Python面试题之回调函数

0x00 概述

编程分为两类:系统编程(system programming)和应用编程(application programming)。所谓系统编程,简单来说,就是编写;而应用编程就是利用写好的各种库来编写具某种功用的程序,也就是应用。系统程序员会给自己写的库留下一些接口,即API(application programming interface,应用编程接口),以供应用程序员使用。所以在抽象层的图示里,库位于应用的底下。

当程序跑起来时,一般情况下,应用程序(application program)会时常通过API调用库里所预先备好的函数。但是有些库函数(library function)却要求应用先传给它一个函数,好在合适的时候调用,以完成目标任务。这个被传入的、后又被调用的函数就称为回调函数(callback function)。

打个比方,有一家旅馆提供叫醒服务,但是要求旅客自己决定叫醒的方法。可以是打客房电话,也可以是派服务员去敲门,睡得死怕耽误事的,还可以要求往自己头上浇盆水。这里,“叫醒”这个行为是旅馆提供的,相当于库函数,但是叫醒的方式是由旅客决定并告诉旅馆的,也就是回调函数。而旅客告诉旅馆怎么叫醒自己的动作,也就是把回调函数传入库函数的动作,称为登记回调函数(to register a callback function)。如下图所示(图片来源:维基百科):

可以看到,回调函数通常和应用处于同一抽象层(因为传入什么样的回调函数是在应用级别决定的)。而回调就成了一个高层调用底层,底层再过头来用高层的过程。(我认为)这应该是回调最早的应用之处,也是其得名如此的原因。

0x01 回调机制的优势

从上面的例子可以看出,回调机制提供了非常大的灵活性。请注意,从现在开始,我们把图中的库函数改称为中间函数了,这是因为回调并不仅仅用在应用和库之间。任何时候,只要想获得类似于上面情况的灵活性,都可以利用回调。

这种灵活性是怎么实现的呢?乍看起来,回调似乎只是函数间的调用,但仔细一琢磨,可以发现两者之间的一个关键的不同:在回调中,我们利用某种方式,把回调函数像参数一样传入中间函数。可以这么理解,在传入一个回调函数之前,中间函数是不完整的。换句话说,程序可以在运行时,通过登记不同的回调函数,来决定、改变中间函数的行为。这就比简单的函数调用要灵活太多了。请看下面这段Python写成的回调的简单示例:

even.py

#回调函数1
#生成一个2k形式的偶数
def double(x):
    return x * 2
    
#回调函数2
#生成一个4k形式的偶数
def quadruple(x):
    return x * 4

callback_demo.py

from even import *

#中间函数
#接受一个生成偶数的函数作为参数
#返回一个奇数
def getOddNumber(k, getEvenNumber):
    return 1 + getEvenNumber(k)
    
#起始函数,这里是程序的主函数
def main():    
    k = 1
    #当需要生成一个2k+1形式的奇数时
    i = getOddNumber(k, double)
    print(i)
    #当需要一个4k+1形式的奇数时
    i = getOddNumber(k, quadruple)
    print(i)
    #当需要一个8k+1形式的奇数时
    i = getOddNumber(k, lambda x: x * 8)
    print(i)
    
if __name__ == "__main__":
    main()

运行`callback_demp.py`,输出如下:

3
5
9

上面的代码里,给`getOddNumber`传入不同的回调函数,它的表现也不同,这就是回调机制的优势所在。值得一提的是,上面的第三个回调函数是一个匿名函数。

0x02 易被忽略的第三方

通过上面的论述可知,中间函数和回调函数是回调的两个必要部分,不过人们往往忽略了回调里的第三位要角,就是中间函数的调用者。绝大多数情况下,这个调用者可以和程序的主函数等同起来,但为了表示区别,我这里把它称为起始函数(如上面的代码中注释所示)。

之所以特意强调这个第三方,是因为我在网上读相关文章时得到一种印象,很多人把它简单地理解为两个个体之间的来回调用。譬如,很多中文网页在解释“回调”(callback)时,都会提到这么一句话:“If you call me, I will call you back.”我没有查到这句英文的出处。我个人揣测,很多人把起始函数和回调函数看作为一体,大概有两个原因:第一,可能是“回调”这一名字的误导;第二,给中间函数传入什么样的回调函数,是在起始函数里决定的。实际上,回调并不是“你我”两方的互动,而是ABC的三方联动。有了这个清楚的概念,在自己的代码里实现回调时才不容易混淆出错。

另外,回调实际上有两种:阻塞式回调和延迟式回调。两者的区别在于:阻塞式回调里,回调函数的调用一定发生在起始函数返回之前;而延迟式回调里,回调函数的调用有可能是在起始函数返回之后。这里不打算对这两个概率做更深入的讨论,之所以把它们提出来,也是为了说明强调起始函数的重要性。网上的很多文章,提到这两个概念时,只是笼统地说阻塞式回调发生在主调函数返回之前,却没有明确这个主调函数到底是起始函数还是中间函数,不免让人糊涂,所以这里特意说明一下。另外还请注意,本文中所举的示例均为阻塞式回调。延迟式回调通常牵扯到多线程,我自己还没有完全搞明白,所以这里就不多说了。

参考

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