Python之系統交互（subprocess）

本節內容

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1. os與commands模塊
2. subprocess模塊
3. subprocess.Popen類
4. 總結

咱們幾乎能夠在任何操做系統上經過命令行指令與操做系統進行交互，好比Linux平臺下的shell。那麼咱們如何經過Python來完成這些命令行指令的執行呢？另外，咱們應該知道的是命令行指令的執行一般有兩個咱們比較關注的結果：

1. 命令執行的狀態碼--表示命令執行是否成功
2. 命令執行的輸出結果--命令執行成功後的輸出

早期的Python版本中，咱們主要是經過os.system()、os.popen().read()等函數來執行命令行指令的，另外還有一個不多使用的commands模塊。可是從Python 2.4開始官方文檔中建議使用的是subprocess模塊，因此os模塊和commands模塊的相關函數在這裏只提供一個簡單的使用示例，咱們重要要介紹的是subprocess模塊。

1、os與commands模塊

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Python中提供瞭如下幾個函數來幫助咱們完成命令行指令的執行：

函數名	描述
os.system(command)	返回命令執行狀態碼，而將命令執行結果輸出到屏幕
os.popen(command).read()	能夠獲取命令執行結果，可是沒法獲取命令執行狀態碼
commands.getstatusoutput(command)	返回一個元組(命令執行狀態碼, 命令執行結果)

說明：

1. os.popen(command)函數獲得的是一個文件對象，所以除了read()方法外還支持write()等方法，具體要根據command來定；
2. commands模塊只存在於Python 2.7中，且不支持windows平臺，所以commands模塊不多被使用。另外，commands模塊實際上也是經過對os.popen()的封裝來完成的。

1. os.system()函數實例

>>> import os
>>>
>>> retcode = os.system('dir')
 驅動器 C 中的卷沒有標籤。
 卷的序列號是 4C32-B292

 C:\Users\wader\PycharmProjects\LearnPython 的目錄

2017/03/21  11:15    <DIR>          .
2017/03/21  11:15    <DIR>          ..
2017/07/29  18:04    <DIR>          .idea
2016/12/06  11:19    <DIR>          blog
2016/12/06  11:42    <DIR>          day01
2016/12/09  22:07    <DIR>          day02
2017/01/04  09:14    <DIR>          day03
2017/07/19  16:11    <DIR>          day04
2017/07/29  14:44    <DIR>          day05
2017/07/06  14:45    <DIR>          day06
2017/07/06  17:13    <DIR>          exam01
               0 個文件              0 字節
              11 個目錄  6,659,977,216 可用字節
>>> retcode
0
>>>

2. os.popen()函數實例

>>> import os
>>>
>>> ret = os.popen('dir').read()
>>> print(ret)
 驅動器 C 中的卷沒有標籤。
 卷的序列號是 4C32-B292

 C:\Users\wader\PycharmProjects\LearnPython 的目錄

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2017/03/21  11:15    <DIR>          ..
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2016/12/06  11:19    <DIR>          blog
2016/12/06  11:42    <DIR>          day01
2016/12/09  22:07    <DIR>          day02
2017/01/04  09:14    <DIR>          day03
2017/07/19  16:11    <DIR>          day04
2017/07/29  14:44    <DIR>          day05
2017/07/06  14:45    <DIR>          day06
2017/07/06  17:13    <DIR>          exam01
               0 個文件              0 字節
              11 個目錄  6,664,052,736 可用字節

>>>

3. commands.getstatusoutput()函數實例

須要注意的是commands模塊不支持windows平臺，所以該實例是在Linux平臺下執行的

>>> import os
>>> os.system('ls')
cmdline-jmxclient-0.10.3.jar  dhparam.pem  FtpMan.class  gitlab.crt  gitlab.csr  gitlab.key  resolv.txt  test.json  test.php  test.sh  test.text  test.txt
0
>>> import commands
>>> retcode, ret = commands.getstatusoutput('ls -l')
>>> retcode
0
>>> print(ret)
total 68
-rw-r--r-- 1 root root 20124 Jul 11  2016 cmdline-jmxclient-0.10.3.jar
-rw-r--r-- 1 root root   424 Aug 22  2016 dhparam.pem
-rw-r--r-- 1 root root  2576 Jul 13  2016 FtpMan.class
-rw-r--r-- 1 root root  1302 Aug 22  2016 gitlab.crt
-rw-r--r-- 1 root root  1054 Aug 22  2016 gitlab.csr
-rw-r--r-- 1 root root  1675 Aug 22  2016 gitlab.key
-rw-r--r-- 1 root root  9329 Jun 24  2016 resolv.txt
-rw-r--r-- 1 root root   594 Mar  7 08:14 test.json
-rw-r--r-- 1 root root   162 Jun 28 10:39 test.php
-rw-r--r-- 1 root root   760 Jun 24  2016 test.sh
-r-x------ 1 root root     0 Feb  6 08:21 test.text
drwxr-xr-x 2 root root  4096 Feb  7 16:43 test.txt
>>>

