Python中使用裝飾器的各種技巧

這篇文章將為大家詳細講解有關Python中使用裝飾器的各種技巧，文章內容質量較高，因此小編分享給大家做個參考，希望大家閱讀完這篇文章后對相關知識有一定的了解。

裝飾器（Decorator） 是 Python 里的一種特殊工具，它為我們提供了一種在函數(shù)外部修改函數(shù)的靈活能力。它有點像一頂畫著獨一無二 @ 符號的神奇帽子，只要將它戴在函數(shù)頭頂上，就能悄無聲息的改變函數(shù)本身的行為。

你可能已經和裝飾器打過不少交道了。在做面向對象編程時，我們就經常會用到 @staticmethod 和 @classmethod 兩個內置裝飾器。此外，如果你接觸過 click 模塊，就更不會對裝飾器感到陌生。click 最為人所稱道的參數(shù)定義接口 @click.option(...) 就是利用裝飾器實現(xiàn)的。

除了用裝飾器，我們也經常需要自己寫一些裝飾器。在這篇文章里，我將從 最佳實踐 和 常見錯誤 兩個方面，來與你分享有關裝飾器的一些小知識。

1. 嘗試用類來實現(xiàn)裝飾器

絕大多數(shù)裝飾器都是基于函數(shù)和 閉包 實現(xiàn)的，但這并非制造裝飾器的唯一方式。事實上，Python 對某個對象是否能通過裝飾器（@decorator）形式使用只有一個要求：decorator 必須是一個“可被調用（callable）的對象。

# 使用 callable 可以檢測某個對象是否“可被調用”
>>> def foo(): pass
...
>>> type(foo)
<class 'function'>
>>> callable(foo)
True

函數(shù)自然是“可被調用”的對象。但除了函數(shù)外，我們也可以讓任何一個類（class）變得“可被調用”（callable）。辦法很簡單，只要自定義類的 __call__ 魔法方法即可。

class Foo:
    def __call__(self):
        print("Hello, __call___")
foo = Foo()
# OUTPUT: True
print(callable(foo))
# 調用 foo 實例
# OUTPUT: Hello, __call__
foo()

基于這個特性，我們可以很方便的使用類來實現(xiàn)裝飾器。

下面這段代碼，會定義一個名為 @delay(duration) 的裝飾器，使用它裝飾過的函數(shù)在每次執(zhí)行前，都會等待額外的 duration 秒。同時，我們也希望為用戶提供無需等待馬上執(zhí)行的 eager_call 接口。

import time
import functools
class DelayFunc:
    def __init__(self,  duration, func):
        self.duration = duration
        self.func = func
def __call__(self, *args, **kwargs):
        print(f'Wait for {self.duration} seconds...')
        time.sleep(self.duration)
        return self.func(*args, **kwargs)
def eager_call(self, *args, **kwargs):
        print('Call without delay')
        return self.func(*args, **kwargs)
def delay(duration):
    """裝飾器：推遲某個函數(shù)的執(zhí)行。同時提供 .eager_call 方法立即執(zhí)行
    """
    # 此處為了避免定義額外函數(shù)，直接使用 functools.partial 幫助構造
    # DelayFunc 實例
    return functools.partial(DelayFunc, duration)
如何使用裝飾器的樣例代碼：
@delay(duration=2)
def add(a, b):
    return a + b
# 這次調用將會延遲 2 秒
add(1, 2)
# 這次調用將會立即執(zhí)行
add.eager_call(1, 2)

@delay(duration) 就是一個基于類來實現(xiàn)的裝飾器。當然，如果你非常熟悉 Python 里的函數(shù)和閉包，上面的 delay 裝飾器其實也完全可以只用函數(shù)來實現(xiàn)。所以，為什么我們要用類來做這件事呢？

