Python os.pread 函数

上次修改时间：2025 年 4 月 11 日

本综合指南探讨了 Python 的 os.pread 函数，它从文件描述符的特定偏移量处读取数据。我们将涵盖文件描述符、偏移量处理以及实际的底层文件 I/O 示例。

基本定义

os.pread 函数从指定偏移量的文件描述符读取数据，而不更改文件位置。它是线程安全的，并且对于随机访问文件操作很有用。

关键参数：fd（文件描述符），n（要读取的字节数），offset（从中读取的位置）。将读取的字节作为字节对象返回。

基本文件读取

此示例演示了 os.pread 的最简单用法，即从文件中的特定偏移量读取数据。我们首先打开一个文件以获取其描述符。

import os

# Create a test file
with open("data.txt", "w") as f:
    f.write("Hello World! This is a test file.")

# Open file and get descriptor
fd = os.open("data.txt", os.O_RDONLY)

# Read 5 bytes from offset 6
data = os.pread(fd, 5, 6)
print(f"Read data: {data.decode()}")  # Output: World

os.close(fd)

该代码创建一个测试文件，打开它以获取文件描述符，然后使用 os.pread 从偏移量 6 读取“World”。文件位置不受此操作的影响。

请注意，我们使用 os.open 进行底层文件描述符访问，并且必须使用 os.close 手动关闭它。

以块读取大型文件

os.pread 非常适合以特定偏移量按块读取大型文件。此示例演示了如何以固定大小的块处理文件。

import os

# Create a large test file (1MB)
with open("large.bin", "wb") as f:
    f.write(os.urandom(1024 * 1024))

fd = os.open("large.bin", os.O_RDONLY)
chunk_size = 4096  # 4KB chunks
offset = 0

while True:
    data = os.pread(fd, chunk_size, offset)
    if not data:
        break  # End of file
    
    print(f"Read {len(data)} bytes from offset {offset}")
    # Process chunk here
    offset += len(data)

os.close(fd)

这将创建一个 1MB 的随机二进制文件，然后使用 os.pread 以 4KB 的块读取它。每次读取后，偏移量都会手动前进。

该循环持续到 os.pread 返回一个空的字节对象，表示文件结束。每个读取操作都是独立的且线程安全的。

线程安全的并行读取

os.pread 是线程安全的，因为它不会修改文件位置。此示例演示了从多个线程并行读取。

import os
import threading

def read_chunk(fd, offset, size):
    data = os.pread(fd, size, offset)
    print(f"Thread {threading.get_ident()}: Read {len(data)} bytes from {offset}")

# Create test file
with open("parallel.txt", "w") as f:
    f.write("ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ")

fd = os.open("parallel.txt", os.O_RDONLY)

# Create threads to read different sections
threads = []
for i in range(0, 26, 5):
    t = threading.Thread(target=read_chunk, args=(fd, i, 5))
    threads.append(t)
    t.start()

for t in threads:
    t.join()

os.close(fd)

这将创建多个线程，这些线程同时从文件中读取不同的 5 字节块。每个线程都指定自己的偏移量，而不会干扰其他线程。

线程安全性来自 os.pread 不使用或修改传统读取操作将使用的共享文件位置。

从特定文件位置读取

此示例演示了如何使用 os.pread 从结构化二进制文件中读取计算出的位置，类似于数据库记录访问。

import os
import struct

# Create structured binary file
records = [
    struct.pack("i10s", 1, b"Alice"),
    struct.pack("i10s", 2, b"Bob"),
    struct.pack("i10s", 3, b"Charlie")
]
with open("records.bin", "wb") as f:
    f.write(b"".join(records))

fd = os.open("records.bin", os.O_RDONLY)
record_size = struct.calcsize("i10s")

# Read second record
data = os.pread(fd, record_size, record_size)
id, name = struct.unpack("i10s", data)
print(f"Record 2: ID={id}, Name={name.decode().strip()}")

os.close(fd)

