Python3 Pickle 模块详解

在 Python 中，pickle模块是实现对象序列化与反序列化的核心工具，它能将 Python 对象（如列表、字典、类实例等）转换为字节流以便存储或传输，也能将字节流恢复为原始对象。本文将系统讲解pickle模块的工作原理、基本用法、高级特性及注意事项，帮助你在实际开发中灵活运用对象持久化技术。

一、核心概念：序列化与反序列化

序列化（pickling）：将 Python 对象转换为字节流（二进制数据）的过程，便于存储到文件或通过网络传输。
反序列化（unpickling）：将字节流恢复为 Python 对象的过程，从文件或网络数据中重建原始对象。

pickle模块支持几乎所有 Python 内置对象的序列化，包括：

基本数据类型（int、float、str、bool、None）；
容器类型（list、tuple、dict、set）；
自定义类实例、函数、类（需注意特殊处理）。

二、基本用法：pickle 的核心函数

pickle模块的核心功能通过四个函数实现：dump()、dumps()、load()、loads()，区分在于是否直接操作文件对象。

1. 序列化：`dump()`与`dumps()`

pickle.dump(obj, file, protocol=None)：将对象obj序列化后写入文件对象file（需以二进制模式打开）。
pickle.dumps(obj, protocol=None)：将对象obj序列化为字节流（bytes类型），返回该字节流。

示例：序列化基本对象

import pickle# 定义一个复杂对象（包含多种类型）
data = {"name": "Alice","age": 30,"hobbies": ["reading", "hiking"],"is_student": False,"scores": (90.5, 85.0)
}# 方法1：用dumps()序列化为字节流
data_bytes = pickle.dumps(data)
print("序列化结果（字节流）：", data_bytes)  # 输出b'\x80\x04...'（二进制数据）# 方法2：用dump()序列化到文件
with open("data.pkl", "wb") as f:  # 必须用二进制模式"wb"pickle.dump(data, f)

 

2. 反序列化：`load()`与`loads()`

pickle.load(file)：从文件对象file（二进制模式打开）中读取字节流，反序列化为 Python 对象并返回。
pickle.loads(bytes_obj)：将字节流bytes_obj反序列化为 Python 对象并返回。

示例：反序列化恢复对象

import pickle# 方法1：用loads()从字节流反序列化
data_bytes = pickle.dumps({"name": "Alice"})
restored_data = pickle.loads(data_bytes)
print("从字节流恢复：", restored_data)  # 输出 {'name': 'Alice'}# 方法2：用load()从文件反序列化
with open("data.pkl", "rb") as f:  # 必须用二进制模式"rb"restored_from_file = pickle.load(f)
print("从文件恢复：", restored_from_file)  # 输出原始data字典

 

三、高级特性：自定义类的序列化

pickle不仅支持内置对象，还能序列化自定义类的实例，但需要注意类定义的可访问性（反序列化时需能导入原类）。

1. 基本自定义类序列化

import pickleclass Person:def __init__(self, name, age):self.name = nameself.age = agedef greet(self):return f"Hello, I'm {self.name}!"# 创建实例
person = Person("Bob", 25)# 序列化
person_bytes = pickle.dumps(person)# 反序列化（需确保Person类在当前作用域中）
restored_person = pickle.loads(person_bytes)
print(restored_person.greet())  # 输出 "Hello, I'm Bob!"
print(restored_person.age)      # 输出 25

 

2. 自定义序列化逻辑（`getstate`与`setstate`）

默认情况下，pickle会序列化对象的__dict__（实例属性字典），但你可以通过以下方法自定义序列化内容：

__getstate__()：返回需要序列化的数据（如字典），替代默认的__dict__；
__setstate__(state)：接收反序列化后的数据state，用于恢复对象状态。

示例：过滤敏感信息

import pickleclass User:def __init__(self, username, password):self.username = usernameself.password = password  # 敏感信息，不希望被序列化# 自定义序列化内容：只保留usernamedef __getstate__(self):return {"username": self.username}# 自定义反序列化逻辑：恢复状态def __setstate__(self, state):self.username = state["username"]self.password = "default"  # 反序列化时密码设为默认值# 创建实例
user = User("alice123", "secret123")# 序列化
user_bytes = pickle.dumps(user)# 反序列化
restored_user = pickle.loads(user_bytes)
print(restored_user.username)  # 输出 "alice123"
print(restored_user.password)  # 输出 "default"（敏感信息未被序列化）

