Python的幾個高級語法概念淺析(lambda表達式閉包裝飾器)
1. 匿名函數(shù)
匿名函數(shù)(anonymous function)是指未與任何標識符綁定的函數(shù),多用在functional programming languages領域,典型應用場合:
1) 作為參數(shù)傳給高階函數(shù)(higher-order function ),如python中的built-in函數(shù)filter/map/reduce都是典型的高階函數(shù)
2) 作為高階函數(shù)的返回值(雖然此處的"值"實際上是個函數(shù)對象)
與命名函數(shù)(named function)相比,若函數(shù)只被調(diào)用1次或有限次,則匿名函數(shù)在語法上更輕量級。
具體語法上,python通過lambda語法支持函數(shù)體為表達式的匿名函數(shù),即:python的lambda表達式本質(zhì)上是個匿名函數(shù),但其函數(shù)體只能是個表達式,不能包含其它語句。
此外,高級動態(tài)語言常借助匿名函數(shù)實現(xiàn)閉包(closure)或裝飾器(decorator)等高級語法。
在一些場合下,lambda表達式的使用使得python程序看起來非常簡潔。例如,下面是根據(jù)value對dict元素做排序的代碼示例:
>>> foo = {'father' : 65, 'mother' : 62, 'sister' : 38, 'brother' : 29, 'me' : 28} >>> sorted(foo.iteritems(), key=lambda x: x[1]) [('me', 28), ('brother', 29), ('sister', 38), ('mother', 62), ('father', 65)]
2. 閉包
閉包(closure)本質(zhì)上是一個包含了其引用環(huán)境(referencing environment)的函數(shù)或函數(shù)引用,這里的"引用環(huán)境"通常由一張表來維護,該表存儲了函數(shù)體會訪問的非局部變量(non-local variables)的引用。
與C語言中的函數(shù)指針相比,閉包允許嵌套函數(shù)訪問其作用域外的non-local變量,這與Python解釋器對變量的作用域查找規(guī)則有關(Python支持LEGB的查找規(guī)則,想深究的話,可以參考<Learning Python>第4版第17章Scopes關于作用域及查找規(guī)則的詳細講解,或者查看這篇文章 做快速了解)。
對于運行時內(nèi)存分配模型會在線性棧上創(chuàng)建局部變量的語言來說(典型如C語言),通常很難支持閉包。因為這些語言底層實現(xiàn)中,若函數(shù)返回,則函數(shù)中定義的局部變量均會隨著函數(shù)棧被回收而銷毀。但閉包在底層實現(xiàn)上要求其要訪問的non-local變量在閉包被執(zhí)行的時候保持有效,直到這個閉包的生命周期結(jié)束,這意外著這些non-local變量只有在其確定不再被使用時才能銷毀,而不能隨著定義這些變量的函數(shù)返回銷毀。因此,天生支持閉包的語言通常采用garbage collection的方式管理內(nèi)存,因為gc機制保證了變量只有不再被引用時才會由系統(tǒng)銷毀并回收其內(nèi)存空間。
具體語法上,閉包通常伴隨著函數(shù)嵌套定義。以Python為例,一個簡單的閉包示例如下:
#!/bin/env python #-*- encoding: utf-8 -*- def startAt_v1(x): def incrementBy(y): return x + y print 'id(incrementBy)=%s' % (id(incrementBy)) return incrementBy def startAt_v2(x): return lambda y: x + y if '__main__' == __name__: c1 = startAt_v1(2) print 'type(c1)=%s, c1(3)=%s' % (type(c1), c1(3)) print 'id(c1)=%s' % (id(c1)) c2 = startAt_v2(2) print 'type(c2)=%s, c2(3)=%s' % (type(c2), c2(3))
執(zhí)行結(jié)果如下:
id(incrementBy)=139730510519782 type(c1)=<type 'function'>, c1(3)=5 id(c1)=139730510519782 type(c2)=<type 'function'>, c2(3)=5
