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一文读懂 Python 装饰器

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作者:Pierre Ouannes

原文:https://pouannes.github.io/blog/decorators/

来源:机器之心

Python 是一种对新手很友好的语言。但是,它也有很多较难掌握的高级功能,比如装饰器(decorator)。很多初学者一直不理解装饰器及其工作原理,在这篇文章中,我们将介绍装饰器的来龙去脉。

在 Python 中,函数是一种非常灵活的结构,我们可以把它赋值给变量、当作参数传递给另一个函数,或者当成某个函数的输出。装饰器本质上也是一种函数,它可以让其它函数在不经过修改的情况下增加一些功能。

这也就是「装饰」的意义,这种「装饰」本身代表着一种功能,如果用它修饰不同的函数,那么也就是为这些函数增加这种功能。

一般而言,我们可以使用装饰器提供的 @ 语法糖(Syntactic Sugar)来修饰其它函数或对象。如下所示我们用 @dec 装饰器修饰函数 func ():

@dec
def func():
  pass

理解装饰器的最好方式是了解装饰器解决什么问题,本文将从具体问题出发一步步引出装饰器,并展示它的优雅与强大。

设置问题

为了解装饰器的目的,接下来我们来看一个简单的示例。假如你有一个简单的加法函数 dec.py,第二个参数的默认值为 10:

# dec.py

def add(x, y=10):
  return x + y

我们来更认真地看一下这个加法函数:

>>> add(1020)
30
>>> add
0x7fce0da2fe18>
>>> add.__name__
'add'
>>> add.__module__
'__main__'
>>> add.__defaults__ # default value of the `add` function
(10,)
>>> add.__code__.co_varnames # the variable names of the `add` function
('x''y')

我们无需理解这些都是什么,只需要记住 Python 中的每个函数都是对象,它们有各种属性和方法。你还可以通过 inspect 模块查看 add() 函数的源代码:

>>> from inspect import getsource
>>> print(getsource(add))

def add(x, y=10):
  return x + y

现在你以某种方式使用该加法函数,比如你使用一些操作来测试该函数:

# dec.py
from time import time

def add(x, y=10):
  return x + y

print('add(10)',         add(10))
print('add(20, 30)',     add(2030))
print('add("a", "b")',   add("a""b"))
Output: i

add(1020
add(203050
add("a""b") ab

假如你想了解每个操作的时间,可以调用 time 模块:

# dec.py
from time import time

def add(x, y=10):
  return x + y

before = time()
print('add(10)', add(10))
after = time()
print('time taken: ', after - before)
before = time()
print('add(20, 30)', add(2030))
after = time()
print('time taken: ', after - before)
before = time()
print('add("a", "b")', add("a""b"))
after = time()
print('time taken: ', after - before)
Output:

add(1020
time taken:  6.699562072753906e-05
add(203050
time taken:  6.9141387939453125e-06
add("a""b") ab
time taken:  6.9141387939453125e-06

现在,你作为一个编程人员是不是有些手痒,毕竟我们不喜欢总是复制粘贴相同的代码。现在的代码可读性不强,如果你想改变什么,你就得修改所有出现的地方,Python 肯定有更好的方式。

我们可以按照如下做法,直接在 add 函数中捕捉运行时间:

# dec.py
from time import time

def add(x, y=10):
  before = time()
  rv = x + y
  after = time()
  print('time taken: ', after - before)
  return rv

print('add(10)',         add(10))
print('add(20, 30)',     add(2030))
print('add("a", "b")',   add("a""b"))

这种方法肯定比前一种要好。但是如果你还有另一个函数,那么这似乎就不方便了。当我们有多个函数时:

# dec.py
from time import time

def add(x, y=10):
  before = time()
  rv = x + y
  after = time()
  print('time taken: ', after - before)
  return rv

def sub(x, y=10):
  return x - y

print('add(10)', add(10))
print('add(20, 30)', add(2030))
print('add("a", "b")', add("a""b"))
print('sub(10)', sub(10))
print('sub(20, 30)', sub(2030))

因为 add 和 sub 都是函数,我们可以利用这一点写一个 timer 函数。我们希望 timer 能计算一个函数的运算时间:

def timer(func, x, y=10):
  before = time()
  rv = func(x, y)
  after = time()
  print('time taken: ', after - before)
  return rv

这很不错,不过我们必须使用 timer 函数包装不同的函数,如下所示:

print('add(10)', timer(add,10)))

现在默认值还是 10 吗?未必。那么如何做得更好呢?

