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Python 装饰器

wangzf / 2023-01-09


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# -*- coding: utf-8 -*-

from functools import wraps

def logit(func):
    @wraps(func)
    def with_logging(*args, **kwargs):
        print(func.__name__ + "was called!")
        return func(*args, **kwargs)
    return with_logging

@logit
def addition_func(x):
    """Do some math."""
    return x + x


result = addition_func(4)
print(result)

什么是装饰器

装饰 是为函数和类指定管理代码的一种方式. 装饰器本身的形式是处理其它的可调用对象的可调用对象(如函数).

Python 装饰器以两种相关的形式呈现:

简而言之, 装饰器提供了一种方法, 在函数和类定义的语句的末尾插入自动运行代码——对于函数装饰器, 在 def 的末尾; 对于类装饰器, 在 class 的末尾. 这样的代码可以扮演不同的角色.

为什么使用装饰器

从纯技术的视角来看, 并不是严格需要装饰器:它们的功 能往往可以使用简单的辅助函数调用或其它的技术来实现

管理调用和实例

装饰器通过自动把函数和类名重绑定到其他的可调用对象来实现这些效果, 在 def 和 class 语句的末尾做到这点. 当随后调用的时候, 这些可调用对象可以执行诸如对函数调用跟踪和计时、管理对类实例属性的访问等任务.

管理函数和类

尽管大多数实例都使用包装器来拦截随后对函数和类的调用, 但这并非使用装饰器的唯一方法:

换句话说, 函数装饰器可以用来管理函数调用和函数对象, 类装饰器可以用来管理类实 例和类自身. 通过返回装饰的对象自身而不是一个包装器, 装饰器变成了针对函数和类 的一种简单的后创建步骤.

使用和定义装饰器

Python 本身带有具有特定角色的内置装饰器——静态方法装饰器、属性装饰器以及更多. 此外, 很多流行的 Python 工具包括了执行管理数据库或用户接口逻辑等任务的装饰器. 在这样的情况中, 我们不需要知道装饰器如何编码就可以完成任务.

对于更为通用的任务, 程序员可以编写自己的任意装饰器. 例如, 函数装饰器可能实现下面的功能代码来扩展函数:

你可以想象添加到函数调用中的任何行为, 都可以作为定制函数装饰器的备选.

另外一方面, 函数装饰器设计用来只增强一个特定函数或方法调用, 而不是一个完整的对象接口. 类装饰器更好地充当后一种角色——因为它们可以拦截实例创建调用, 它们可以用来实现任意的对象接口扩展或管理任务. 例如, 定制的类装饰器可以跟踪或验证对一个对象的每个属性引用. 它们也可以用来实现代理对象、 单体类以及其他常用的编程模式. 实际上, 我们将会发现很多类装饰器与在第30章中见到的委托编程模式有很大的相似之处.

装饰器基础知识

装饰器的很多神奇之处可归结为自动绑定操作

函数装饰器

函数装饰器主要只是一种语法糖: 通过在一个函数的 def 语句的末尾来运行另一个函数, 把最初的函数名重新绑定到结果.

用法

函数装饰器是一种关于函数的运行时声明, 函数的定义需要遵守此声明. 装饰器在紧挨着定义一个函数或方法的 def 语句之前的一行编写, 并且它由 @ 符号以及紧随其后的对于元函数的一个引用组成—— 这是管理另一个函数的函数(或其他的可调用对象).

在编码方面, 函数装饰器自动将如下的语法:

@decorator  # Decorate function
def F(arg):
    ...

F(99)       # Call function

映射为这一对等的形式, 其中装饰器是一个单参数的可调用对象, 它返回与 F 具有相同数目的参数的一个可调用对象:

def F(arg):
    ...

F = decorator(F)
F(99)

这一自动名称重绑定在 def 语句上有效, 不管它针对一个简单的函数或是类中的一个方法. 当随后调用 F 函数的时候, 它自动调用装饰器所返回的对象, 该对象可能是实现了所需的包装逻辑的另一个对象, 或者是最初的函数本身.

func(6, 7)
decorator(func)(6, 7)
class C:
@staticmethod
def meth(*args): # meth = staticmethod(meth)
    pass

class C:
@property
def name(self): # name = property(name)
    pass

实现

装饰器自身是一个返回可调用对象的可调用对象. 也就是说, 它返回了一个对象, 当随后装饰的函数通过其最初的名称调用的时候, 将会调用这个对象——不管是拦截了随后调用的一个包装器对象, 还是最初的函数以某种方式的扩展. 实际上, 装饰器可以是任意类型的可调用对象, 并且返回任意类型的可调用对象: 函数和类的任何组合都可以使用, 尽管一些组合更适合于特定的背景.