經過查看commands模塊提供的屬性可知，它也提供了單獨獲取命令執行狀態碼和執行結果的函數，以下所示：

>>> dir(commands)
['__all__', '__builtins__', '__doc__', '__file__', '__name__', '__package__', 'getoutput', 'getstatus', 'getstatusoutput', 'mk2arg', 'mkarg']

2、subprocess模塊

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subprocess是Python 2.4中新增的一個模塊，它容許你生成新的進程，鏈接到它們的 input/output/error 管道，並獲取它們的返回（狀態）碼。這個模塊的目的在於替換幾個舊的模塊和方法，如：

• os.system
• os.spawn*

1. subprocess模塊中的經常使用函數

函數	描述
subprocess.run()	Python 3.5中新增的函數。執行指定的命令，等待命令執行完成後返回一個包含執行結果的CompletedProcess類的實例。
subprocess.call()	執行指定的命令，返回命令執行狀態，其功能相似於os.system(cmd)。
subprocess.check_call()	Python 2.5中新增的函數。 執行指定的命令，若是執行成功則返回狀態碼，不然拋出異常。其功能等價於subprocess.run(..., check=True)。
subprocess.check_output()	Python 2.7中新增的的函數。執行指定的命令，若是執行狀態碼爲0則返回命令執行結果，不然拋出異常。
subprocess.getoutput(cmd)	接收字符串格式的命令，執行命令並返回執行結果，其功能相似於os.popen(cmd).read()和commands.getoutput(cmd)。
subprocess.getstatusoutput(cmd)	執行cmd命令，返回一個元組(命令執行狀態, 命令執行結果輸出)，其功能相似於commands.getstatusoutput()。

說明：

1. 在Python 3.5以後的版本中，官方文檔中提倡經過subprocess.run()函數替代其餘函數來使用subproccess模塊的功能；
2. 在Python 3.5以前的版本中，咱們能夠經過subprocess.call()，subprocess.getoutput()等上面列出的其餘函數來使用subprocess模塊的功能；
3. subprocess.run()、subprocess.call()、subprocess.check_call()和subprocess.check_output()都是經過對subprocess.Popen的封裝來實現的高級函數，所以若是咱們須要更復雜功能時，能夠經過subprocess.Popen來完成。
4. subprocess.getoutput()和subprocess.getstatusoutput()函數是來自Python 2.x的commands模塊的兩個遺留函數。它們隱式的調用系統shell，而且不保證其餘函數所具備的安全性和異常處理的一致性。另外，它們從Python 3.3.4開始才支持Windows平臺。

2. 上面各函數的定義及參數說明

函數參數列表：

subprocess.run(args, *, stdin=None, input=None, stdout=None, stderr=None, shell=False, timeout=None, check=False, universal_newlines=False)

subprocess.call(args, *, stdin=None, stdout=None, stderr=None, shell=False, timeout=None)

subprocess.check_call(args, *, stdin=None, stdout=None, stderr=None, shell=False, timeout=None)

subprocess.check_output(args, *, stdin=None, stderr=None, shell=False, universal_newlines=False, timeout=None)

subprocess.getstatusoutput(cmd)

subprocess.getoutput(cmd)

