# 第 4-1 课：PostgreSQL 与 Psycopg 入门

## 一、本课定位

你已经掌握 SQL、事务和 Java 数据库开发，因此本课不再从表、字段和增删改查讲起，而是集中回答一个问题：Python 程序怎样安全地连接 PostgreSQL 并执行 SQL？

Python 数据库 API（Database API，DB-API）规定了数据库驱动的通用操作方式。Psycopg 3 是 PostgreSQL 的 Python 驱动，本课会把它与 JDBC 逐项对照。

## 二、本课目标

完成本课后，你将能够：

1. 解释 DB-API、Psycopg 和 PostgreSQL 的关系；
2. 使用本地 TOML 文件保存数据库连接配置；
3. 使用 `psycopg.connect()` 创建连接；
4. 使用游标执行只读 SQL 并取得结果；
5. 使用参数化查询传递数据；
6. 使用 `with` 自动释放连接和游标；
7. 对照 JDBC 理解 Python 数据库代码；
8. 识别连接失败、依赖缺失和参数占位符错误。

## 三、前置知识

本课默认已经掌握：

- PostgreSQL 数据库地址、端口、数据库、用户名和密码的含义；
- `SELECT` 基础语法；
- JDBC 的 `Connection`、`PreparedStatement` 和 `ResultSet`；
- Python 函数、异常、上下文管理器和文件读取基础。

本课只连接专用练习数据库。不要连接生产数据库，也不要使用具有创建用户、删除数据库等高权限的账号。

## 四、DB-API、Psycopg 与 JDBC

DB-API 是 Python 数据库驱动遵循的接口约定，不是一个需要单独安装的框架。不同数据库有不同驱动，但常见操作方式比较统一。

| Java/JDBC | Python/Psycopg | 作用 |
|---|---|---|
| PostgreSQL JDBC Driver | Psycopg 3 | 与 PostgreSQL 通信 |
| `DriverManager.getConnection()` | `psycopg.connect()` | 创建数据库连接 |
| `Connection` | `Connection` | 表示一次数据库会话 |
| `PreparedStatement` | `Cursor.execute(sql, params)` | 执行参数化 SQL |
| `ResultSet` | `Cursor` 和 `fetchone()` 等方法 | 读取查询结果 |
| `try-with-resources` | `with` | 自动释放资源 |
| `SQLException` | `psycopg.Error` | 表示数据库访问错误 |

Psycopg 的游标（Cursor）同时承担“执行 SQL”和“读取结果”的职责。它不是数据库界面中的鼠标光标。

## 五、准备远程练习数据库

建议为课程准备：

- 一个独立数据库，例如 `python_course`；
- 一个专用账号，例如 `python_student`；
- 只授予课程所需权限；
- 不与生产环境或其他重要测试数据共用。

本课不使用环境变量，也不要求把所有信息拼成数据库连接串，而是把连接参数分字段写入 TOML 配置：

```toml
[postgresql]
host = "数据库主机"
port = 5432
dbname = "数据库名"
user = "用户名"
password = "密码"
connect_timeout = 10
```

仓库中的 [config.example.toml](./config.example.toml) 只包含占位内容，可以提交 Git。实际配置写入同目录的 `config.toml`，该文件已经被项目 `.gitignore` 排除。

TOML（Tom's Obvious Minimal Language）是一种结构化配置格式。Python 3.11 及以上版本内置 `tomllib`，读取 TOML 不需要安装额外依赖，也不会修改操作系统或当前进程的环境变量。

## 六、安装 Psycopg 3

你当前使用 Conda 的 `base` 环境，可以直接安装 Psycopg：

```powershell
conda install -n base -c conda-forge "psycopg>=3,<4" psycopg-c
```

安装完成后验证：

```powershell
python -c "import psycopg; print(psycopg.__version__)"
```

如果以后改用 Python 虚拟环境，也可以使用 `requirements.txt` 安装。无论使用哪种方式，导入时都写 `import psycopg`，不是 `import psycopg3`。

## 七、创建本地 TOML 配置

进入本课目录，复制配置模板：

```powershell
Copy-Item .\config.example.toml .\config.toml
```

然后只在本地 `config.toml` 中填写真实的主机、端口、数据库名、用户名和密码。程序通过 Python 文件自身的位置寻找配置，因此从项目根目录或课程目录启动都可以。

### 7.1 为什么选择 TOML

- Python 3.13 可以直接使用内置 `tomllib`；
- 字段和类型清楚，端口可以保持整数；
- 不需要污染环境变量；
- 比 XML 简洁，比 YAML 少一个第三方解析依赖；
- 配置节结构与 Java 项目的 YAML、Properties 配置思路相近。

### 7.2 代码硬编码可以怎么写

从技术上可以直接构造字典：

```python
database_config = {
    "host": "数据库主机",
    "port": 5432,
    "dbname": "数据库名",
    "user": "用户名",
    "password": "密码",
}
```

这能帮助理解 `psycopg.connect()` 接收哪些参数，但真实密码一旦硬编码（Hard Coding）就可能进入 Git 历史。本课程标准示例使用 `config.toml`；如自行尝试硬编码，只能放在不提交的个人练习文件中。

## 八、完整示例

示例文件为 [connection_example.py](./connection_example.py)。核心结构如下：

```python
database_config = load_database_config(CONFIG_PATH)

with psycopg.connect(**database_config) as connection:
    with connection.cursor() as cursor:
        cursor.execute(
            "SELECT current_database(), current_user, %s::text",
            ("Psycopg 连接成功",),
        )
        database_name, user_name, message = cursor.fetchone()
```

