Python的subprocess模塊是一個非常強大的工具，用于啟動和與外部進程進行交互。它允許執行外部命令、訪問系統Shell、管道數據、捕獲輸出和錯誤信息，以及更多。

本文詳細介紹 subprocess模塊的各個方面，包括如何執行外部命令、傳遞參數、處理輸入輸出、錯誤處理以及一些高級應用。

1、介紹

subprocess模塊是Python的標準庫中的一部分，它允許與外部進程進行交互。這對于執行系統命令、調用其他可執行文件、處理數據流以及與其他進程通信非常有用。無論是需要執行簡單的命令還是需要與復雜的外部程序進行交互，subprocess都可以勝任。

在接下來的內容中，我們將學習如何使用subprocess模塊來執行外部命令、處理輸入輸出、捕獲錯誤信息，并探討一些高級用法。我們還會討論一些安全性方面的注意事項，以確保您的程序不受到潛在的安全漏洞的威脅。

2、執行外部命令

（1）使用subprocess.run()

subprocess.run()是Python 3.5及更高版本引入的函數，用于運行外部命令并等待其完成。

以下是一個簡單的示例，演示如何使用subprocess.run()來執行ls命令并獲取其輸出：

import subprocess

result = subprocess.run(["ls", "-l"], stdout=subprocess.PIPE, text=True)
print(result.stdout)

在上面的示例中，subprocess.run()接受一個包含命令及其參數的列表，通過stdout=subprocess.PIPE參數捕獲標準輸出，并使用text=True參數指定輸出為文本。最后，我們打印了result.stdout以獲取ls -l命令的輸出。

（2）使用subprocess.Popen()

subprocess.Popen()提供了更多的靈活性，允許與進程進行交互，而不僅僅是等待它完成。

以下是一個使用subprocess.Popen()的示例，演示如何執行外部命令并獲取其輸出：

import subprocess

# 執行命令
process = subprocess.Popen(["ls", "-l"], stdout=subprocess.PIPE, stderr=subprocess.PIPE, text=True)

# 讀取標準輸出和錯誤
out, err = process.communicate()

print("標準輸出:")
print(out)

print("標準錯誤:")
print(err)

在上面的示例中，首先使用subprocess.Popen()來啟動進程，并指定stdout=subprocess.PIPE和stderr=subprocess.PIPE以捕獲標準輸出和標準錯誤。然后，使用process.communicate()方法來等待進程完成并獲取其輸出。

（3）指定執行路徑

使用cwd參數來指定執行外部命令的工作目錄。例如，要在特定目錄中執行命令，可以這樣做：

import subprocess

result = subprocess.run(["ls", "-l"], stdout=subprocess.PIPE, text=True, cwd="/path/to/directory")
print(result.stdout)

這將在/path/to/directory目錄中執行ls -l命令。

（4）傳遞參數

如果命令需要接受參數，可以將它們作為列表的一部分傳遞給subprocess.run()或subprocess.Popen()。

例如，要將文件名作為參數傳遞給命令，可以這樣做：

import subprocess

filename = "example.txt"
result = subprocess.run(["cat", filename], stdout=subprocess.PIPE, text=True)
print(result.stdout)

這將執行cat example.txt命令，其中filename是文件名。

3、處理輸入輸出

（1）標準輸入

subprocess模塊還可以將數據傳遞給外部命令的標準輸入。要實現這一點，可以使用stdin參數，并將其設置為一個文件對象或一個字節串。

import subprocess

input_data = "Hello, subprocess!"
result = subprocess.run(["grep", "subprocess"], input=input_data, stdout=subprocess.PIPE, text=True)
print(result.stdout)

在上面的示例中，使用input_data將數據傳遞給grep命令的標準輸入，并搜索包含"subprocess"的行。

（2）標準輸出

前面的示例中，已經看到如何捕獲外部命令的標準輸出。通過使用stdout參數，可以將標準輸出重定向到文件、字節串或文件對象。

import subprocess

output_file = open("output.txt", "w")
result = subprocess.run(["ls", "-l"], stdout=output_file, text=True)
output_file.close()

在上面的示例中，我們將ls -l命令的標準輸出重定向到一個名為output.txt的文件。

（3）標準錯誤

與標準輸出類似，subprocess還可以捕獲標準錯誤信息。要捕獲標準錯誤，請使用stderr參數。

import subprocess

result = subprocess.run(["ls", "/nonexistent"], stdout=subprocess.PIPE, stderr=subprocess.PIPE, text=True)
print("標準輸出:")
print(result.stdout)
print("標準錯誤:")
print(result.stderr)

在上面的示例中，執行ls /nonexistent命令，該命令會產生一個錯誤，并將標準輸出和標準錯誤信息捕獲到result.stdout和result.stderr中。

