深入理解Python中裝飾器的用法

更新時(shí)間：2016年06月28日 18:55:20 作者：weakish

裝飾器的使用是Python的高級(jí)技巧之一,通過Decorator裝飾器能夠帶來函數(shù)式編程中所需的很多特性,這里我們就來跟隨文章一同深入理解Python中裝飾器的用法,需要的朋友可以參考下

因?yàn)楹瘮?shù)或類都是對(duì)象，它們也能被四處傳遞。它們又是可變對(duì)象，可以被更改。在函數(shù)或類對(duì)象創(chuàng)建后但綁定到名字前更改之的行為為裝飾(decorator)。

“裝飾器”后隱藏了兩種意思——一是函數(shù)起了裝飾作用，例如，執(zhí)行真正的工作，另一個(gè)是依附于裝飾器語法的表達(dá)式，例如，at符號(hào)和裝飾函數(shù)的名稱。

函數(shù)可以通過函數(shù)裝飾器語法裝飾：

@decorator       # ②
def function():    # ①
  pass

函數(shù)以標(biāo)準(zhǔn)方式定義。①
以@做為定義為裝飾器函數(shù)前綴的表達(dá)式②。在 @ 后的部分必須是簡單的表達(dá)式，通常只是函數(shù)或類的名字。這一部分先求值，在下面的定義的函數(shù)準(zhǔn)備好后，裝飾器被新定義的函數(shù)對(duì)象作為單個(gè)參數(shù)調(diào)用。裝飾器返回的值附著到被裝飾的函數(shù)名。
裝飾器可以應(yīng)用到函數(shù)和類上。對(duì)類語義很明晰——類定義被當(dāng)作參數(shù)來調(diào)用裝飾器，無論返回什么都賦給被裝飾的名字。

在裝飾器語法實(shí)現(xiàn)前(PEP 318)，通過將函數(shù)和類對(duì)象賦給臨時(shí)變量然后顯式調(diào)用裝飾器然后將返回值賦給函數(shù)名，可以完成同樣的事。這似乎要打更多的字，也確實(shí)裝飾器函數(shù)名用了兩次同時(shí)臨時(shí)變量要用至少三次，很容易出錯(cuò)。以上實(shí)例相當(dāng)于：

def function():         # ①
  pass
function = decorator(function)  # ②

裝飾器可以堆棧(stacked)——應(yīng)用的順序是從底到上或從里到外。就是說最初的函數(shù)被當(dāng)作第一次參數(shù)器的參數(shù)，無論返回什么都被作為第二個(gè)裝飾器的參數(shù)……無論最后一個(gè)裝飾器返回什么都被依附到最初函數(shù)的名下。

裝飾器語法因其可讀性被選擇。因?yàn)檠b飾器在函數(shù)頭部前被指定，顯然不是函數(shù)體的一部分，它只能對(duì)整個(gè)函數(shù)起作用。以@為前綴的表達(dá)式又讓它明顯到不容忽視(根據(jù)PEP叫在您臉上……：）)。當(dāng)多個(gè)裝飾器被應(yīng)用時(shí)，每個(gè)放在不同的行非常易于閱讀。

代替和調(diào)整原始對(duì)象
裝飾器可以或者返回相同的函數(shù)或類對(duì)象或者返回完全不同的對(duì)象。第一種情況中，裝飾器利用函數(shù)或類對(duì)象是可變的添加屬性，例如向類添加文檔字符串(docstring).裝飾器甚至可以在不改變對(duì)象的情況下做有用的事，例如在全局注冊表中注冊裝飾的類。在第二種情況中，簡直無所不能：當(dāng)什么不同的東西取代了被裝飾的類或函數(shù)，新對(duì)象可以完全不同。然而這不是裝飾器的目的：它們意在改變裝飾對(duì)象而非做不可預(yù)料的事。因此當(dāng)一個(gè)函數(shù)在裝飾時(shí)被完全替代成不同的函數(shù)時(shí)，新函數(shù)通常在一些準(zhǔn)備工作后調(diào)用原始函數(shù)。同樣，當(dāng)一個(gè)類被裝飾成一個(gè)新類時(shí)，新類通常源于被裝飾類。當(dāng)裝飾器的目的是“每次都”做什么，像記錄每次對(duì)被裝飾函數(shù)的調(diào)用，只有第二類裝飾器可用。另一方面，如果第一類足夠了，最好使用它因?yàn)楦唵巍?/p>

