Python内置模块:shutil模块使用教程(文件与目录高级操作实践)

liuian 2025-09-03 03:30 24 浏览

一、shutil模块简介

在Python开发中，文件与目录操作是最基础的需求之一。虽然os模块提供了基础的文件系统交互能力，但对于复制、移动、删除目录、归档压缩等复杂操作，shutil模块（Shell Utility）提供了更高效、更安全的解决方案。

二、知识体系

shutil模块的功能可分为四大类：文件复制/移动/删除、目录操作、归档与压缩、高级工具。以下是知识导图：

注：导图为使用Mermaid语法制作

三、核心功能

3.1 文件操作：复制、移动与删除

3.1.1 复制文件：shutil.copyfile(src, dst[, buffer_size])

定义与原理：
copyfile用于复制文件内容（不复制元数据，如修改时间、权限）。它通过读取源文件的二进制流，并写入目标文件实现复制。

src：源文件路径（需存在）；
dst：目标文件路径（若为目录则自动命名为同名文件；若为文件则覆盖）；
buffer_size：缓冲区大小（默认1MB，影响复制速度）。

要点与技巧：

仅复制文件内容，不保留元数据（如需保留元数据用copy2）；
目标路径的父目录需存在，否则抛出FileNotFoundError；
支持大文件复制（通过调整buffer_size优化内存占用）。

示例代码：

import shutil
import os

# 源文件路径（假设存在test_source.txt）
src_file = "data/source/test_source.txt"

# 目标路径（文件）：覆盖或新建
dst_file1 = "data/dest/test_copy1.txt"

# 目标路径（目录）：自动命名
dst_dir = "data/dest_dir/"
dst_file2 = os.path.join(dst_dir, os.path.basename(src_file))  # 结果：data/dest_dir/test_source.txt

# 创建目标目录（若不存在）
os.makedirs(dst_dir, exist_ok=True)

# 执行复制（缓冲区设为2MB）
shutil.copyfile(src_file, dst_file1, buffer_size=2*1024*1024)
shutil.copyfile(src_file, dst_file2)
print(f"复制成功！源文件大小：{os.path.getsize(src_file)} bytes")
print(f"目标文件1大小：{os.path.getsize(dst_file1)} bytes")
print(f"目标文件2大小：{os.path.getsize(dst_file2)} bytes")

3.1.2 复制文件并保留元数据：shutil.copy2(src, dst)

定义与原理：
copy2是copyfile的增强版，除了复制文件内容外，还会尝试复制源文件的元数据（如修改时间、访问时间、权限）。元数据通过os.stat()获取，并通过os.utime()和os.chmod()设置。
注意事项：

元数据复制可能受系统限制（如Windows不支持所有Unix权限）；
若目标文件已存在，会覆盖其内容但保留原元数据中的修改时间（需手动同步）。

示例对比（copy vs copy2）：
函数 复制内容 保留元数据 适用场景 copyfile 仅文件内容不保留临时文件复制 copy 内容+部分元数据（如权限）部分保留简单文件备份 copy2 内容+完整元数据尽可能保留需严格同步的文件复制

# 测试copy与copy2的元数据差异
src = "test_source.txt"
dst_copy = "test_copy.txt"
dst_copy2 = "test_copy2.txt"
shutil.copy(src, dst_copy)
shutil.copy2(src, dst_copy2)

# 查看修改时间（原文件修改后复制）
import time
print("原文件修改时间：", time.ctime(os.path.getmtime(src)))
print("copy目标修改时间：", time.ctime(os.path.getmtime(dst_copy)))   # 可能与原文件不同

print("copy2目标修改时间：", time.ctime(os.path.getmtime(dst_copy2))) # 接近原文件时间

3.1.3 移动文件/目录：shutil.move(src, dst)

定义与原理：
move用于移动文件或目录（本质是重命名或跨文件系统复制+删除）。若目标路径存在且为目录，则源文件会被移动到该目录下（同名则覆盖）；若为目标文件，则覆盖。
要点与技巧：

跨文件系统（如从C盘到D盘）时，move会先复制再删除源文件；
移动目录时需确保目标目录不存在（否则抛出FileExistsError）；
建议配合os.replace()理解底层逻辑（shutil.move内部调用os.rename或os.replace）。

示例代码：

src_dir = "data/source_dir"
dst_dir = "data/dest_dir"

# 移动目录（目标不存在时）
shutil.move(src_dir, dst_dir)
print(f"目录已移动至：{os.path.abspath(dst_dir)}")

# 移动文件到已有目录（自动命名）
src_file = "data/temp.txt"
shutil.move(src_file, dst_dir)  # 结果：data/dest_dir/temp.txt

3.1.4 删除文件

shutil 模块没有专门删除单个文件的函数，应使用 os 模块的 remove() 函数：os.remove(file_path)。

3.2 目录操作：复制、删除与移动

3.2.1 递归复制目录：shutil.copytree(src, dst[, dirs_exist_ok=False])