參數說明：

• args： 要執行的shell命令，默認應該是一個字符串序列，如['df', '-Th']或('df', '-Th')，也能夠是一個字符串，如'df -Th'，可是此時須要把shell參數的值置爲True。
• shell： 若是shell爲True，那麼指定的命令將經過shell執行。若是咱們須要訪問某些shell的特性，如管道、文件名通配符、環境變量擴展功能，這將是很是有用的。固然，python自己也提供了許多相似shell的特性的實現，如glob、fnmatch、os.walk()、os.path.expandvars()、os.expanduser()和shutil等。
• check： 若是check參數的值是True，且執行命令的進程以非0狀態碼退出，則會拋出一個CalledProcessError的異常，且該異常對象會包含 參數、退出狀態碼、以及stdout和stderr(若是它們有被捕獲的話)。
• stdout, stderr：
  • run()函數默認不會捕獲命令執行結果的正常輸出和錯誤輸出，若是咱們向獲取這些內容須要傳遞subprocess.PIPE，而後能夠經過返回的CompletedProcess類實例的stdout和stderr屬性或捕獲相應的內容；
  • call()和check_call()函數返回的是命令執行的狀態碼，而不是CompletedProcess類實例，因此對於它們而言，stdout和stderr不適合賦值爲subprocess.PIPE；
  • check_output()函數默認就會返回命令執行結果，因此不用設置stdout的值，若是咱們但願在結果中捕獲錯誤信息，能夠執行stderr=subprocess.STDOUT。
• input： 該參數是傳遞給Popen.communicate()，一般該參數的值必須是一個字節序列，若是universal_newlines=True，則其值應該是一個字符串。
• universal_newlines： 該參數影響的是輸入與輸出的數據格式，好比它的值默認爲False，此時stdout和stderr的輸出是字節序列；當該參數的值設置爲True時，stdout和stderr的輸出是字符串。

3. subprocess.CompletedProcess類介紹

須要說明的是，subprocess.run()函數是Python3.5中新增的一個高級函數，其返回值是一個subprocess.CompletedPorcess類的實例，所以，subprocess.completedPorcess類也是Python 3.5中才存在的。它表示的是一個已結束進程的狀態信息，它所包含的屬性以下：

• args： 用於加載該進程的參數，這多是一個列表或一個字符串
• returncode： 子進程的退出狀態碼。一般狀況下，退出狀態碼爲0則表示進程成功運行了；一個負值-N表示這個子進程被信號N終止了
• stdout： 從子進程捕獲的stdout。這一般是一個字節序列，若是run()函數被調用時指定universal_newlines=True，則該屬性值是一個字符串。若是run()函數被調用時指定stderr=subprocess.STDOUT，那麼stdout和stderr將會被整合到這一個屬性中，且stderr將會爲None
• stderr： 從子進程捕獲的stderr。它的值與stdout同樣，是一個字節序列或一個字符串。若是stderr滅有被捕獲的話，它的值就爲None
• check_returncode()： 若是returncode是一個非0值，則該方法會拋出一個CalledProcessError異常。

4. 實例

subprocess.run()

>>> subprocess.run(["ls", "-l"])  # doesn't capture output
CompletedProcess(args=['ls', '-l'], returncode=0)

>>> subprocess.run("exit 1", shell=True, check=True)
Traceback (most recent call last):
  ...
subprocess.CalledProcessError: Command 'exit 1' returned non-zero exit status 1

>>> subprocess.run(["ls", "-l", "/dev/null"], stdout=subprocess.PIPE)
CompletedProcess(args=['ls', '-l', '/dev/null'], returncode=0,
stdout=b'crw-rw-rw- 1 root root 1, 3 Jan 23 16:23 /dev/null\n')

subprocess.call()

>>> subprocess.call(['ls',  '-l'])
總用量 160
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>>> subprocess.call('ls -l', shell=True)
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>>> subprocess.call(['ls',  '-l'], stdout=subprocess.DEVNULL)
0
>>> subprocess.call(['ls',  '-l', '/test'])
ls: 沒法訪問/test: 沒有那個文件或目錄
2

suprocess.check_call()

>>> subprocess.check_call(['ls',  '-l'])
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>>> subprocess.check_call('ls -l', shell=True)
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>>> subprocess.check_call('ls -l /test', shell=True)
ls: 沒法訪問/test: 沒有那個文件或目錄
Traceback (most recent call last):
  File "<stdin>", line 1, in <module>
  File "/usr/lib/python3.4/subprocess.py", line 557, in check_call
    raise CalledProcessError(retcode, cmd)
subprocess.CalledProcessError: Command 'ls -l /test' returned non-zero exit status 2

sbuprocess.check_output()