與純函數(shù)相比，我覺得使用類實現(xiàn)的裝飾器在特定場景下有幾個優(yōu)勢：

? 實現(xiàn)有狀態(tài)的裝飾器時，操作類屬性比操作閉包內變量更符合直覺、不易出錯

? 實現(xiàn)為函數(shù)擴充接口的裝飾器時，使用類包裝函數(shù)，比直接為函數(shù)對象追加屬性更易于維護

? 更容易實現(xiàn)一個同時兼容裝飾器與上下文管理器協(xié)議的對象（參考 unitest.mock.patch）

2. 使用 wrapt 模塊編寫更扁平的裝飾器

在寫裝飾器的過程中，你有沒有碰到過什么不爽的事情？不管你有沒有，反正我有。我經常在寫代碼的時候，被下面兩件事情搞得特別難受：

1. 實現(xiàn)帶參數(shù)的裝飾器時，層層嵌套的函數(shù)代碼特別難寫、難讀

2. 因為函數(shù)和類方法的不同，為前者寫的裝飾器經常沒法直接套用在后者上

比如，在下面的例子里，我實現(xiàn)了一個生成隨機數(shù)并注入為函數(shù)參數(shù)的裝飾器。

import random
def provide_number(min_num, max_num):
    """裝飾器：隨機生成一個在 [min_num, max_num] 范圍的整數(shù)，追加為函數(shù)的第一個位置參數(shù)
    """
    def wrapper(func):
        def decorated(*args, **kwargs):
            num = random.randint(min_num, max_num)
            # 將 num 作為第一個參數(shù)追加后調用函數(shù)
            return func(num, *args, **kwargs)
        return decorated
    return wrapper
@provide_number(1, 100)
def print_random_number(num):
    print(num)
# 輸出 1-100 的隨機整數(shù)
# OUTPUT: 72
print_random_number()
@provide_number 裝飾器功能看上去很不錯，但它有著我在前面提到的兩個問題：嵌套層級深、無法在類方法上使用。如果直接用它去裝飾類方法，會出現(xiàn)下面的情況：
class Foo:
    @provide_number(1, 100)
    def print_random_number(self, num):
        print(num)
# OUTPUT: <__main__.Foo object at 0x104047278>
Foo().print_random_number()

Foo 類實例中的 print_random_number 方法將會輸出類實例 self ，而不是我們期望的隨機數(shù) num。

之所以會出現(xiàn)這個結果，是因為類方法（method）和函數(shù)（function）二者在工作機制上有著細微不同。如果要修復這個問題，provider_number 裝飾器在修改類方法的位置參數(shù)時，必須聰明的跳過藏在 *args 里面的類實例 self 變量，才能正確的將 num 作為第一個參數(shù)注入。

這時，就應該是 wrapt 模塊閃亮登場的時候了。wrapt 模塊是一個專門幫助你編寫裝飾器的工具庫。利用它，我們可以非常方便的改造 provide_number 裝飾器，完美解決“嵌套層級深”和“無法通用”兩個問題，

import wrapt
def provide_number(min_num, max_num):
    @wrapt.decorator
    def wrapper(wrapped, instance, args, kwargs):
        # 參數(shù)含義：
        #
        # - wrapped：被裝飾的函數(shù)或類方法
        # - instance：
        #   - 如果被裝飾者為普通類方法，該值為類實例
        #   - 如果被裝飾者為 classmethod 類方法，該值為類
        #   - 如果被裝飾者為類/函數(shù)/靜態(tài)方法，該值為 None
        #
        # - args：調用時的位置參數(shù)（注意沒有 * 符號）
        # - kwargs：調用時的關鍵字參數(shù)（注意沒有 ** 符號）
        #
        num = random.randint(min_num, max_num)
        # 無需關注 wrapped 是類方法或普通函數(shù)，直接在頭部追加參數(shù)
        args = (num,) + args
        return wrapped(*args, **kwargs)
    return wrapper
<... 應用裝飾器部分代碼省略 ...>
# OUTPUT: 48
Foo().print_random_number()

使用 wrapt 模塊編寫的裝飾器，相比原來擁有下面這些優(yōu)勢：

? 嵌套層級少：使用 @wrapt.decorator 可以將兩層嵌套減少為一層

? 更簡單：處理位置與關鍵字參數(shù)時，可以忽略類實例等特殊情況

? 更靈活：針對 instance 值進行條件判斷后，更容易讓裝飾器變得通用

常見錯誤

1. “裝飾器”并不是“裝飾器模式”

“設計模式”是一個在計算機世界里鼎鼎大名的詞。假如你是一名 Java 程序員，而你一點設計模式都不懂，那么我打賭你找工作的面試過程一定會度過的相當艱難。

但寫 Python 時，我們極少談起“設計模式”。雖然 Python 也是一門支持面向對象的編程語言，但它的 鴨子類型設計以及出色的動態(tài)特性決定了，大部分設計模式對我們來說并不是必需品。所以，很多 Python 程序員在工作很長一段時間后，可能并沒有真正應用過幾種設計模式。

不過 “裝飾器模式（Decorator Pattern）” 是個例外。因為 Python 的“裝飾器”和“裝飾器模式”有著一模一樣的名字，我不止一次聽到有人把它們倆當成一回事，認為使用“裝飾器”就是在實踐“裝飾器模式”。但事實上，它們是兩個完全不同的東西。

“裝飾器模式”是一個完全基于“面向對象”衍生出的編程手法。它擁有幾個關鍵組成：一個統(tǒng)一的接口定義、若干個遵循該接口的類、類與類之間一層一層的包裝。最終由它們共同形成一種“裝飾”的效果。

而 Python 里的“裝飾器”和“面向對象”沒有任何直接聯(lián)系，它完全可以只是發(fā)生在函數(shù)和函數(shù)間的把戲。事實上，“裝飾器”并沒有提供某種無法替代的功能，它僅僅就是一顆“語法糖”而已。下面這段使用了裝飾器的代碼：

