'out.txt',
  filemode = 'w')
#将大于或等于INFO级别的日志信息输出到StreamHandler(默认为标准错误)
console = logging.StreamHandler()
console.setLevel(logging.INFO)
formatter = logging.Formatter('[%(levelname)-8s] %(message)s') #屏显实时查看，无需时间
console.setFormatter(formatter)
logging.getLogger().addHandler(console)
 
logging.debug('gubed'); logging.info('ofni'); logging.critical('lacitirc')

通过对多个handler设置不同的level参数，可将不同的日志内容输入到不同的地方。本例使用在logging模块内置的StreamHandler(和FileHandler)，运行后屏幕上显示:
?  
[INFO  ] ofni
[CRITICAL] lacitirc

out.txt文件内容则为:
?
2016-05-13(Fri)17:10:53 [DEBUG] at test.py,25: gubed
2016-05-13(Fri)17:10:53 [INFO] at test.py,25: ofni
2016-05-13(Fri)17:10:53 [CRITICAL] at test.py,25: lacitirc

除直接在程序中设置Logger、Handler、Formatter等外，还可将这些信息写入配置文件。示例如下：
?
#logger.conf
###############Logger###############
[loggers]
keys=root,Logger2F,Logger2CF
 
[logger_root]
level=DEBUG
handlers=hWholeConsole
 
[logger_Logger2F]
handlers=hWholeFile
qualname=Logger2F
propagate=0
 
[logger_Logger2CF]
handlers=hPartialConsole,hPartialFile
qualname=Logger2CF
propagate=0
 
###############Handler###############
[handlers]
keys=hWholeConsole,hPartialConsole,hWholeFile,hPartialFile
 
[handler_hWholeConsole]
class=StreamHandler
level=DEBUG
formatter=simpFormatter
args=(sys.stdout,)
 
[handler_hPartialConsole]
class=StreamHandler
level=INFO
formatter=simpFormatter
args=(sys.stderr,)
 
[handler_hWholeFile]
class=FileHandler
level=DEBUG
formatter=timeFormatter
args=('out.txt', 'a')
 
[handler_hPartialFile]
class=FileHandler
level=WARNING
formatter=timeFormatter
args=('out.txt', 'w')
 
###############Formatter###############
[formatters]
keys=simpFormatter,timeFormatter
 
[formatter_simpFormatter]
format=[%(levelname)s] at %(filename)s,%(lineno)d: %(message)s
 
[formatter_timeFormatter]
format=%(asctime)s [%(levelname)s] at %(filename)s,%(lineno)d: %(message)s
datefmt=%Y-%m-%d(%a)%H:%M:%S

此处共创建三个Logger：root，将所有日志输出至控制台；Logger2F，将所有日志写入文件；Logger2CF，将级别大于或等于INFO的日志输出至控制台，将级别大于或等于WARNING的日志写入文件。

程序以如下方式解析配置文件和重定向输出：
?
import logging, logging.config
 
logging.config.fileConfig("logger.conf")
 
logger = logging.getLogger("Logger2CF")
logger.debug('gubed'); logger.info('ofni'); logger.warn('nraw')
logger.error('rorre'); logger.critical('lacitirc')
 
logger1 = logging.getLogger("Logger2F")
logger1.debug('GUBED'); logger1.critical('LACITIRC')
 
logger2 = logging.getLogger()
logger2.debug('gUbEd'); logger2.critical('lAcItIrC')

运行后屏幕上显示:
?
[INFO] at test.py,7: ofni
[WARNING] at test.py,7: nraw
[ERROR] at test.py,8: rorre
[CRITICAL] at test.py,8: lacitirc
[DEBUG] at test.py,14: gUbEd
[CRITICAL] at test.py,14: lAcItIrC

out.txt文件内容则为:
?
2016-05-13(Fri)20:31:21 [WARNING] at test.py,7: nraw
2016-05-13(Fri)20:31:21 [ERROR] at test.py,8: rorre
2016-05-13(Fri)20:31:21 [CRITICAL] at test.py,8: lacitirc
2016-05-13(Fri)20:31:21 [DEBUG] at test.py,11: GUBED
2016-05-13(Fri)20:31:21 [CRITICAL] at test.py,11: LACITIRC