def decorator(F):
    # Process function F
    return F

@decorator
def func():
    pass # func = decorator(func)
def decorator(F):
    # Save or use function F
    # Return a different callable: nested def, class with __call__, etc.
    pass

@decorator
def func():
    pass # func = decorator(func)

支持方法装饰

# 类装饰器
class decorator:
    def __init__(self, func):     # func is method without instance
        self.func = func
  
    def __call__(self, *args):    # self is decorator instance
        # self.func(*args) fails!  # C instance not in args!
        pass

# 装饰类方法
class C:
    @decorator
    def method(self, x, y):        # method = decorator(method)
        pass                        # Rebound to decorator instance
# 函数装饰器
def decorator(F):          # F is func or method without instance
    def wrapper(*args):     # class instance in args[0] for method
        # F(*args) runs func or method
        pass
    return wrapper

# 装饰函数
@decorator
def func(x, y):            # func = decorator(func)
    pass

func(6, 7)                 # Really calls wrapper(6, 7)

# 装饰类
class C:
    @decorator
    def method(self, x, y): # method = decorator(method)
        pass

c = C()
c.method(6, 7)             # Really calls wrapper(c, 6, 7)

类装饰器

类装饰器与函数装饰器密切相关, 实际上, 它们使用相同的语法和非常相似的编码模式. 然而, 不是包装单个的函数或方法, 类装饰器是管理类的一种方式, 或者用管理或扩展类所创建的实例的额外逻辑, 来包装实例构建调用.

用法

从语法上讲, 类装饰器就像前面的 class 语句一样(就像前面函数定义中出现的函数装饰器). 在语法上, 假设装饰器是返回一个可调用对象的一个单参数的函数, 类装饰器语法:

# Decorate class
@decorator
class C:
    ...

# Make an instance 
x = C(99)

类自动地传递给装饰器函数, 并且装饰器的结果返回来分配给类名, 直接的结果就是, 随后调用类名会创建一个实例, 该实例会触发装饰器所返回的可调用对象, 而不是调用最初的类本身:

class C:
    ...

c = decorator(C)  # Rebind class name to decorator result
x = C(99)         # Essentially calls decorator(C)(99)

实现

新的类装饰器使用函数装饰器所使用的众多相同的技术来编码. 由于类装饰器也是返回一个可调用对象的一个可调用对象, 因此大多数函数和类的组合已经最够了. 尽管先编码, 但装饰器的结果是当随后创建一个实例的时候才运行的.

def decorator(C):
    # Process class C
    return C

@decorator
class C:       # C = decorator(C)
    pass
def decorator(C):
    # Save or Use class C
    # Return a different callable: nested def, class with __call__, etc.
    pass

@decorator
class C:  # C = decorator(C)
    pass
def decorator(cls):
    class Wrapper:
        def __init__(self, *args):
            self.wrapped = cls(*args)
        def __getattr__(self, name):
            return getattr(self.wrapped, name)

    return Wrapper

@decorator
class C:
    def __init__(self, x, y):
        self.attr = "spam"

x = C(6, 7)
print(x.attr)

支持多个实例

和函数装饰器一样, 使用类装饰器的时候, 一些可调用对象组合比另一些工作得更好

class Decorator:
    def __init__(self, C):                     # On @decorator
        self.C = C
    def __call__(self, *args):                 # On instance creation
        self.wrapped = self.C(*args)
        return self
    def __getattr__(self, attrname):           # On atrribute fetch
        return getattr(self.wrapper, attrname)

@Decorate
class C:                                      # C = Decorator(C)
    ...

x = C()
y = C()                                       # Overwrites x!
def decorator(C):                # On @decorator
    class Wrapper:
        def __init__(self, *args): # On instance creation
            self.wrapped = C(*args)
return Wrapper

class Wrapper:
    pass

def decorator(C):                # On @decorator
    def onCall(*args):            # On instance creation
        return Wrapper(C(*args))   # Embed instance in instance
    return onCall

装饰器嵌套

有的时候, 一个装饰器不够, 为了支持多步骤的扩展, 装饰器语法允许我们向一个装饰的函数或方法添加包装器逻辑的多个层. 当使用这一功能的时候, 每个装饰器必须出现在自己的一行中. 语法如下:

@A
@B
@C
def f(args):
    pass

如下这样运行:

def f(args):
    pass

f = A(B(C(f)))
@spam
@eggs
class C:
    pass

X = C()

等同于如下的代码:

class C:
    pass

C = spam(eggs(C))
X = C()

装饰器参数

函数装饰器和类装饰器似乎都能够接受参数, 尽管实际上这些参数传递给了真正返回装饰器的一个可调用对象, 而装饰器反过来又返回一个可调用对象.

