Python 中的函數裝飾器和閉包詳解
函數裝飾器可以被用於增強方法的某些行為，如果想自己實現裝飾器，則必須瞭解閉包的概念。
裝飾器的基本概念
裝飾器是一個可調用對象，它的參數是另一個函數，稱為被裝飾函數。裝飾器可以修改這個函數再將其返回，也可以將其替換為另一個函數或者可調用對象。
例如：有個名為 decorate 的裝飾器：
@decorate
def target():
print('running target()')
上述代碼的寫法和以下寫法的效果是一樣的：
def target():
print('running target()')
target = decorate(target)
但是，它們返回的 target 不一定是原來的那個 target 函數，例如下面這個例子：
>>> def deco(func):
... def inner():
... print('running inner()')
... return inner
...
>>> @deco
... def target():
... print('running target()')
...
>>> target()
running inner()
>>> target
<function deco.<locals>.inner at 0x0000013D88563040>
可以看到，調用 target 函數執行的是 inner 函數，這裡的 target 實際上是 inner 的引用。
何時執行裝飾器
裝飾器的另一個關鍵特性是，它們在被裝飾函數定義時立即執行，這通常是發生在導入模塊的時候。
例如下面的這個模塊：registration.py
# 存儲被裝飾器 @register 裝飾的函數
registry = []
# 裝飾器
def register(func):
print(f"註冊函數 -> {func}")
# 記錄被裝飾的函數
registry.append(func)
return func
@register
def f1():
print("執行 f1()")
@register
def f2():
print("執行 f2()")
def f3():
print("執行 f3()")
if __name__ == "__main__":
print("執行主函數")
print("registry -> ", registry)
f1()
f2()
f3()
現在我們在命令行執行這個腳本：
$ python registration.py 註冊函數 -> <function f1 at 0x000001F6FC8320D0> 註冊函數 -> <function f2 at 0x000001F6FC832160> 執行主函數 registry -> [<function f1 at 0x000001F6FC8320D0>, <function f2 at 0x000001F6FC832160>] 執行 f1() 執行 f2() 執行 f3()
這裡我們可以看到，在主函數執行之前，register 已經執行瞭兩次。加載模塊後，registry 中已經有兩個被裝飾函數的引用：f1 和 f2。不過這兩個函數以及 f3 都是在腳本中明確調用後才開始執行的。
如果隻是單純的導入 registration.py 模塊而不運行：
>>> import registration 註冊函數 -> <function f1 at 0x0000022670012280> 註冊函數 -> <function f2 at 0x0000022670012310>
查看 registry 中的值：
>>> registration.registry [<function f1 at 0x0000022670012280>, <function f2 at 0x0000022670012310>]
這個例子主要說明：裝飾器在導入模塊時立即執行，而被裝飾的函數隻有在明確調用時才運行。這也突出瞭 Python 中導入時和運行時這個兩個概念的區別。
在裝飾器的實際使用中，有兩點和示例是不同的：
- 示例中裝飾器和被裝飾函數在同一個模塊中。實際使用中，裝飾器通常在一個單獨的模塊中定義，然後再應用到其它模塊的函數上。
- 示例中
register裝飾器返回的函數和傳入的參數相同。實際使用中，裝飾器會在內部定義一個新函數，然後將其返回。
裝飾器內部定義並返回新函數的做法需要靠閉包才能正常運作。為瞭理解閉包，則必須先瞭解 Python 中的變量作用域。
變量作用域的規則
我們來看下面這個例子，一個函數讀取一個局部變量 a，一個全局變量 b。
>>> def f1(a): ... print(a) ... print(b) ... >>> f1(3) 3 Traceback (most recent call last): File "<stdin>", line 1, in <module> File "<stdin>", line 3, in f1 NameError: name 'b' is not defined
出現錯誤並不奇怪。如果我們先給 b 賦值，再調用 f1，那就不會出錯瞭：
>>> b = 1 >>> f1(3) 3 1
現在，我們來看一個不尋常的例子：
>>> b = 1 >>> def f2(a): ... print(a) ... print(b) ... b = 2 ... >>> f2(3) 3 Traceback (most recent call last): File "<stdin>", line 1, in <module> File "<stdin>", line 3, in f2 UnboundLocalError: local variable 'b' referenced before assignment
這裡，f2 函數的前兩行和 f1 相同，然後再給 b 賦值。可是，在賦值之前，第二個 print 失敗瞭。這是因為Python 在編譯函數的定義體時，發現在函數中有給 b 賦值的語句，因此判斷它是局部變量。而在上述示例中，當我們打印局部變量 b 時，它並沒有被綁定值，故而報錯。
Python 不要求聲明變量，但是會把在函數定義體中賦值的變量當成局部變量。