我们创建一个具有固定大小记录的二进制文件，然后使用 os.pread 通过计算其偏移量来直接访问第二个记录。

记录大小使用 struct.calcsize 计算，从而可以在文件中精确定位，而无需维护文件位置指针。

处理部分读取

os.pread 可能会返回少于请求的字节数。此示例演示了如何正确处理部分读取和文件结束条件。

import os

# Create small test file
with open("small.txt", "w") as f:
    f.write("Short")

fd = os.open("small.txt", os.O_RDONLY)

# Attempt to read more bytes than available
data = os.pread(fd, 100, 0)
print(f"Read {len(data)} bytes: {data.decode()}")  # Output: 5 bytes

# Read beyond EOF
data = os.pread(fd, 10, 10)
print(f"Read {len(data)} bytes from offset 10")  # Output: 0 bytes

os.close(fd)

第一次读取尝试获取 100 个字节，但仅接收 5 个字节（文件大小）。第二次读取从 EOF 之外开始，并返回一个空的字节对象。

应用程序必须始终检查返回的数据长度，而不是假设读取了请求的字节数。

与常规文件读取比较

此示例将 os.pread 与传统文件读取方法进行对比，显示 os.pread 如何不影响文件位置。

import os

# Create test file
with open("compare.txt", "w") as f:
    f.write("ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ")

fd = os.open("compare.txt", os.O_RDONLY)

# Traditional read (affects position)
os.lseek(fd, 10, os.SEEK_SET)
data1 = os.read(fd, 5)
print(f"Traditional read: {data1.decode()}")  # KLMNO

# pread doesn't affect position
data2 = os.pread(fd, 5, 15)
print(f"pread result: {data2.decode()}")  # PQRST
print(f"Current position: {os.lseek(fd, 0, os.SEEK_CUR)}")  # Still 15

os.close(fd)

在寻址到位置 10 之后，传统的读取会将位置推进到 15。在偏移量 15 处进行的后续 os.pread 不会影响该位置。

这证明了 os.pread 的关键优势：在特定偏移量处读取数据，而不会干扰当前文件位置。

错误处理

此示例显示了 os.pread 的正确错误处理，包括无效的文件描述符、错误的偏移量和中断的系统调用。

import os
import errno

try:
    # Attempt read from invalid descriptor
    data = os.pread(9999, 10, 0)
except OSError as e:
    print(f"Error reading: {e.errno} ({errno.errorcode[e.errno]})")

# Valid file but bad offset
try:
    fd = os.open("example.txt", os.O_RDONLY | os.O_CREAT, 0o644)
    data = os.pread(fd, 10, -5)  # Invalid offset
except OSError as e:
    print(f"Invalid offset error: {e}")
finally:
    if 'fd' in locals():
        os.close(fd)

第一次尝试因 EBADF（错误的文件描述符）而失败。第二次尝试因 EINVAL（由于负偏移量）而失败。始终妥善处理此类错误。

请注意，使用 errno.errorcode 将数字错误代码转换为其符号名称，以便更好地进行错误报告。

性能注意事项

• 线程安全： pread 是原子的，不影响文件位置
• 内核调用： 每个 pread 都是一个单独的系统调用
• 缓冲区大小： 通常，较大的读取效率更高
• 位置跟踪： 无需管理文件位置
• 缓存： 操作系统可能会缓存频繁访问的区域

最佳实践

• 检查返回大小： 始终验证读取的字节数
• 处理错误： 捕获 OSError 以获得健壮的代码
• 使用适当的大小： 在许多小读取和少量大读取之间取得平衡
• 关闭描述符： 始终关闭文件描述符
• 考虑替代方案： 对于简单情况，常规文件对象可能就足够了

资料来源

• Python os.pread 文档
• Linux pread(2) 手册页

作者

我叫 Jan Bodnar，是一位充满激情的程序员，拥有丰富的编程经验。自 2007 年以来，我一直撰写编程文章。迄今为止，我已经撰写了 1,400 多篇文章和 8 本电子书。我拥有超过十年的编程教学经验。

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