>>> ret = subprocess.check_output(['ls',  '-l'])
>>> print(ret)
b' \xe5\x85\xac\xe5\x85\xb1\xe7\x9a\x84\ndrwxr-xr-x  2 wader wader   4096 12\xe6\x9c\x88  7  2015 \xe6\xa8\xa1\xe6\x9d\xbf\ndrwxr-xr-x  2 wader wader   4096 12\xe6\x9c\x88  7  2015 \xe8\xa7\x86\xe9\xa2\x91\ndrwxr-xr-x  2 wader wader   4096 12\xe6\x9c\x88  7  2015 \xe5\x9b\xbe\xe7\x89\x87\ndrwxr-xr-x  2 wader wader   4096 12\xe6\x9c\x88  7  2015 \xe6\x96\x87\xe6\xa1\xa3\ndrwxr-xr-x  2 wader wader   4096  4\xe6\x9c\x88 13  2016 \xe4\xb8\x8b\xe8\xbd\xbd\ndrwxr-xr-x  2 wader wader   4096 12\xe6\x9c\x88  7  2015 \xe9\x9f\xb3\xe4\xb9\x90\ndrwxr-xr-x  7 wader wader   4096  5\xe6\x9c\x88 26  2016 \xe6\xa1\x8c\xe9\x9d\xa2\n'
>>> ret = subprocess.check_output(['ls',  '-l'], universal_newlines=True)
>>> print(ret)
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subprocess.getoutput()與subprocess.getstatusoutput()

>>> ret = subprocess.getoutput('ls -l')
>>> print(ret)
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>>> retcode, output = subprocess.getstatusoutput('ls -l')
>>> print(retcode)
0
>>> print(output)
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>>> retcode, output = subprocess.getstatusoutput('ls -l /test')
>>> print(retcode)
2
>>> print(output)
ls: 沒法訪問/test: 沒有那個文件或目錄

3、subprocess.Popen介紹

---

該類用於在一個新的進程中執行一個子程序。前面咱們提到過，上面介紹的這些函數都是基於subprocess.Popen類實現的，經過使用這些被封裝後的高級函數能夠很方面的完成一些常見的需求。因爲subprocess模塊底層的進程建立和管理是由Popen類來處理的，所以，當咱們沒法經過上面哪些高級函數來實現一些不太常見的功能時就能夠經過subprocess.Popen類提供的靈活的api來完成。

1.subprocess.Popen的構造函數

class subprocess.Popen(args, bufsize=-1, executable=None, stdin=None, stdout=None, stderr=None, 
    preexec_fn=None, close_fds=True, shell=False, cwd=None, env=None, universal_newlines=False,
    startup_info=None, creationflags=0, restore_signals=True, start_new_session=False, pass_fds=())

參數說明：

• args： 要執行的shell命令，能夠是字符串，也能夠是命令各個參數組成的序列。當該參數的值是一個字符串時，該命令的解釋過程是與平臺相關的，所以一般建議將args參數做爲一個序列傳遞。
• bufsize： 指定緩存策略，0表示不緩衝，1表示行緩衝，其餘大於1的數字表示緩衝區大小，負數 表示使用系統默認緩衝策略。
• stdin, stdout, stderr： 分別表示程序標準輸入、輸出、錯誤句柄。
• preexec_fn： 用於指定一個將在子進程運行以前被調用的可執行對象，只在Unix平臺下有效。
• close_fds： 若是該參數的值爲True，則除了0,1和2以外的全部文件描述符都將會在子進程執行以前被關閉。
• shell： 該參數用於標識是否使用shell做爲要執行的程序，若是shell值爲True，則建議將args參數做爲一個字符串傳遞而不要做爲一個序列傳遞。
• cwd： 若是該參數值不是None，則該函數將會在執行這個子進程以前改變當前工做目錄。
• env： 用於指定子進程的環境變量，若是env=None，那麼子進程的環境變量將從父進程中繼承。若是env!=None，它的值必須是一個映射對象。
• universal_newlines： 若是該參數值爲True，則該文件對象的stdin，stdout和stderr將會做爲文本流被打開，不然他們將會被做爲二進制流被打開。
• startupinfo和creationflags： 這兩個參數只在Windows下有效，它們將被傳遞給底層的CreateProcess()函數，用於設置子進程的一些屬性，如主窗口的外觀，進程優先級等。

2. subprocess.Popen類的實例可調用的方法

方法	描述
Popen.poll()	用於檢查子進程（命令）是否已經執行結束，沒結束返回None，結束後返回狀態碼。
Popen.wait(timeout=None)	等待子進程結束，並返回狀態碼；若是在timeout指定的秒數以後進程尚未結束，將會拋出一個TimeoutExpired異常。
Popen.communicate(input=None, timeout=None)	該方法可用來與進程進行交互，好比發送數據到stdin，從stdout和stderr讀取數據，直到到達文件末尾。
Popen.send_signal(signal)	發送指定的信號給這個子進程。
Popen.terminate()	中止該子進程。
Popen.kill()	殺死該子進程。