如果想把上述示例中的 b 看成全局變量，則需要使用 global 聲明：
>>> b = 1 >>> def f3(a): ... global b ... print(a) ... print(b) ... b = 2 ... >>> f3(3) 3 1 >>> b 2 >>> f3(3) 3 2
閉包
閉包是指延伸瞭作用域的函數，其中包含瞭函數定義體中的引用，以及不在定義體中定義的非全局變量。
我們通過以下示例來理解這句話。
假設我們有這種需求，計算某個商品在整個歷史中的平均收盤價格（商品每天的價格會變化）。例如：
>>> avg(10) 10.0 >>> avg(11) 10.5 >>> avg(12) 11.0
那麼如何獲取 avg 函數？歷史收盤價格又是如何保存的？
我們可以用一個類來實現：
class Averager: def __init__(self): self.serial = [] def __call__(self, price): self.serial.append(price) return sum(self.serial) / len(self.serial)
Averager 的實例是一個可調用對象。
>>> avg = Averager() >>> avg(10) 10.0 >>> avg(11) 10.5 >>> avg(12) 11.0
也可以使用一個函數來實現：
>>> def make_averager(): ... serial = [] ... def averager(price): ... serial.append(price) ... return sum(serial) / len(serial) ... return averager ... >>> avg = make_averager() >>> avg(10) 10.0 >>> avg(11) 10.5 >>> avg(12) 11.0
第一種寫法很明顯的可以看到，所有歷史收盤價均保存在實例變量 self.serial 中。
第二種寫法我們要好好的分析一下：serial 是 make_averager 的局部變量，但是當我們調用 avg(10) 時，make_averager 函數已經返回瞭，它的作用域不是應該消失瞭嗎？
實際上，在 averager 函數中，serial 是自由變量（未在本地作用域中綁定的變量）。如下圖所示：
我們可以在 averager 返回對象的 __code__ 屬性中查看它的局部變量和自由變量的名字。
>>> avg.__code__.co_varnames
('price',)
>>> avg.__code__.co_freevars
('serial',)
自由變量 serial 綁定的值存放在 avg 對象的 __closure__ 屬性中，它是一個元組，裡面的元素是 cell 對象，它的 cell_contents 屬性保存實際的值：
>>> avg.__closure__ (<cell at 0x000002266FF99430: list object at 0x00000226702841C0>,) >>> avg.__closure__[0].cell_contents [10, 11, 12]
綜上所述，閉包是一種函數，它會保留定義函數時存在的自由變量的綁定值，這樣在我們調用這個函數時，即使作用域不在瞭，仍然可以使用這些綁定的值。
註意：
隻有嵌套在其它函數中的函數才可能需要處理不在全局作用域中的外部變量。
nonlocal 聲明
前面的 make_averager 方法的效率並不高，我們可以隻保存當前的總值和元素個數，再使用它們計算平均值。下面是我們更改後的函數體：
>>> def make_averager(): ... count = total = 0 ... def averager(price): ... count += 1 ... total += price ... return total / count ... return averager
但是這個寫法實際上是有問題的，我們先運行再分析：
>>> avg = make_averager() >>> avg(10) Traceback (most recent call last): File "<stdin>", line 1, in <module> File "<stdin>", line 4, in averager UnboundLocalError: local variable 'count' referenced before assignment
這裡 count 被當成 averager 的局部變量，而不是我們期望的自由變量。這是因為 count += 1 相當於 count = count + 1。因此，我們在 averager 函數體中實際包含瞭給 count 賦值的操作，這就把 count 變成局部變量。total 也有這個問題。
為瞭解決這個問題，Python3 引入瞭 nonlocal 關鍵字，用於聲明自由變量。使用 nonlocal 修改上述的例子：
>>> def make_averager(): ... count = total = 0 ... def averager(price): ... nonlocal count, total ... count += 1 ... total += price ... return total / count ... return averager ... >>> avg = make_averager() >>> avg(10) 10.0 >>> avg(11) 10.5 >>> avg(12) 11.0
疊放裝飾器
如果我們把 @d1 和 @d2 兩個裝飾器應用到同一個函數 f() 上，實際相當於 f = d1(d2(f))。
也就是說，下屬代碼：
@d1 @d2 def f(): pass
等同於：
def f(): pass f = d1(d2(f))
參數化裝飾器
Python 會把被裝飾的參數作為第一個參數傳遞給裝飾器函數，那麼如何讓裝飾器接受其它的參數呢？這裡我們需要定義一個裝飾器工廠函數，返回真正的裝飾器函數。