 

四、协议版本：影响序列化效率与兼容性

pickle支持多种序列化协议（版本），不同版本在效率、兼容性上有差异：

协议 0：文本格式，兼容旧版本 Python（默认在 Python 2 中），效率低；
协议 1：二进制格式，兼容 Python 2 和 3；
协议 2：Python 2.3 + 引入，支持新特性（如新式类）；
协议 3：Python 3.0 + 引入，不兼容 Python 2；
协议 4：Python 3.4 + 引入，支持更大对象、更多类型（如bytes、set等），是 Python 3.8 + 的默认协议。

指定协议版本：通过protocol参数设置（如protocol=4），值越高通常效率越好（但兼容性可能降低）。

import pickledata = [i for i in range(1000)]
# 使用协议4序列化（效率更高）
data_bytes = pickle.dumps(data, protocol=4)

 

五、注意事项：安全与兼容性问题

1. 安全性风险：反序列化不可信数据

pickle反序列化时会执行字节流中包含的代码，若从不可信来源（如网络、未知文件）加载数据，可能导致恶意代码执行（如删除文件、窃取信息）。

禁止反序列化未知来源的数据，若需网络传输，建议使用更安全的格式（如 JSON，仅支持基础类型）。

2. 兼容性问题

类定义变化：若反序列化时的类定义与序列化时不同（如新增 / 删除属性、修改类名），可能导致反序列化失败；
跨版本兼容性：高版本协议（如 4）序列化的数据无法在低版本 Python（如 3.3 以下）中反序列化；
模块路径变化：若类所在的模块路径改变（如从moduleA移到moduleB），反序列化时需确保能正确导入类。

3. 不支持的类型

部分 Python 对象无法被序列化，例如：

生成器、lambda 函数（匿名函数）；
线程、进程、文件对象等与系统资源相关的对象；
某些内置模块的对象（如sys.stdin）。

序列化这些对象会抛出PickleError。

六、实战场景：对象持久化与数据缓存

1. 保存程序状态（持久化）

将程序运行中的关键对象（如配置、中间结果）保存到文件，下次运行时直接恢复，避免重复计算。

import pickle
import timedef expensive_computation():# 模拟耗时计算time.sleep(3)return [i**2 for i in range(1000)]# 检查是否有缓存
try:with open("result_cache.pkl", "rb") as f:result = pickle.load(f)print("从缓存加载结果")
except FileNotFoundError:# 无缓存则计算并保存result = expensive_computation()with open("result_cache.pkl", "wb") as f:pickle.dump(result, f)print("计算完成并缓存")

 

2. 跨进程数据传递

在多进程编程中，pickle是进程间传递复杂对象的默认方式（如multiprocessing模块依赖pickle序列化数据）。

from multiprocessing import Process
import pickledef process_data(data):print("子进程接收数据：", data)if __name__ == "__main__":# 定义复杂对象data = {"task": "process", "params": [1, 2, 3]}# 多进程会自动序列化data并传递给子进程p = Process(target=process_data, args=(data,))p.start()p.join()

七、与 JSON 的对比：何时用 pickle？

特性	`pickle`	JSON
支持类型	几乎所有 Python 对象（类实例、函数等）	仅基础类型（str、int、list、dict 等）
数据格式	二进制（不可读）	文本（人类可读）
安全性	不安全（可能执行恶意代码）	安全（纯数据解析）
跨语言支持	仅 Python	所有主流语言支持
用途	Python 内部对象持久化、进程间通信	跨语言数据交换、配置文件