@decorator
def F(arg):
    pass

F(99)

自动地映射到其对等形式, 其中装饰器是一个可调用对象, 它返回实际的装饰器. 返回的装饰器反过来返回可调用的对象, 这个对象随后运行以调用最初的函数名. 装饰器参数在装饰发生之前就解析了, 并且它们通常用来保持状态信息供随后的调用使用:

def F(arg):
    pass

F = decorator(A, B)(F) # Rebind F to result of decorator's return value
F(99)                  # Essentially calls decorator(A, B)(F)(99)
def decorator(A, B):
    # Save or use A, B
    def actualDecorator(F):
        # Save or use function F
        # Return a callable: nested def, class with __call__, etc.
        return callable
    reurn actualDecorator

换句话说, 装饰器参数往往意味着可调用对象的3个层级:

装饰器管理函数和类

装饰器机制是在函数和类创建之后通过一个可调用对象传递它们的一种协议. 因此, 它可以用来调用任意的创建后处理. 只要以这种方式返回最初装饰的对象, 而不是返回一个包装器, 我们就可以管理函数和类自身, 而不只是管理随后对它们的调用.

def decorator(0):
    # Save or augment function or class O
    return 0

@decorator
def F():    # F = decorator(F)
    pass

@decorator
class C:    # C = decorator(C)
    pass

编写函数装饰器

跟踪调用

class tracer:
    def __init__(self, func):  # On @decoration: save origin func
    self.calls = 0
    self.func = func
    
    def __call__(self, *args):  # On later calls: run original func 
    self.calls += 1
    print(f"call {self.calls} to {self.func.__name__}")
    self.func(*args)

@trace
def spam(a, b, c):  # spam = tracer(spam)
    print(a + b + c) # Wraps spam in a decorator object

from decorator1 import spam
>>> spam(1, 2, 3)
call 1 to spam
6
>>> spam("a", "b", "c")
call 2 to spam
abc
>>> spam.calls
2
>>> spam
<decorator1.tracer object at 0x02D9A730>
# 下面的非装饰器代码与上面的代码对等
calls = 0
def tracer(func, *args):
    global calls
    calls += 1
    print(f"call {calls} to {func.__name__}")
    func(*args)

def spam(a, b, c):
    print(a, b, c)

>>> spam(1, 2, 3)
1, 2, 3
>>> tracer(spam, 1, 2, 3)
call 1 to spam
1, 2, 3

状态信息保持选项

函数装饰器有各种选项来保持装饰的时候所提供的状态信息, 以便在实际函数调用过程中使用. 它们通常需要支持多个装饰的对象以及多个调用, 但是, 有多种方法来实现这些目标:实例属性、 全局变量、非局部变量和函数属性, 都可以用于保持状态.

类实例属性

class tracer:
def __init__(self, func):
    self.calls = 0
    self.func = func
def __call__(self, *args, **kwargs):
    self.calls += 1
    print(f"call {self.calls} to {self.func.__name__}")
    return self.func(*args, **kwargs)

@tracer
def spam(a, b, c):   # Same as: spam = tracer(spam)
print(a + b + c)  # Triggers tracer.__init__

@tracer
def eggs(x, y):      # Same as: eggs = tracer(eggs)
print(x ** y)     # Wraps eggs in a tracer object

spam(1, 2, 3)        # Really calls tracer instanc: runs trace.__call__
spam(a = 4, b = 5, c = 6)

eggs(2, 16)    # Really calls tracer instance, self.func is eggs
eggs(4, y = 4) # self.calls is pre-function here

封闭作用域和全局作用域

calls = 0
def tracer(func):
    def wrapper(*args, **kwargs):
    global calls
    calls += 1
    print(f"call {calls} to {func.__name__}")
    return func(*args, **kwargs)
    return wrapper

@tracer
def spam(a, b, c):   # Same as: spam = tracer(spam)
    print(a + b + c)

@tracer
def eggs(x, y):      # Same as: eggs = tracer(eggs)
    print(x ** y)

spam(1, 2, 3)             # Really calls wrapper, bound to func
spam(a = 4, b = 5, c = 6) # wrapper calls spam

eggs(2, 16)    # Really calls wrapper, bound to eggs
eggs(4, y = 4) # Global calls is not pre-function here!

