第7章: ファイルの入出力とコンテキストマネージャ

この章では、テキストファイルやJSON、CSVファイルの読み書きといった、実践的なファイル操作を学びます。特に、リソース管理を安全かつ簡潔に行うための with 文（コンテキストマネージャ）は、Pythonプログラミングにおいて必須の知識です。

`open()`関数によるファイルのオープン

Pythonでファイルを操作するには、まず組み込み関数の open() を使ってファイルオブジェクトを取得します。open() は少なくとも2つの引数、ファイルパスとモードを取ります。

• ファイルパス: 操作したいファイルへのパス（例: 'data.txt'）。
• モード: ファイルをどのように開くかを指定する文字列。
  • 'r': 読み込み専用（デフォルト）
  • 'w': 書き込み専用（ファイルが存在すれば上書き）
  • 'a': 追記（ファイルの末尾に書き足す）
  • 'x': 新規作成して書き込み（ファイルが存在するとエラー）
  • '+' を付けると読み書き両用になります（例: 'r+', 'w+'）。
  • 'b' を付けるとバイナリモードになります（例: 'rb', 'wb'）。

>>> # 'w' モードでファイルを開く（または新規作成する）
>>> f = open('spam.txt', 'w', encoding='utf-8')
>>> f
<_io.TextIOWrapper name='spam.txt' mode='w' encoding='utf-8'>
>>> # ファイルを使い終わったら必ず閉じる
>>> f.close()

encoding='utf-8' は、特に日本語のような非ASCII文字を扱う際に重要です。文字化けを防ぐため、テキストファイルを扱う際はエンコーディングを明示的に指定することを強く推奨します。ファイルを閉じる close() メソッドを呼び出すまで、ファイルリソースはプログラムによって確保されたままになります。

テキストファイルの読み書き

ファイルオブジェクトのメソッドを使って、ファイルの内容を操作します。

書き込み

write() メソッドは、文字列をファイルに書き込みます。このメソッドは書き込んだ文字数を返します。

>>> f = open('test.txt', 'w', encoding='utf-8')
>>> f.write('こんにちは、世界！\n')
9
>>> f.write('これは2行目です。\n')
9
>>> f.close()

write() は自動的には改行しないため、必要であれば自分で改行コード \n を追加します。

こんにちは、世界！
これは2行目です。

読み込み

ファイルからデータを読み込むには、いくつかの方法があります。

• read(): ファイルの内容全体を一つの文字列として読み込みます。
• readline(): ファイルから1行だけを読み込み、文字列として返します。
• readlines(): ファイルのすべての行を読み込み、各行を要素とするリストで返します。

>>> # 先ほど書き込んだファイルを読み込む
>>> f = open('test.txt', 'r', encoding='utf-8')
>>> content = f.read()
>>> print(content)
こんにちは、世界！
これは2行目です。

>>> f.close()

>>> # readline() を使って1行ずつ読む
>>> f = open('test.txt', 'r', encoding='utf-8')
>>> f.readline()
'こんにちは、世界！\n'
>>> f.readline()
'これは2行目です。\n'
>>> f.readline() # ファイルの終端に達すると空文字列を返す
''
>>> f.close()

`with`文による安全なファイル操作（コンテキストマネージャ）

ファイルを open() したら close() する必要がありますが、処理中に例外が発生すると close() が呼ばれない可能性があります。これを確実に、そして簡潔に書く方法が with 文です。

with 文のブロックを抜けると、ファイルオブジェクトは自動的に close() されます。エラーが発生した場合でも同様です。これは「コンテキストマネージャ」という仕組みによって実現されており、ファイル操作の標準的な方法です。

>>> # with文を使った書き込み
>>> with open('spam.txt', 'w', encoding='utf-8') as f:
...     f.write('withブロックを使っています。\n')
...     f.write('ブロックを抜けると自動で閉じられます。\n')
... 
>>> # ブロックの外ではファイルは閉じている
>>> f.closed
True

>>> # with文を使った読み込み
>>> with open('spam.txt', 'r', encoding='utf-8') as f:
...     data = f.read()
... 
>>> print(data)
withブロックを使っています。
ブロックを抜けると自動で閉じられます。

このように、with 文を使えば close() の呼び出しを忘れる心配がなく、コードもすっきりします。今後は常に with 文を使ってファイルを扱うようにしましょう。

withブロックを使っています。
ブロックを抜けると自動で閉じられます。

`json`モジュールを使ったJSONの操作

JSON (JavaScript Object Notation) は、データ交換フォーマットとして広く使われています。Pythonの標準ライブラリである json モジュールを使うと、Pythonのオブジェクト（辞書やリストなど）をJSON形式のデータに、またはその逆に変換できます。

• json.dump(obj, fp): Pythonオブジェクト obj をJSON形式でファイルオブジェクト fp に書き込みます。
• json.load(fp): JSON形式のファイルオブジェクト fp からデータを読み込み、Pythonオブジェクトに変換します。

>>> import json

>>> # 書き込むデータ（Pythonの辞書）
>>> data = {
...     "name": "Taro Yamada",
...     "age": 30,
...     "is_student": False,
...     "courses": ["Python", "Machine Learning"]
... }

>>> # with文を使ってJSONファイルに書き込む
>>> with open('user.json', 'w', encoding='utf-8') as f:
...     # ensure_ascii=Falseで日本語をそのまま出力
...     json.dump(data, f, indent=4, ensure_ascii=False)
... 