4、錯誤處理

執行外部命令時，通常需要處理錯誤。以下是一些處理錯誤的常用方法：

（1）檢查返回碼

subprocess.run()和subprocess.Popen()返回一個CompletedProcess或Popen對象，其中包含有關命令執行的信息，包括返回碼。返回碼為0表示命令成功執行，非零返回碼表示發生錯誤。

import subprocess

result = subprocess.run(["ls", "/nonexistent"], stdout=subprocess.PIPE, stderr=subprocess.PIPE, text=True)
if result.returncode != 0:
    print("命令執行失敗。")
    print("標準錯誤:")
    print(result.stderr)

在上面的示例中，檢查result.returncode是否為0，如果不是，就表示命令執行失敗。

（2）捕獲錯誤輸出

有時，錯誤信息可能不僅僅包含在返回碼中，還包含在標準錯誤輸出中。可以捕獲標準錯誤輸出并檢查其中的信息。

import subprocess

result = subprocess.run(["ls", "/nonexistent"], stdout=subprocess.PIPE, stderr=subprocess.PIPE, text=True)
if result.returncode != 0:
    print("命令執行失敗。")
    print("錯誤信息:")
    print(result.stderr)

在上面的示例中，我們捕獲標準錯誤輸出，并在發生錯誤時打印它。

5、管道和重定向

subprocess還可以創建管道，將一個命令的輸出連接到另一個命令的輸入。這在處理復雜的數據處理任務時非常有用。

例如，要將一個命令的輸出傳遞給另一個命令，可以這樣做：

import subprocess

# 創建第一個命令的進程
process1 = subprocess.Popen(["ls", "/path/to/directory"], stdout=subprocess.PIPE, text=True)

# 創建第二個命令的進程，將第一個命令的輸出連接到它的輸入
process2 = subprocess.Popen(["grep", "search_term"], stdin=process1.stdout, stdout=subprocess.PIPE, text=True)

# 從第二個命令的標準輸出中讀取結果
result = process2.communicate()[0]
print(result)

在上面的示例中，首先創建第一個命令的進程，然后創建第二個命令的進程，并將第一個命令的輸出連接到第二個命令的輸入。

6、高級應用

（1）同時讀寫標準輸入輸出

subprocess模塊同時讀取和寫入標準輸入和輸出。這對于與外部進程進行雙向通信非常有用。

以下是一個示例，演示如何使用subprocess進行雙向通信：

import subprocess

# 創建命令進程
process = subprocess.Popen(["python", "-u"], stdin=subprocess.PIPE, stdout=subprocess.PIPE, stderr=subprocess.PIPE, text=True, universal_newlines=True)

# 寫入數據到標準輸入
process.stdin.write("print('Hello from child process')\n")
process.stdin.flush()

# 讀取并打印標準輸出
output, errors = process.communicate()
print("標準輸出:")
print(output)

# 打印標準錯誤
print("標準錯誤:")
print(errors)

在上面的示例中，創建了一個子進程，然后向其標準輸入寫入Python代碼，并捕獲其標準輸出和標準錯誤。

（2）超時處理

subprocess還允許您設置執行命令的超時時間，以防止命令運行時間過長。要實現這一點，您可以使用timeout參數。

例如：

import subprocess

try:
    result = subprocess.run(["sleep", "10"], timeout=5, stdout=subprocess.PIPE, text=True)
    print(result.stdout)
except subprocess.TimeoutExpired:
    print("命令執行超時。")

在上面的示例中，試圖運行sleep 10命令，但由于設置了5秒的超時時間，當命令運行時間超過5秒時，將引發subprocess.TimeoutExpired異常。

（3）使用Shell命令

默認情況下，subprocess不會使用Shell來執行命令。這是出于安全考慮，以防止潛在的Shell注入攻擊。但有些情況下，可能需要使用Shell來執行命令，可以將shell參數設置為True。

import subprocess

# 使用Shell執行命令
result = subprocess.run("ls -l | grep .txt", shell=True, stdout=subprocess.PIPE, text=True)
print(result.stdout)

在上面的示例中，我們使用Shell來執行ls -l | grep .txt命令。

7、安全性注意事項

在執行外部命令時，請務必小心處理輸入，以防止潛在的安全漏洞。避免將不受信任的數據傳遞給subprocess，以免受到命令注入攻擊。

確保了解正在執行的命令及其參數，以避免潛在的風險。

總結

Python的subprocess模塊提供了強大的工具，允許與外部進程進行交互。可以使用它執行外部命令、傳遞參數、處理輸入輸出和錯誤信息，以及支持管道和重定向。這為編寫需要與外部程序進行通信的Python應用程序提供了關鍵的功能。

subprocess模塊是Python中處理外部進程交互的重要工具，但在使用時需要注意安全性問題，特別是在處理不受信任的輸入時。熟練掌握這一模塊，將有助于編寫更強大和安全的Python應用程序，能夠與外部程序進行有效通信。