封闭作用域和 nonlocal

def tracer(func):
    calls = 0
    def wrapper(*args, **kwargs):
    nonlocal calls
    calls += 1
    print(f"call {calls} to {func.__name__}")
    return func(*args, **kwargs)
    return wrapper

@tracer
def spam(a, b, c):   # Same as: spam = tracer(spam)
    print(a + b + c)

@tracer
def eggs(x, y):      # Same as: eggs = tracer(eggs)
    print(x ** y)

spam(1, 2, 3)             # Really calls wrapper, bound to func
spam(a = 4, b = 5, c = 6) # wrapper calls spam

eggs(2, 16)    # Really calls wrapper, bound to eggs
eggs(4, y = 4) # Nonlocal calls is not pre-function here!

函数属性

def tracer(func):                   # State via enclosing scope and func attr
    def wrapper(*args, **kwargs):    # calls is per-function, not global
        wrapper.calls += 1
        print(f"call {wrapper.calls} to {func.__name__}")
        return func(*args, **kwargs)
    wrapper.calls = 0
    return wrapper

类错误之一: 装饰类方法

class tracer:
    def __init__(self, func):
    self.calls = 0
    self.func = func
    def __call__(self, *args, **kwargs):
    self.calls += 1
    print(f"call {self.calls} to {self.func.__name__}")
    return self.func(*args, **kwargs)
@tracer
def spam(a, b, c):
print(a, b, c)

spam(1, 2, 3)
spam(a = 4, b = 5, c = 6)
class Person:
def __init__(self, name, pay):
    self.name = name
    self.pay = pay

@tracer
def giveRaise(self, percent):
    self.pay *= (1.0 + percent)

@tracer
def lastName(self):
    return self.name.split()[-1]

bob = Person("Bob Smith", 50000) # tracer remembers method funcs
bob.giveRaise(0.25)

计时调用

添加装饰器参数

编写类装饰器

尽管类似于函数装饰器的概念, 但类装饰器应用于类——它们可以用于管理类自身, 或者用来拦截实例创建调用以管理实例. 和函数装饰器一样, 类装饰器其实只是可选的语法糖, 尽管很多人相信, 它们使程序员的意图更为明显并且能使不正确的调用最小化.

单体类

跟踪对象接口

类错误之二: 保持多个实例

装饰器与管理函数的关系

为什么使用装饰器

直接管理函数和类

上面大多数示例都是设计来拦截函数和实例创建调用. 尽管这对于装饰器来说很典型, 它们并不限于这一角色. 因为装饰器通过装饰器代码来运行新的函数和类, 从而有效地工作, 它们也可以用来管理函数和类本身, 而不只是对它们随后的调用.

示例——“私有"和"公有"属性

示例——验证函数参数

开发一个函数装饰器, 它自动测试传递给一个函数或方法的参数是否在有效的数值范围内. 它设计用来在任何开发或产品阶段使用, 并且它可以用作类似任务的一个模板

目标

class Person:
    """
    根据一个传入的百分比用来给表示人的对象涨工资
    """
    def giveRaise(self, percent):
    self.pay = int(self.pay * (1 + percent))
class Person:
    """
    根据一个传入的百分比用来给表示人的对象涨工资
    """
    def giveRaise(self, percent):
    if percent < 0.0 or percent > 1.0:
        raise TypeError('percent invalid')
    self.pay = int(self.pay * (1 + percent))
class Person:
    """
    根据一个传入的百分比用来给表示人的对象涨工资
    """
    def giveRaise(self, percent):
    assert percent >= 0.0 and percent <= 1.0, "percent invalid"
    self.pay = int(self.pay * (1 + percent))
class Person:
    """
    根据一个传入的百分比用来给表示人的对象涨工资
    """
    @rangetest(percent = (0.0, 1.0)) # Use decorator to validate
    def giveRaise(self, percent):
    self.pay = int(self.pay * (1 + percent))

针对位置参数的一个基本范围测试装饰器

针对关键字和默认泛化

实现细节