这里有一个主意:创建一个新的 timer 函数,并包装其他函数,然后返回包装后的函数:

def timer(func):
  def f(x, y=10):
    before = time()
    rv = func(x, y)
    after = time()
    print('time taken: ', after - before)
    return  rv
  return f

现在,你只需用 timer 包装一下 add 和 sub 函数 :

add = timer(add)

这样就可以了!以下是完整代码:

# dec.py
from time import time
def timer(func):
  def f(x, y=10):
    before = time()
    rv = func(x, y)
    after = time()
    print('time taken: ', after - before)
    return rv
  return f

def add(x, y=10):
  return x + y
add = timer(add)


def sub(x, y=10):
  return x - y
sub = timer(sub)

print('add(10)',         add(10))
print('add(20, 30)',     add(2030))
print('add("a", "b")',   add("a""b"))
print('sub(10)',         sub(10))
print('sub(20, 30)',     sub(2030))
Output:

time taken:  0.0
add(1020
time taken:  9.5367431640625e-07
add(203050
time taken:  0.0
add("a""b") ab
time taken:  9.5367431640625e-07
sub(100
time taken:  9.5367431640625e-07
sub(2030-10

我们来总结一下这个过程:我们有一个函数(比如 add 函数),然后用一个动作(比如计时)包装该函数。包装的结果是一个新函数,能实现某些新功能。

当然了,默认值还有点问题,稍后我们会解决它。

装饰器

现在,上面的解决方案以及非常接近装饰器的思想了,使用常见行为包装某个具体的函数,这种模式就是装饰器在做的事。使用装饰器后的代码是:

def add(x, y=10):
  return x + y
add = timer(add)
You write:

@timer
def add(x, y=10):
  return x + y

它们的作用是一样的,这就是 Python 装饰器的作用。它实现的作用类似于 add = timer(add),只不过装饰器把句法放在函数上面,且句法更加简单:@timer。

# dec.py
from time import time
def timer(func):
  def f(x, y=10):
    before = time()
    rv = func(x, y)
    after = time()
    print('time taken: ', after - before)
    return rv
  return f

@timer
def add(x, y=10):
  return x + y

@timer
def sub(x, y=10):
  return x - y

print('add(10)',         add(10))
print('add(20, 30)',     add(2030))
print('add("a", "b")',   add("a""b"))
print('sub(10)',         sub(10))
print('sub(20, 30)',     sub(2030))

参数和关键字参数

现在,还有一个小问题没有解决。在 timer 函数中,我们将参数 x 和 y 写死了,即指定 y 的默认值为 10。有一种方法可以传输该函数的参数和关键字参数,即 *args 和 **kwargs。参数是函数的标准参数(在本例中 x 为参数),关键字参数是已具备默认值的参数(本例中是 y=10)。代码如下:

# dec.py
from time import time
def timer(func):
  def f(*args, **kwargs):
    before = time()
    rv = func(*args, **kwargs)
    after = time()
    print('time taken: ', after - before)
    return rv
  return f

@timer
def add(x, y=10):
  return x + y

@timer
def sub(x, y=10):
  return x - y

print('add(10)',         add(10))
print('add(20, 30)',     add(2030))
print('add("a", "b")',   add("a""b"))
print('sub(10)',         sub(10))
print('sub(20, 30)',     sub(2030))

现在,该 timer 函数可以处理任意函数、任意参数和任意默认值设置了,因为它仅仅将这些参数传输到函数中。

高阶装饰器

你们可能会疑惑:如果我们可以用一个函数包装另一个函数来添加有用的行为,那么我们可以再进一步吗?我们用一个函数包装另一个函数,再被另一个函数包装吗?

可以!事实上,函数的深度可以随你的意。例如,你想写一个装饰器来执行某个函数 n 次。如下所示:

def ntimes(n):
  def inner(f):
    def wrapper(*args, **kwargs):
      for _ in range(n):
        rv = f(*args, **kwargs)
      return rv
    return wrapper
  return inner

然后你可以使用上述函数包装另一个函数,例如前文中的 add 函数:

@ntimes(3)
def add(x, y):
  print(x + y)
  return x + y

输出的语句表明该代码确实执行了 3 次。

- EOF -

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