Python 装饰器和闭包

Python 装饰器和闭包

装饰器是 Python 中常见的语法糖,这篇文章讲了闭包和装饰器的原理,并且分析了函数中变量的作用域,以及尝试总结了常见的坑。

装饰器基础

首先来看看装饰器的定义:装饰器本身是一个可调用对象,接收一个函数作为参数,然后将其返回或替换成另一个函数或可调用对象。可以理解成,原来那是一堵白墙,经过了一层装饰,这层装饰可能是漆也可能把墙掏空镶进一层黄金变得金光闪闪,最后呈现在你眼前的就是装饰后的样子。

严格来说,装饰器只是语法糖,可以把它完全当成常规函数来调用,其参数是另一个函数。装饰器有两大特征,一是能把被装饰的函数替换成其他函数,二是装饰器在加载函数时立即执行。用一个 来看看这两个特性:

运行结果:

可以看出,装饰器 将函数 替换成了另一个函数,就好比在原来的墙上刷了一层红漆。而装饰器在被装饰的函数被定义时立即执行,而被装饰的函数在运行的时候才执行,这也是导入时和运行时的区别。

闭包

通常函数里声明的局部变量的作用范围是函数内,而未声明的变量视为全局变量,如果连全局变量都没有声明,就是 bug 了。但是 Python 的设计是不要求声明变量,那么函数中变量的作用范围就不一样了,为了延长作用范围,引进了闭包。下面一一做解析。

函数中变量的作用范围

Python 中不要求声明变量,但是假定在函数定义体中赋值的变量是局部变量。如果在函数中赋值时想把某变量当成全局变量,需要使用 声明:

闭包的定义

闭包是指延伸了作用域的函数,其中包含函数定义体中引用、但不在定义体中定义的非全局变量。来看个:

运行结果: 。可以看出,变量 是在函数 外定义的,这称作自由变量,指未在本地作用域中绑定的变量。而 的闭包衍生到函数的作用域之外,包含自由变量 的绑定。在之前的文章《Python 一等函数》中讲到,函数的 属性指 “编译成字节码的函数元数据和函数定义体”,意思是指编译后的函数定义体,保存了局部变量和自由变量的名称。我们可以用上面的查看。

闭包实际上也是一种函数,但是会保留自由变量的绑定,这样在调用函数时,虽然定义作用域不可用了,但是这些绑定仍然能够使用。

闭包中的坑

上面刷墙的中,自由变量是个可变类型的变量。但是当这个自由变量是个不可变类型的时候,比如数字、字符串、元组等,就掉进坑里了。我们把上个稍作修改:

运行后出错:

可以看到报错提示是赋值前引用了局部变量 。这是因为闭包中定义的自由变量 被赋值为 0, 这是不可变量,只能读取不能更新。而函数 中 其实是重新绑定,会隐式创建了一个局部变量 ,也就意味着这个时候 不再是之前那个自由变量,自然不会保存在闭包里。

nonlocal 声明

为了从上面这种坑中跳出来,Python3 引入了 声明,作用是将变量标记为自由变量,也就意味着我们可以对做了 声明的变量进行修改。上面的修改后如下:

运行结果:

functools.wraps

理论上讲,被装饰后的函数在被调用后成了另一个函数。但是往往我们需要装饰器实现的作用是:在增强一部分逻辑的基础上,不改变原函数的属性和方法。而 Python 标准库中 functools.wraps 就是实现这个功能的。 wraps 把相关属性从原函数复制到装饰器中,并且能够正确处理关键字参数。

运行结果:

带参数的装饰器

既然装饰器本质上就是一个函数,那装饰器也可以传参。那么具体应该怎么做呢?在 Python 中需要建立一个装饰器工厂函数,把参数传给它,再返回一个装饰器,然后应用到要装饰的函数上。

运行结果:

虽然看上去 是作为装饰器使用,但是它却不是真正意义上的装饰器,而是一个装饰器工厂函数,其返回的是装饰器。所以带参数的装饰器需要两层嵌套的结构才能实现。

单分派泛函数

在程序中,一种很常见的场景就是需要根据一个变量取不同值时,分别调用不同的函数或对象来适应不同的应用场景。比如我们上面刷墙的例子中,我需要根据输入变量的类型来做不同的事情,而 Python 不支持重载函数,所以 Python 中常用的方式将 函数变成分派函数,用 调用不同的函数,这样十分不利于代码管理。

Python 3.4 中新增的装饰器 为这种情况提供了很便利的方案:把整体方案拆分成多个模块,甚至可以为你无法修改的类提供专门的函数,而被 装饰的函数就成了泛函数,即根据第一个参数的类型,以不同方式执行相同操作的一组函数。我们使用这一方案来改装上面的:

运行结果:

的优点是支持模块化扩展:各个模块可以为它支持的各个类型注册一个专门函数,也就变相地实现了函数重载。

类实现装饰器

Python 中一切皆对象,那么装饰器也可以通过类来实现。而当我们需要在装饰器中实现一些比较复杂的逻辑的时候,函数明显不够用,用类实现是最好的选择。

用类来实现装饰器做法跟函数一样,同样是需要语法糖 ,然而 是直接调用后面的对象,所以这里跟函数不同的是,需要实现类的 方法来接受参数, 方法来实现调用。我们用类来重构上面刷墙的。

甚至还可以将类作为装饰器参数,只要实现不同的类,共用一套装饰器的逻辑,就能有更多的玩法。

上面这个中需要注意的就是每个装饰器的类参数,都需要实现一个类函数 。

总结

到这里本文关于装饰器的内容就介绍完了。主要从装饰器、函数的变量作用域、闭包以及不同的方法实现装饰器等方面,对装饰器进行了介绍。灵活运用装饰器的不同实现方法,可以实现很多好玩的功能。

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