@log_time
@cache_result
def foo(): pass

基本完全等同于下面這樣：

def foo(): pass
foo = log_time(cache_result(foo))

裝飾器最大的功勞，在于讓我們在某些特定場景時，可以寫出更符合直覺、易于閱讀的代碼。它只是一顆“糖”，并不是某個面向對象領域的復雜編程模式。

Hint: 在 Python 官網上有一個 實現(xiàn)了裝飾器模式的例子，你可以讀讀這個例子來更好的了解它。

2. 記得用 functools.wraps() 裝飾內層函數(shù)

下面是一個簡單的裝飾器，專門用來打印函數(shù)調用耗時：

import time
def timer(wrapped):
    """裝飾器：記錄并打印函數(shù)耗時"""
    def decorated(*args, **kwargs):
        st = time.time()
        ret = wrapped(*args, **kwargs)
        print('execution take: {} seconds'.format(time.time() - st))
        return ret
    return decorated
@timer
def random_sleep():
    """隨機睡眠一小會"""
    time.sleep(random.random())

timer 裝飾器雖然沒有錯誤，但是使用它裝飾函數(shù)后，函數(shù)的原始簽名就會被破壞。也就是說你再也沒辦法正確拿到 random_sleep 函數(shù)的名稱、文檔內容了，所有簽名都會變成內層函數(shù) decorated 的值：

print(random_sleep.__name__)
# 輸出 'decorated'
print(random_sleep.__doc__)
# 輸出 None

這雖然只是個小問題，但在某些時候也可能會導致難以察覺的 bug。幸運的是，標準庫 functools 為它提供了解決方案，你只需要在定義裝飾器時，用另外一個裝飾器再裝飾一下內層 decorated 函數(shù)就行。

聽上去有點繞，但其實就是新增一行代碼而已：

def timer(wrapped):
    # 將 wrapper 函數(shù)的真實簽名賦值到 decorated 上
    @functools.wraps(wrapped)
    def decorated(*args, **kwargs):
        # <...> 已省略
    return decorated
這樣處理后，timer 裝飾器就不會影響它所裝飾的函數(shù)了。
print(random_sleep.__name__)
# 輸出 'random_sleep'
print(random_sleep.__doc__)
# 輸出 '隨機睡眠一小會'

3. 修改外層變量時記得使用 nonlocal

裝飾器是對函數(shù)對象的一個高級應用。在編寫裝飾器的過程中，你會經常碰到內層函數(shù)需要修改外層函數(shù)變量的情況。就像下面這個裝飾器一樣：

import functools
def counter(func):
    """裝飾器：記錄并打印調用次數(shù)"""
    count = 0
    @functools.wraps(func)
    def decorated(*args, **kwargs):
        # 次數(shù)累加
        count += 1
        print(f"Count: {count}")
        return func(*args, **kwargs)
    return decorated
@counter
def foo():
    pass
foo()

為了統(tǒng)計函數(shù)調用次數(shù)，我們需要在 decorated 函數(shù)內部修改外層函數(shù)定義的 count 變量的值。但是，上面這段代碼是有問題的，在執(zhí)行它時解釋器會報錯:

Traceback (most recent call last):
  File "counter.py", line 22, in <module>
    foo()
  File "counter.py", line 11, in decorated
    count += 1
UnboundLocalError: local variable 'count' referenced before assignment

這個錯誤是由 counter 與 decorated 函數(shù)互相嵌套的作用域引起的。

當解釋器執(zhí)行到 count += 1 時，并不知道 count 是一個在外層作用域定義的變量，它把 count 當做一個局部變量，并在當前作用域內查找。最終卻沒有找到有關 count 變量的任何定義，然后拋出錯誤。

為了解決這個問題，我們需要通過 nonlocal 關鍵字告訴解釋器：“count 變量并不屬于當前的 local 作用域，去外面找找吧”，之前的錯誤就可以得到解決。

def decorated(*args, **kwargs):
    nonlocal count
    count += 1
    # <... 已省略 ...>

Hint：如果要了解更多有關 nonlocal 關鍵字的歷史，可以查閱 PEP-3104

總結

在這篇文章里分享了有關裝飾器的一些技巧與小知識。

一些要點總結：

? 一切 callable 的對象都可以被用來實現(xiàn)裝飾器

? 混合使用函數(shù)與類，可以更好的實現(xiàn)裝飾器

? wrapt 模塊很有用，用它可以幫助我們用更簡單的代碼寫出復雜裝飾器

? “裝飾器”只是語法糖，它不是“裝飾器模式”

? 裝飾器會改變函數(shù)的原始簽名，你需要 functools.wraps

? 在內層函數(shù)修改外層函數(shù)的變量時，需要使用 nonlocal 關鍵字

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