Python 的 f-string 可以連接字符串與數字的原因解析

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本文出自“Python為什麼”系列，歸檔在 Github 上：https://github.com/chinesehuazhou/python-whydo

毫無疑問，Python 是一門強類型語言。強類型語言。強類型語言！（關於強弱類型話題，推薦閱讀這篇 技術科普文）

這就意味著，不同類型的對象通常需要先做顯式地類型轉化， 然後才能進行某些操作。

下面以字符串和數字為例，看看強行操作會產生什麼結果：

>>> "Python貓" + 666
Traceback (most recent call last):
 File "<stdin>", line 1, in <module>
TypeError: can only concatenate str (not "int") to str

它報類型錯誤瞭（TypeError），說字符串隻能連接（concatenate）字符串，不能連接 int 類型。 這正是強類型語言的基本約束。

但是，如果我們先把數字“轉化”成字符串類型，再執行“+”操作，就不會報錯瞭：

>>> "Python貓" + str(666)
'Python貓666'

上面的這個例子，對讀者們來說，應該並不難理解。

由此，我們要引出一個問題：如何在不作顯式類型轉化的情況下，進行字符串與數字類型的拼接呢？

在《詳解Python拼接字符串的七種方式》這篇文章中，它梳理瞭七種拼接字符串的寫法，我們可以逐個來試驗一下。

幾種字符串拼接方式：

1、格式化類：%、format()、template

2、拼接類：+、()、join()

3、插值類：f-string

為瞭節省篇幅，此處直接把可以順利拼接的 4 種寫法羅列如下：

>>> "%s %d" % ("Python貓", 666)
'Python貓 666'

>>> from string import Template
>>> s = Template('${s1}${s2}')
>>> s.safe_substitute(s1='Python貓',s2=666)
'Python貓666'

>>> "Python貓{}".format(666)
'Python貓666'

>>> num = 666
>>> f"Python貓{num}"
'Python貓666'

第一種寫法（即 % 格式化）來自古老的 C 語言，其中的“%d”是一個占位符，表示它將要接收一個整數，並格式化成字符串。

第二和第三種寫法，它們是第一種寫法的升級版，不同的是，它們的占位符是通用型的，不必指定“%s”、“%d”等等明確的類型。這兩種寫法中，數字類型的參數被傳給特定的格式化方法（即 safe_substitute 與 format），在這些方法的內部，它們會作類型轉化處理。

可以說，上述三種寫法都不難理解，它們的意圖都有跡可循。

但是，現在再看看最後一種寫法，也就是 f-string 寫法，似乎就不是那麼明顯瞭。

首先，在字符串內部，它並沒有像“%格式化”那樣指定占位符的類型；其次，所要拼接的數字並沒有作為任何函數的參數來傳遞。

也就是說，在明面上根本看不出任何要作類型轉化的意圖。但是，由於我們已知 Python 是強類型語言，已知數字類型絕對不可能直接拼接到字符串裡，因此，隻能說明 f-string 語法在底層作瞭某種類型轉化的操作！

那麼，我們就可以再提出一個新的問題：f-string 語法在處理字符串與數字時，是如何實現數字的類型轉化的呢？

也許有的讀者會猜想它是調用瞭內置的 str() 或 repr()（或它們對應的魔術方法__str__() 與 __repr__()），從而實現類型轉化，但是，答案並沒有如此簡單！

f-string 語法是在 Python 3.6 版本引入的。為瞭省事，我們直接找到 PEP-498 文檔，在裡面查閱看是否有關於實現原理的線索。

文檔地址：https://www.python.org/dev/peps/pep-0498

PEP 裡提到，f-string 的語法格式是這樣的：

f'<text> { <expression> <optional !s, !r, or !a> <optional : format specifier> } <text> ...'

其中，花括號裡的內容就是要作格式化的內容，除去可選的“optional”部分後，“expression”部分就是真正要處理的內容。對應前文的例子，數字 666 就是一個 expression。

expression 會按 __format__ 協議進行格式化，但是並不會直接調用 __format__() 這個方法。

文檔上指出，實際的執行過程等效於type(value).__format__(value, format_spec) 或者 format(value, format_spec) 。

事實上，字符串對象的 foramt() 方法跟 Python 內置的 foramt() 函數，它們都會調用__format__() 魔術方法，所以，f-string 其實是前文中 format() 格式化寫法的升級版。

在默認情況下，format_spec 是一個空字符串，而format(value, "") 的效果等同於str(value) ，因此，在不指定其它 format_spec 的情況下，可以簡單地認為 f-string 就是調用瞭 str() 來作的類型轉化……

至此，我們看到瞭 f-string 的實現原理，明白瞭它在拼接字符串與數字時，效果等效於前文的 format() 格式化方法，也等效於使用 str() 進行類型轉化。

寫在最後：本文屬於“Python為什麼”系列（Python貓出品），該系列主要關註 Python 的語法、設計和發展等話題，以一個個“為什麼”式的問題為切入點，試著展現 Python 的迷人魅力。更多精彩文章，請移步 Github 查看，項目地址：https://github.com/chinesehuazhou/python-whydo

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