¿Cómo abrir un archivo tanto para leer como para escribir?

Así es como se lee un archivo y luego se escribe en él (sobrescribiendo los datos existentes), sin necesidad de cerrarlo y volver a abrirlo:

with open(filename, "r+") as f:
    data = f.read()
    f.seek(0)
    f.write(output)
    f.truncate()

r+ es el modo canónico para leer y escribir al mismo tiempo. Esto no es diferente de usar la llamada al sistema fopen() ya que file() / open() es sólo una pequeña envoltura alrededor de esta llamada al sistema operativo.

He probado algo así y funciona como se esperaba:

f = open("c:\\log.log", 'r+b')
f.write("\x5F\x9D\x3E")
f.read(100)
f.close()

Donde:

f.read(size) - Para leer el contenido de un archivo, llama a f.read(size), que lee cierta cantidad de datos y los devuelve como una cadena.

Y:

f.write(string) escribe el contenido de la cadena en el archivo, devolviendo Ninguno.

También si abres tutorial de Python sobre lectura y escritura de archivos encontrarás que:

'r+' abre el fichero tanto para leer como para escribir.

En Windows, 'b' anexado al modo abre el archivo en modo binario, por lo que También hay modos como 'rb', 'wb', y 'r+b'.