定义与原理：
copytree用于递归复制整个目录树（包括子目录和文件）。默认情况下，目标目录dst不能存在，否则抛出FileExistsError（Python 3.8+支持dirs_exist_ok=True允许目录存在并合并内容）。
参数详解：

symlinks：是否复制符号链接（默认False，即复制目标文件而非链接）；
ignore：忽略特定文件/目录（传入可调用对象，参数为当前目录路径和文件列表，返回忽略列表）；
copy_function：自定义复制函数（默认shutil.copy2）。

示例代码（含忽略规则）：

src_dir = "data/project"
dst_dir = "data/project_backup"

# 忽略.git目录和*.tmp文件
def ignore_rules(dirpath, names):
    ignored = []
    if ".git" in names:
        ignored.append(".git")
    for name in names:
        if name.endswith(".tmp"):
            ignored.append(name)
    return ignored

# 复制目录（Python 3.8+支持dirs_exist_ok）
shutil.copytree(
    src_dir,
    dst_dir,
    dirs_exist_ok=True,  # 允许目标目录存在（合并内容）
    ignore=ignore_rules,
    copy_function=shutil.copy2  # 保留元数据
)

3.2.2 递归删除目录：shutil.rmtree(path[, ignore_errors=False, onerror=None])

定义与原理：
rmtree用于递归删除非空目录（通过调用os.unlink()删除文件，os.rmdir()删除空目录）。
注意事项：

危险操作！删除前务必确认路径（可先打印os.listdir(path)确认内容）；
ignore_errors=True会忽略所有错误（如权限不足），但不建议生产环境使用；
onerror可自定义错误处理（如记录日志后重试）。

示例（安全删除）：

dir_to_remove = "data/temp_dir"

# 安全检查：确认目录存在且非空
if os.path.isdir(dir_to_remove) and os.listdir(dir_to_remove):
    try:
        shutil.rmtree(dir_to_remove)
        print(f"目录删除成功：{dir_to_remove}")
    except PermissionError as e:
        print(f"删除失败（权限不足）：{e}")
else:
    print("目录不存在或为空，无需删除")

3.3 归档与压缩：打包与解包

shutil支持常见的归档格式（如ZIP、TAR），通过make_archive和unpack_archive实现。

3.3.1 创建归档：shutil.make_archive(base_name, format[, root_dir=None, ...])

定义与原理：
make_archive用于将目录或文件打包为指定格式的归档文件（如ZIP、TAR.GZ）。
参数详解：

base_name：归档文件的基础名称（不含扩展名，如data/backup会生成backup.zip）；
format：归档格式（zip、tar、gztar、bztar、xztar）；
root_dir：要打包的根目录（默认当前目录）；
owner/group：Unix系统下的所有者和组（默认保留原信息）；
compress：压缩算法（仅对部分格式有效，如gzip对应gztar）。

示例（打包为ZIP）：

# 打包data/project目录为project_20250714.zip
base_name = "project_20250714"
format = "zip"
root_dir = "data/project"

# 生成ZIP文件（自动保存在当前目录）
archive_path = shutil.make_archive(
    base_name,
    format=format,
    root_dir=root_dir,
    compress="zip"  # 显式指定压缩算法（可选）
)
print(f"归档文件已生成：{archive_path}")  # 输出：project_20250714.zip

3.3.2 解包归档：shutil.unpack_archive(filename[, extract_dir=None, format=None])

定义与原理：
unpack_archive用于解压归档文件到指定目录。
示例（解压ZIP）：

archive_file = "project_20250714.zip"
extract_dir = "data/extracted_project"

# 解压到指定目录（自动创建目录）
shutil.unpack_archive(
    filename=archive_file,
    extract_dir=extract_dir,
    format="zip"  # 可选（自动识别时可不写）
)
print(f"归档解压完成，路径：{extract_dir}")

3.4 高级工具：元数据处理与路径查找

3.4.1 复制文件元数据：shutil.copystat(src, dst)

定义与原理：
copystat用于复制源文件的元数据（如修改时间、访问时间、权限）到目标文件或目录。常用于copy2的底层实现。
示例：

src = "test_source.txt"
dst = "test_copied.txt"
shutil.copyfile(src, dst)  # 仅复制内容
shutil.copystat(src, dst)  # 复制元数据（修改时间、权限等）

3.4.2 查找可执行文件路径：shutil.which(cmd)

定义与原理：
which用于在系统环境变量PATH中查找可执行文件的绝对路径（类似Unix的which命令）。
示例：

# 查找python3的路径
python_path = shutil.which("python3")
print(f"python3路径：{python_path}")  # 输出：/usr/bin/python3（或其他系统路径）

四、应用示例

案例1：自动化文件备份脚本

需求：每天将/var/log目录下的日志文件备份到/backup/logs，保留最近7天的备份。

实现思路：

检查备份目录是否存在，不存在则创建；
使用copytree复制/var/log到/backup/logs/$(date +%Y%m%d)；
清理超过7天的旧备份。