>>> # JSONファイルから読み込む
>>> with open('user.json', 'r', encoding='utf-8') as f:
...     loaded_data = json.load(f)
... 
>>> loaded_data
{'name': 'Taro Yamada', 'age': 30, 'is_student': False, 'courses': ['Python', 'Machine Learning']}
>>> loaded_data['name']
'Taro Yamada'

json.dump() の indent=4 は、人間が読みやすいように4スペースのインデントを付けて出力するオプションです。ensure_ascii=False は、日本語などの非ASCII文字をそのままの文字で出力するために指定します。

{
    "name": "Taro Yamada",
    "age": 30,
    "is_student": false,
    "courses": [
        "Python",
        "Machine Learning"
    ]
}

`csv`モジュールを使ったCSVの操作

CSV (Comma-Separated Values) は、スプレッドシートやデータベースでよく使われる表形式のデータを保存するためのフォーマットです。csv モジュールを使うと、CSVファイルの読み書きが簡単になります。

CSVファイルへの書き込み

csv.writer() を使ってライターオブジェクトを作成し、writerow() (1行) や writerows() (複数行) メソッドでデータを書き込みます。

>>> import csv

>>> # 書き込むデータ（リストのリスト）
>>> data_to_write = [
...     ["ID", "Name", "Score"],
...     [1, "Alice", 95],
...     [2, "Bob", 88],
...     [3, "Charlie", 76]
... ]

>>> # newline='' はWindowsでの不要な空行を防ぐためのおまじない
>>> with open('scores.csv', 'w', newline='', encoding='utf-8') as f:
...     writer = csv.writer(f)
...     writer.writerows(data_to_write)
... 

ID,Name,Score
1,Alice,95
2,Bob,88
3,Charlie,76

CSVファイルの読み込み

csv.reader() を使ってリーダーオブジェクトを作成します。このオブジェクトをループで回すことで、1行ずつリストとしてデータを取得できます。

>>> import csv

>>> with open('scores.csv', 'r', newline='', encoding='-utf-8') as f:
...     reader = csv.reader(f)
...     # リーダーオブジェクトはイテレータなのでforループで回せる
...     for row in reader:
...         print(row)
... 
['ID', 'Name', 'Score']
['1', 'Alice', '95']
['2', 'Bob', '88']
['3', 'Charlie', '76']

注意点として、csvモジュールはすべてのデータを文字列として読み込みます。数値として扱いたい場合は、自分で int() や float() を使って型変換する必要があります。

この章のまとめ

この章では、Pythonを使った基本的なファイルの入出力について学びました。

• open() 関数: ファイルを開き、ファイルオブジェクトを取得するための基本です。モード ('r', 'w', 'a') とエンコーディング ('utf-8') の指定が重要です。
• ファイルメソッド: .read(), .readline(), .write() といったメソッドを使って、ファイルの内容を操作します。
• with 文: ファイルを自動的に閉じるための最も安全で推奨される方法です。コンテキストマネージャの仕組みにより、後片付けが確実に行われます。
• json モジュール: Pythonの辞書やリストを、広く使われているデータ形式であるJSONとして読み書きするために使用します。json.dump() と json.load() が中心的な関数です。
• csv モジュール: カンマ区切りの表形式データを扱うためのモジュールです。csv.writer() と csv.reader() を使って、行単位での読み書きを簡単に行えます。

ファイル操作は、プログラムの設定を保存したり、処理結果を記録したり、他のシステムとデータをやり取りしたりするなど、あらゆるアプリケーションで必要となる基本的なスキルです。

練習問題1: ユーザー情報の書き出しと読み込み

1. 以下の情報を持つユーザーのデータを、Pythonの辞書として作成してください。
   • id: 101
   • name: "Sato Kenji"
   • email: "kenji.sato＠example.com"
2. この辞書を、with 文と json モジュールを使って user_profile.json という名前のファイルに書き出してください。その際、人間が読みやすいようにインデントを付けてください。
3. 書き出した user_profile.json ファイルを読み込み、内容をコンソールに表示してください。

(出力例) {'id': 101, 'name': 'Sato Kenji', 'email': 'kenji.sato@example.com'}

練習問題2: 売上データのCSV集計

あなたは店舗の売上データ（CSV形式）を処理する必要があります。以下の手順でプログラムを作成してください。

1. sales.csv ファイルを読み込みモードで開きます。
2. csv.reader を使ってデータを1行ずつ読み込み、ヘッダー行（1行目）は無視してください。
3. 各商品の「価格」と「数量」を掛け合わせ、その行の売上金額を計算します。
4. すべての商品の合計売上金額を計算し、最後に「合計売上: XXXX円」という形式でコンソールに出力してください。

ヒント: csv モジュールで読み込んだ値はすべて文字列型です。計算する前に int() を使って整数型に変換する必要があります。

商品,価格,数量
リンゴ,120,3
バナナ,80,5
オレンジ,150,2
ブドウ,300,1

(出力例) 合計売上: 1360円