以本文開頭的 register 裝飾器為例，我們為它添加一個 active 參數，如果置為 False，那就不註冊這個函數。
registry = []
def register(active=True):
def decorate(func):
if active:
print(f"註冊函數 -> {func}")
# 記錄被裝飾的函數
registry.append(func)
return func
return decorate
@register()
def f1():
print("執行 f1")
@register(active=False)
def f2():
print("執行 f2")
現在我們導入這個模塊：
>>> import registration 註冊函數 -> <function f1 at 0x0000016D80402280>
可以看到隻註冊瞭 f1 函數。
實現一個簡單的裝飾器
這裡我們使用嵌套函數實現一個簡單的裝飾器：計算被裝飾函數執行的耗時，並將函數名、參數和執行的結果打印出來。
import time def clock(func): def clocked(*args): start_time = time.perf_counter() result = func(*args) cost = time.perf_counter() - start_time print( "[%.2f] %s(%s) -> %r" % (cost, func.__name__, list(map(repr, args)), result) ) return result return clocked
下面我們來試試這個裝飾器：
>>> @clock ... def factorial(n): ... # 計算 n 的階乘 ... return 1 if n < 2 else n * factorial(n - 1) >>> >>> factorial(6) [0.00] factorial(['1']) -> 1 [0.00] factorial(['2']) -> 2 [0.00] factorial(['3']) -> 6 [0.00] factorial(['4']) -> 24 [0.00] factorial(['5']) -> 120 [0.00] factorial(['6']) -> 720 720
具體來分析一下，這裡 factorial 作為 func 參數傳遞給 clock 函數，然後 clock 函數返回 clocked 函數，Python 解釋器會把 clocked 賦值給 factorial。所以，如果我們查看 factorial 的 __name__ 屬性，會發現它的值是 clocked 而不是 factorial。
>>> factorial.__name__ 'clocked'
所以，factorial 保存的是 clocked 的引用，每次調用 factorial 實際上都是在調用 clocked 函數。
我們也可以使用 functools.wraps 裝飾器把 func 的一些屬性復制到 clocked 函數上，例如：__name__ 和 __doc__：
def clock(func): @functools.wraps(func) def clocked(*args): start_time = time.perf_counter() result = func(*args) cost = time.perf_counter() - start_time print( "[%.2f] %s(%s) -> %r" % (cost, func.__name__, list(map(repr, args)), result) ) return result return clocked >>> >>> @clock ... def factorial(n): ... return 1 if n < 2 else n * factorial(n - 1) >>> >>> factorial.__name__ 'factorial'
標準庫中的裝飾器
使用 functools.lru_cache 做備忘
functools.lru_cache 會把耗時的函數的結果保存起來，避免傳入相同的參數時的重復計算。lru 的意思是 Least Recently Used，表示緩存不會無限增長，一段時間不用的緩存條目會被丟棄。
lru_cache 非常適合計算第 n 個斐波那契數這樣的慢速遞歸函數。
我們來看看不使用 lru_cache 時的情況：
>>> @clock ... def fibonacci(n): ... return n if n < 2 else fibonacci(n - 2) + fibonacci(n - 1) ... >>> fibonacci(6) [0.00000040] fibonacci(['0']) -> 0 [0.00000060] fibonacci(['1']) -> 1 [0.00030500] fibonacci(['2']) -> 1 [0.00000030] fibonacci(['1']) -> 1 [0.00000040] fibonacci(['0']) -> 0 [0.00000060] fibonacci(['1']) -> 1 [0.00042110] fibonacci(['2']) -> 1 [0.00074440] fibonacci(['3']) -> 2 [0.00128530] fibonacci(['4']) -> 3 [0.00000020] fibonacci(['1']) -> 1 [0.00000030] fibonacci(['0']) -> 0 [0.00000050] fibonacci(['1']) -> 1 [0.00035500] fibonacci(['2']) -> 1 [0.00055270] fibonacci(['3']) -> 2 [0.00000030] fibonacci(['0']) -> 0 [0.00000060] fibonacci(['1']) -> 1 [0.00041220] fibonacci(['2']) -> 1 [0.00000040] fibonacci(['1']) -> 1 [0.00000040] fibonacci(['0']) -> 0 [0.00000050] fibonacci(['1']) -> 1 [0.00032410] fibonacci(['2']) -> 1 [0.00061420] fibonacci(['3']) -> 2 [0.00122760] fibonacci(['4']) -> 3 [0.00206850] fibonacci(['5']) -> 5 [0.00352630] fibonacci(['6']) -> 8 8