代码示例：

import shutil
import os
import time
from datetime import datetime, timedelta

def backup_logs():
    src_dir = "/var/log"
    backup_root = "/backup/logs"
    
    # 创建备份根目录
    os.makedirs(backup_root, exist_ok=True)
    
    # 生成今日备份目录名（如20250714）
    today = datetime.now().strftime("%Y%m%d")
    today_backup = os.path.join(backup_root, today)
    
    # 复制日志目录（覆盖已有备份）
    try:
        shutil.copytree(src_dir, today_backup, dirs_exist_ok=True)
        print(f"今日备份成功：{today_backup}")
    except Exception as e:
        print(f"备份失败：{e}")
        return
    
    # 清理7天前的备份
    cutoff_time = time.time() - 7 * 86400  # 7天的秒数
    for dir_name in os.listdir(backup_root):
        dir_path = os.path.join(backup_root, dir_name)
        if os.path.isdir(dir_path):
            # 获取目录修改时间（备份完成时间）
            mtime = os.path.getmtime(dir_path)
            if mtime < cutoff_time:
                shutil.rmtree(dir_path)
                print(f"清理旧备份：{dir_path}")

if __name__ == "__main__":
    backup_logs()

案例2：整理下载目录（按文件类型分类）

需求：将~/Downloads目录下的文件按类型（图片、文档、压缩包）移动到子目录Images、Documents、Archives。

实现思路：

定义文件类型与目标目录的映射（如.jpg→Images）；
遍历Downloads目录下的所有文件；
根据扩展名判断目标目录，移动文件（跳过已存在的目录）。

代码示例：

import shutil
import os
from pathlib import Path

def organize_downloads():
    download_dir = Path.home() / "Downloads"
    # 文件类型映射（扩展名→目标目录名）
    type_map = {
        "jpg": "Images",
        "png": "Images",
        "pdf": "Documents",
        "docx": "Documents",
        "zip": "Archives",
        "tar.gz": "Archives"
    }
    
    # 创建目标目录（若不存在）
    for dir_name in type_map.values():
        target_dir = download_dir / dir_name
        os.makedirs(target_dir, exist_ok=True)
    
    # 遍历下载目录的文件（跳过子目录）
    for file_path in download_dir.iterdir():
        if file_path.is_file():
            # 获取文件扩展名（转为小写）
            ext = file_path.suffix[1:].lower()  # 去掉点，如"jpg"
            # 查找匹配的目标目录
            target_dir_name = next(
                (name for ext_pattern, name in type_map.items() if ext == ext_pattern),
                "Others"  # 未匹配的归为Others
            )
            target_dir = download_dir / target_dir_name
            
            # 移动文件（避免覆盖，若存在则重命名）
            target_path = target_dir / file_path.name
            if target_path.exists():
                # 重命名（如file.jpg→file_1.jpg）
                base, ext = os.path.splitext(file_path.name)
                counter = 1
                while True:
                    new_name = f"{base}_{counter}{ext}"
                    new_path = target_dir / new_name
                    if not new_path.exists():
                        target_path = new_path
                        break
                    counter += 1
            
            shutil.move(str(file_path), str(target_path))
            print(f"移动文件：{file_path} → {target_path}")

if __name__ == "__main__":
    organize_downloads()

五、扩展学习：结合其他模块应用

5.1 与os模块协同

shutil依赖os模块处理路径和基础文件操作，例如：

用os.path.exists()检查路径是否存在；
用os.makedirs()创建多级目录；
用os.path.getsize()获取文件大小（验证复制完整性）。

5.2 日志记录与异常处理

生产环境中，建议使用logging模块记录操作日志，并捕获shutil可能抛出的异常（如OSError、PermissionError）：

import logging

logging.basicConfig(filename="shutil_ops.log", level=logging.INFO)

try:
    shutil.copytree("src", "dst")
    logging.info("目录复制成功")
except Exception as e:
    logging.error(f"目录复制失败：{str(e)}")

5.3 异步操作优化

对于大文件或大量文件的复制，可使用asyncio配合aiofiles实现异步IO，提升效率（需Python 3.7+）：

import asyncio
import aiofiles

async def async_copyfile(src, dst, buffer_size=1024*1024):
    async with aiofiles.open(src, "rb") as f_src:
        async with aiofiles.open(dst, "wb") as f_dst:
            while chunk := await f_src.read(buffer_size):
                await f_dst.write(chunk)

# 使用示例
asyncio.run(async_copyfile("large_file.zip", "backup_large_file.zip"))

六、总结

6.1 学习路线图

6.2 学习总结

核心函数：copyfile/copy2（文件复制）、copytree（目录复制）、move（移动）、rmtree（删除目录）、make_archive（归档）；
注意事项：目标路径父目录需存在、目录复制不可覆盖、元数据复制需用copy2；
最佳实践：优先使用copy2保留元数据、大文件操作使用缓冲区、生产环境添加日志和异常处理。