示例只读取当前数据库名和当前用户，不创建表、不修改数据。

### 8.1 为什么参数使用 `%s`

Psycopg 使用 `%s` 表示值参数，即使参数是整数也仍然使用 `%s`。参数值通过 `execute()` 的第二个参数单独传入：

```python
cursor.execute("SELECT %s::text", (message,))
```

不要使用 f-string、字符串拼接或 `%` 运算符把数据直接写进 SQL：

```python
# 错误示例：数据被直接拼进 SQL，可能产生 SQL 注入。
cursor.execute(f"SELECT '{message}'")
```

### 8.2 单个参数为什么有逗号

```python
(message,)
```

这是只有一个元素的元组。写成 `(message)` 只是在字符串外加括号，不是元组。

### 8.3 with 做了什么

- 离开游标的 `with` 时关闭游标；
- 离开连接的 `with` 时结束事务并关闭连接；
- 正常离开连接块时提交当前事务；
- 块内出现异常时回滚当前事务。

本课执行的是只读查询，但仍要建立正确的资源和事务管理习惯。

## 九、运行方法

确认 `config.toml` 已经创建并填写完成，然后在项目根目录运行：

```powershell
python .\04_数据库\4_1_PostgreSQL与Psycopg入门\connection_example.py
```

正常情况下会看到类似结果：

```text
连接成功。
当前数据库：python_course
当前用户：python_student
参数化查询结果：Psycopg 连接成功
```

数据库名和用户名应以你的远程练习环境为准。

## 十、关键执行顺序

1. `main()` 调用 `load_database_config(CONFIG_PATH)`；
2. `Path` 根据当前 Python 文件的位置定位 `config.toml`；
3. `tomllib.load()` 读取 `[postgresql]` 配置节；
4. 缺少文件、配置节或必填字段时主动抛出中文 `RuntimeError`；
5. `psycopg.connect(**database_config)` 把字典展开为连接参数；
6. `connection.cursor()` 创建游标；
7. `cursor.execute()` 将 SQL 和查询参数分别交给驱动；
8. `cursor.fetchone()` 读取一行结果；
9. 两层 `with` 依次释放游标和连接；
10. `main()` 输出结果，并分别处理配置异常和数据库异常。

## 十一、常见错误

### 11.1 `ModuleNotFoundError: No module named 'psycopg'`

含义：当前 Python 环境没有安装 Psycopg。

处理：激活 `.venv`，再使用本课的 `requirements.txt` 安装依赖。可以运行 `python -m pip show psycopg` 检查安装位置。

### 11.2 未找到 `config.toml`

含义：本课目录中还没有实际配置文件。

处理：把 `config.example.toml` 复制为 `config.toml` 并填写连接参数。不要直接把真实信息写进示例模板。

### 11.3 TOML 格式错误

含义：配置不符合 TOML 语法，例如字符串缺少引号或同一个键重复出现。

处理：对照 `config.example.toml` 检查配置节、等号、引号和字段名。

### 11.4 `connection refused` 或连接超时

含义：程序无法到达数据库地址和端口。

检查数据库服务、主机名、端口、防火墙、白名单和 VPN，不要先假设一定是密码错误。

### 11.5 `password authentication failed`

含义：服务器已经收到连接，但用户名或密码校验失败。

检查 `config.toml` 中的账号、密码和数据库名。分字段传参时无需手动拼接 URL，也避免了连接串中特殊字符编码问题。

### 11.6 `execute()` 参数写错

下面两种写法都不符合本课要求：

```python
cursor.execute("SELECT '%s'", (message,))
cursor.execute("SELECT %s", message)
```

占位符外不要加引号，参数序列只有一个值时要写成 `(message,)`。

### 11.7 使用 `fetchone()` 却没有处理空结果

`fetchone()` 在没有数据时可能返回 `None`。本课查询必然返回一行，所以可以直接解包；以后查询业务表时必须判断空结果。

## 十二、课堂练习

打开 [practice.py](./practice.py)，按照注释完成练习。练习要求你独立完成：

1. 使用 `Path` 定位本地 `config.toml`；
2. 使用 `tomllib` 读取 PostgreSQL 配置；
3. 使用两层 `with` 管理连接和游标；
4. 执行包含两个参数的只读查询；
5. 使用 `fetchone()` 保存并输出结果；
6. 分别捕获配置读取异常和数据库访问异常。

练习仍然只执行只读 SQL，不创建、修改或删除远程数据。

## 十三、本课小结

- DB-API 是 Python 数据库驱动的通用接口约定；
- Psycopg 3 是 PostgreSQL 的 Python 驱动；
- Psycopg 的基础层次与 JDBC 相似；
- `Connection` 表示数据库会话，`Cursor` 负责执行 SQL 和读取结果；
- SQL 与参数必须分开传递；
- `with` 用于可靠地结束事务和释放资源；
- 数据库密码保存在被 Git 忽略的本地 TOML 配置中，不写入环境变量或源码。

## 十四、验收标准

- 能说明 DB-API、Psycopg 和 PostgreSQL 的关系；
- 能说出 Psycopg 与 JDBC 的主要对象对应关系；
- 能复制模板并通过本地 `config.toml` 配置连接参数；
- `connection_example.py` 可以连接练习数据库并输出三项查询结果；
- `practice.py` 使用参数化查询，没有拼接 SQL；
- 连接和游标都通过 `with` 管理；
- 能区分网络不可达、认证失败和依赖缺失；
- 程序没有读取、设置或修改环境变量；
- 未把 `config.toml` 或真实数据库连接信息写入 Git 跟踪文件。