這種方式有很多重復的計算，例如 fibonacci(['1']) 執行瞭 8 次，fibonacci(['2']) 執行瞭 5 次等等。
現在我們使用 functools.lru_cache 優化一下：
>>> @functools.lru_cache ... @clock ... def fibonacci(n): ... return n if n < 2 else fibonacci(n - 2) + fibonacci(n - 1) ... >>> fibonacci(6) [0.00000060] fibonacci(['0']) -> 0 [0.00000070] fibonacci(['1']) -> 1 [0.00106320] fibonacci(['2']) -> 1 [0.00000080] fibonacci(['3']) -> 2 [0.00132790] fibonacci(['4']) -> 3 [0.00000060] fibonacci(['5']) -> 5 [0.00159670] fibonacci(['6']) -> 8 8
可以看到節省瞭一般的執行時間，並且 n 的每個值隻調用瞭一次函數。
在執行 fibonacci(30) 時，如果使用未優化的版本需要 141 秒，使用優化後的版本隻需要 0.002 秒。
除瞭優化遞歸算法之外，lru_cache 在從 WEB 獲取信息的應用中也能發揮巨大作用。
lru_cache 還有兩個可選參數：
def lru_cache(maxsize=128, typed=False):
maxsize：最多可存儲的調用結果的個數。緩存滿瞭之後，舊的結果被丟棄。為瞭獲取最佳的性能，maxsize應該設置為 2 的冪。typed：如果置為True，會把不同參數類型得到的結果分開保存。例如：f(3.0)和f(3)會被當成不同的調用。
單分派泛函數
假設我們現在開發一個調試 WEB 應用的工具：生成 HTML，顯示不同類型的 Python 對象。
我們可以這樣編寫一個函數：
import html
def htmlize(obj):
content = html.escape(repr(obj))
return f"<pre>{content}</pre>"
現在我們需要做一些拓展，讓它使用特別的方式顯示某些特定類型：
str：把字符串內部的\n替換為<br>\n，並且使用<p>替換<pre>；int：以十進制和十六進制顯示數字；list：顯示一個 HTML 列表，根據各個元素的類型格式化；
最常用的方式就是寫 if...elif..else 判斷：
import numbers
from collections.abc import MutableSequence
def htmlize(obj):
if isinstance(obj, str):
content = obj.replace("\n", "<br>\n")
return f"<p>{content}</p>"
elif isinstance(obj, numbers.Integral):
content = f"{obj} ({hex(obj)})"
return f"<pre>{content}</pre>"
elif isinstance(obj, MutableSequence):
content = "</li>\n<li>".join(htmlize(item) for item in obj)
return "<ul>\n<li>" + content + "</li>\n</ul>"
else:
content = f"<pre>{obj}</pre>"
return content
如果想添加新的類型判斷，隻會將函數越寫越長，並且各個類型之間耦合度較高，不利於維護。
Python 3.4 新增的 functools.singledispatch 裝飾器可以將整個方案拆分成多個模塊。
import numbers
from collections.abc import MutableSequence
from functools import singledispatch
@singledispatch
def htmlize(obj):
content = f"<pre>{obj}</pre>"
return content
@htmlize.register(str)
def _(text):
content = text.replace("\n", "<br>\n")
return f"<p>{content}</p>"
@htmlize.register(numbers.Integral)
def _(num):
content = f"{num} ({hex(num)})"
return f"<pre>{content}</pre>"
@htmlize.register(MutableSequence)
def _(seq):
content = "</li>\n<li>".join(htmlize(item) for item in seq)
return "<ul>\n<li>" + content + "</li>\n</ul>"
這裡我們為每一個需要特殊處理的類型都定義另一個專門的函數。
functools.singledispatch 的更詳細的文檔參考：https://www.python.org/dev/peps/pep-0443/。
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