装饰器分解：从语法糖到应用秘籍，彻底搞懂！

2024-01-01 14:37:05

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一、装饰器的初始探索：语法糖与背后机制

装饰器的本质是一种函数包装器，它允许您在不修改函数内部代码的情况下，为函数添加新的功能。装饰器的工作原理非常简单：它将一个函数作为参数，并返回一个新的函数，这个新的函数在执行时将调用原始函数。在 Python 中，装饰器使用一个名为 “@” 的符号来标记。

二、揭开装饰器的奥秘：原理与分类

装饰器之所以能够发挥作用，是因为 Python 允许函数作为参数和返回值。这意味着我们可以创建一个函数，该函数接收另一个函数作为参数，并返回一个新的函数。这个新函数将继承原始函数的所有属性，并且在执行时将调用原始函数。

装饰器可分为四种类型：

函数装饰器：这是最常见的装饰器类型，用于对函数进行装饰。
类装饰器：用于对类进行装饰，可以修改类的行为或添加新属性。
属性装饰器：用于对类的属性进行装饰，可以修改属性的行为或添加新属性。
方法装饰器：用于对类的方法进行装饰，可以修改方法的行为或添加新属性。

三、化腐朽为神奇：装饰器的无限可能

装饰器在 Python 中有着广泛的应用，它可以帮助我们实现各种各样的功能，包括：

缓存函数结果，以提高性能。
验证函数参数的合法性，防止出现错误。
为函数添加日志记录功能，以便跟踪函数的执行情况。
控制函数的访问权限，防止未经授权的访问。
扩展函数的功能，使其能够执行更多任务。

四、庖丁解牛：装饰器应用实战

为了更深入地理解装饰器的用法，让我们来看几个实际的例子：

缓存函数结果：

import functools

def cache(func):
    """缓存函数结果的装饰器。"""

    cache = {}

    @functools.wraps(func)
    def wrapper(*args, **kwargs):
        key = str(args) + str(kwargs)
        if key not in cache:
            cache[key] = func(*args, **kwargs)
        return cache[key]

    return wrapper

@cache
def fibonacci(n):
    """计算斐波那契数列的第 n 项。"""

    if n < 2:
        return n
    else:
        return fibonacci(n-1) + fibonacci(n-2)

print(fibonacci(10))  # 输出: 55

验证函数参数的合法性：

def validate_args(func):
    """验证函数参数合法性的装饰器。"""

    def wrapper(*args, **kwargs):
        if not all(isinstance(arg, int) for arg in args):
            raise ValueError("All arguments must be integers.")
        if "x" not in kwargs or not isinstance(kwargs["x"], int):
            raise ValueError("Keyword argument 'x' must be an integer.")
        return func(*args, **kwargs)

    return wrapper

@validate_args
def sum_numbers(a, b, x=0):
    """计算 a、b 和 x 的和。"""

    return a + b + x

print(sum_numbers(1, 2, x=3))  # 输出: 6

为函数添加日志记录功能：

import logging

def log_function_calls(func):
    """为函数添加日志记录功能的装饰器。"""

    logger = logging.getLogger(func.__name__)

    @functools.wraps(func)
    def wrapper(*args, **kwargs):
        logger.info("Calling function '{}' with args {} and kwargs {}.".format(func.__name__, args, kwargs))
        result = func(*args, **kwargs)
        logger.info("Function '{}' returned result {}.".format(func.__name__, result))
        return result

    return wrapper

@log_function_calls
def greet(name):
    """向某人打招呼。"""

    print("Hello, {}!".format(name))

greet("John")

五、锦上添花：掌握更多装饰器技巧

除了上述的基本用法之外，装饰器还可以应用于更高级的场景：

使用装饰器创建单例类：

class Singleton(object):
    """单例类装饰器。"""

    def __init__(self, cls):
        self.cls = cls
        self.instance = None

    def __call__(self, *args, **kwargs):
        if self.instance is None:
            self.instance = self.cls(*args, **kwargs)
        return self.instance

@Singleton
class MyClass:
    """我的类。"""

    def __init__(self, name):
        self.name = name

my_object1 = MyClass("John")
my_object2 = MyClass("Mary")

print(my_object1 is my_object2)  # 输出: True

使用装饰器实现函数柯里化：

def curry(func):
    """函数柯里化装饰器。"""

    def wrapper(*args, **kwargs):
        if len(args) == func.__code__.co_argcount:
            return func(*args, **kwargs)
        else:
            return lambda *remaining_args, **remaining_kwargs: wrapper(*args, *remaining_args, ** kwargs, **remaining_kwargs)

    return wrapper

@curry
def add_numbers(a, b, c):
    """计算 a、b 和 c 的和。"""

    return a + b + c

print(add_numbers(1, 2, 3))  # 输出: 6
print(add_numbers(1)(2)(3))  # 输出: 6

使用装饰器实现函数组合：

def compose(*functions):
    """函数组合装饰器。"""

    def wrapper(arg):
        result = arg
        for function in reversed(functions):
            result = function(result)
        return result

    return wrapper

@compose(str.upper, str.strip, str.replace, lambda s: s + "!")
def format_string(s):
    """格式化字符串。"""

    return s

print(format_string(" hello world "))  # 输出: "HELLO WORLD!"