上述示例中,startAt_v1和startAt_v2均實現(xiàn)了閉包,其中:v1借助嵌套定義函數(shù)實現(xiàn);v2則借助lambda表達式/匿名函數(shù)來實現(xiàn)。
我們以v1為例對閉包做說明:
1) 函數(shù)startAt_v1接受1個參數(shù),返回1個函數(shù)對象,而這個函數(shù)對象的行為由嵌套定義的函數(shù)incrementBy實現(xiàn)。
2) 對函數(shù)incrementBy來說,變量x就是所謂的non-local變量(因為x既非該函數(shù)定義的局部變量,又非普通意義上的全局變量),incrementBy實現(xiàn)具體的函數(shù)行為并返回。
3) main入口的c1接收到的返回值是個函數(shù)對象,從id(incrementBy) == id(c1)可斷定,c1"指向"的對象與函數(shù)名incrementBy"指向"的其實是同一個函數(shù)對象。
4) 受益于Python對閉包的支持,與普通函數(shù)的對象相比,c1指向的對象可以訪問不在其函數(shù)作用域內(nèi)的non-local變量,而這個變量是由incrementBy的外層包裝函數(shù)startAt_v1的入?yún)⑻峁┑?,于是,相當于c1指向的函數(shù)對象對其外層包裝函數(shù)的入?yún)⒕哂?記憶"功能,通過調(diào)用外層包裝函數(shù)創(chuàng)建閉包時,不同的入?yún)⒈粌?nèi)層函數(shù)作為引用環(huán)境維護起來。
5) 調(diào)用c1(3)時,傳入的參數(shù)與引用環(huán)境維護的外層包裝函數(shù)的參數(shù)一起運算得到最終結(jié)果。
以上步驟分析說明了一個閉包從創(chuàng)建到執(zhí)行的基本原理,理解這個case后,閉包的概念也應該清晰了。
3. 裝飾器
python支持裝飾器(decorator)語法。裝飾器的概念對于初學者來說比較晦澀,因為它涉及到函數(shù)式編程的幾個概念(如匿名函數(shù)、閉包),這也是本文先介紹匿名函數(shù)和閉包的原因。
我們引用這篇文章對裝飾器的定義:
A decorator is a function that takes a function object as an argument, and returns a function object as a return value.
從這個定義可知,裝飾器本質(zhì)上只是一個函數(shù),它借助閉包的語法去修改一個函數(shù)(又稱被裝飾函數(shù))的行為,即decorator其實是個閉包函數(shù),該函數(shù)以被裝飾函數(shù)名(這個函數(shù)名其實是一個函數(shù)對象的引用)作為入?yún)?,在閉包內(nèi)修改被裝飾函數(shù)的行為后,返回一個新的函數(shù)對象。
特別說明:decorator并非必須以函數(shù)形式出現(xiàn),它可以是任何可被調(diào)用的對象,例如它也可以class形式出現(xiàn),參見這篇文章給出的例子。
在定義好函數(shù)裝飾器的前提下,當外部調(diào)用這個被裝飾函數(shù)時,decorator的語法糖會由Python解釋器解釋為先執(zhí)行裝飾器函數(shù),然后在裝飾器返回的新函數(shù)對象上繼續(xù)執(zhí)行其余語句。
來個實例分析一下:
#!/bin/env python #-*- encoding: utf-8 -*- def wrapper(fn): def inner(n, m): n += 1 print 'in inner: fn=%s, n=%s, m=%s' % (fn.__name__, n, m) return fn(n, m) + 6 // 這里有return且返回值為int對象 return inner @wrapper def foo(n, m): print 'in foo: n=%s, m=%s' % (n, m) return n * m print foo(2, 3)
上面的示例中,foo通過@wrapper語法糖聲明它的裝飾器是wrapper,在wrapper中,定義了嵌套的inner函數(shù)(該函數(shù)的參數(shù)列表必須與被裝飾函數(shù)foo的參數(shù)列表保持一致),裝飾器wrapper修改foo的行為后,返回inner(注意:由于inner的返回值是個int對象,故wrpper最終返回的也是個int對象)。
調(diào)用foo(2, 3)時,Python解釋器先調(diào)用wrapper對foo做行為改寫,然后返回int對象,不難推測,上述代碼的執(zhí)行結(jié)果如下:
in inner: fn=foo, n=3, m=3 in foo: n=3, m=3 foo(2, 3)=15
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