關於communicate()方法的說明：

• 該方法中的可選參數 input 應該是將被髮送給子進程的數據，或者如沒有數據發送給子進程，該參數應該是None。input參數的數據類型必須是字節串，若是universal_newlines參數值爲True，則input參數的數據類型必須是字符串。
• 該方法返回一個元組(stdout_data, stderr_data)，這些數據將會是字節穿或字符串（若是universal_newlines的值爲True）。
• 若是在timeout指定的秒數後該進程尚未結束，將會拋出一個TimeoutExpired異常。捕獲這個異常，而後從新嘗試通訊不會丟失任何輸出的數據。可是超時以後子進程並無被殺死，爲了合理的清除相應的內容，一個好的應用應該手動殺死這個子進程來結束通訊。
• 須要注意的是，這裏讀取的數據是緩衝在內存中的，因此，若是數據大小很是大或者是無限的，就不該該使用這個方法。

3. subprocess.Popen使用實例

實例1：

>>> import subprocess
>>>
>>> p = subprocess.Popen('df -Th', stdout=subprocess.PIPE, shell=True)
>>> print(p.stdout.read())
Filesystem     Type      Size  Used Avail Use% Mounted on
/dev/vda1      ext4       40G   12G   26G  31% /
devtmpfs       devtmpfs  3.9G     0  3.9G   0% /dev
tmpfs          tmpfs     3.9G     0  3.9G   0% /dev/shm
tmpfs          tmpfs     3.9G  386M  3.5G  10% /run
tmpfs          tmpfs     3.9G     0  3.9G   0% /sys/fs/cgroup
tmpfs          tmpfs     783M     0  783M   0% /run/user/0
tmpfs          tmpfs     783M     0  783M   0% /run/user/1000

實例2：

>>> obj = subprocess.Popen(["python"], stdin=subprocess.PIPE, stdout=subprocess.PIPE, stderr=subprocess.PIPE)
>>> obj.stdin.write('print(1) \n')
>>> obj.stdin.write('print(2) \n')
>>> obj.stdin.write('print(3) \n')
>>> out,err = obj.communicate()
>>> print(out)
1
2
3

>>> print(err)

實例3：

>>> obj = subprocess.Popen(["python"], stdin=subprocess.PIPE, stdout=subprocess.PIPE, stderr=subprocess.PIPE)
>>> out,err = obj.communicate(input='print(1) \n')
>>> print(out)
1

>>> print(err)

實例4：

實現相似df -Th | grep data命令的功能，實際上就是實現shell中管道的共功能。

>>> 
>>> p1 = subprocess.Popen(['df', '-Th'], stdout=subprocess.PIPE)
>>> p2 = subprocess.Popen(['grep', 'data'], stdin=p1.stdout, stdout=subprocess.PIPE)
>>> out,err = p2.communicate()
>>> print(out)
/dev/vdb1      ext4      493G  4.8G  463G   2% /data
/dev/vdd1      ext4     1008G  420G  537G  44% /data1
/dev/vde1      ext4      985G  503G  432G  54% /data2

>>> print(err)
None

4、總結

---

那麼咱們到底該用哪一個模塊、哪一個函數來執行命令與系統及系統進行交互呢？下面咱們來作個總結：

• 首先應該知道的是，Python2.4版本引入了subprocess模塊用來替換os.system()、os.popen()、os.spawn*()等函數以及commands模塊；也就是說若是你使用的是Python 2.4及以上的版本就應該使用subprocess模塊了。
• 若是你的應用使用的Python 2.4以上，可是是Python 3.5如下的版本，Python官方給出的建議是使用subprocess.call()函數。Python 2.5中新增了一個subprocess.check_call()函數，Python 2.7中新增了一個subprocess.check_output()函數，這兩個函數也能夠按照需求進行使用。
• 若是你的應用使用的是Python 3.5及以上的版本（目前應該還不多），Python官方給出的建議是儘可能使用subprocess.run()函數。
• 當subprocess.call()、subprocess.check_call()、subprocess.check_output()和subprocess.run()這些高級函數沒法知足需求時，咱們可使用subprocess.Popen類來實現咱們須要的複雜功能。

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