實(shí)現(xiàn)類和函數(shù)裝飾器
對(duì)裝飾器惟一的要求是它能夠單參數(shù)調(diào)用。這意味著裝飾器可以作為常規(guī)函數(shù)或帶有__call__方法的類的實(shí)現(xiàn)，理論上，甚至lambda函數(shù)也行。

讓我們比較函數(shù)和類方法。裝飾器表達(dá)式(@后部分)可以只是名字。只有名字的方法很好(打字少，看起來整潔等)，但是只有當(dāng)無需用參數(shù)定制裝飾器時(shí)才可能。被寫作函數(shù)的裝飾器可以用以下兩種方式：

>>> def simple_decorator(function):
...  print "doing decoration"
...  return function
>>> @simple_decorator
... def function():
...  print "inside function"
doing decoration
>>> function()
inside function

>>> def decorator_with_arguments(arg):
...  print "defining the decorator"
...  def _decorator(function):
...    # in this inner function, arg is available too
...    print "doing decoration,", arg
...    return function
...  return _decorator
>>> @decorator_with_arguments("abc")
... def function():
...  print "inside function"
defining the decorator
doing decoration, abc
>>> function()
inside function

這兩個(gè)裝飾器屬于返回被裝飾函數(shù)的類別。如果它們想返回新的函數(shù)，需要額外的嵌套，最糟的情況下，需要三層嵌套。

>>> def replacing_decorator_with_args(arg):
...  print "defining the decorator"
...  def _decorator(function):
...    # in this inner function, arg is available too
...    print "doing decoration,", arg
...    def _wrapper(*args, **kwargs):
...      print "inside wrapper,", args, kwargs
...      return function(*args, **kwargs)
...    return _wrapper
...  return _decorator
>>> @replacing_decorator_with_args("abc")
... def function(*args, **kwargs):
...   print "inside function,", args, kwargs
...   return 14
defining the decorator
doing decoration, abc
>>> function(11, 12)
inside wrapper, (11, 12) {}
inside function, (11, 12) {}
14

_wrapper函數(shù)被定義為接受所有位置和關(guān)鍵字參數(shù)。通常我們不知道哪些參數(shù)被裝飾函數(shù)會(huì)接受，所以wrapper將所有東西都創(chuàng)遞給被裝飾函數(shù)。一個(gè)不幸的結(jié)果就是顯式參數(shù)很迷惑人。

相比定義為函數(shù)的裝飾器，定義為類的復(fù)雜裝飾器更簡單。當(dāng)對(duì)象被創(chuàng)建，__init__方法僅僅允許返回None，創(chuàng)建的對(duì)象類型不能更改。這意味著當(dāng)裝飾器被定義為類時(shí)，使用無參數(shù)的形式?jīng)]什么意義：最終被裝飾的對(duì)象只是裝飾類的一個(gè)實(shí)例而已，被構(gòu)建器(constructor)調(diào)用返回，并不非常有用。討論在裝飾表達(dá)式中給出參數(shù)的基于類的裝飾器，__init__方法被用來構(gòu)建裝飾器。

>>> class decorator_class(object):
...  def __init__(self, arg):
...    # this method is called in the decorator expression
...    print "in decorator init,", arg
...    self.arg = arg
...  def __call__(self, function):
...    # this method is called to do the job
...    print "in decorator call,", self.arg
...    return function
>>> deco_instance = decorator_class('foo')
in decorator init, foo
>>> @deco_instance
... def function(*args, **kwargs):
...  print "in function,", args, kwargs
in decorator call, foo
>>> function()
in function, () {}

相對(duì)于正常規(guī)則(PEP 8)由類寫成的裝飾器表現(xiàn)得更像函數(shù)，因此它們的名字以小寫字母開始。

事實(shí)上，創(chuàng)建一個(gè)僅返回被裝飾函數(shù)的新類沒什么意義。對(duì)象應(yīng)該有狀態(tài)，這種裝飾器在裝飾器返回新對(duì)象時(shí)更有用。

>>> class replacing_decorator_class(object):
...  def __init__(self, arg):
...    # this method is called in the decorator expression
...    print "in decorator init,", arg
...    self.arg = arg
...  def __call__(self, function):
...    # this method is called to do the job
...    print "in decorator call,", self.arg
...    self.function = function
...    return self._wrapper
...  def _wrapper(self, *args, **kwargs):
...    print "in the wrapper,", args, kwargs
...    return self.function(*args, **kwargs)
>>> deco_instance = replacing_decorator_class('foo')
in decorator init, foo
>>> @deco_instance
... def function(*args, **kwargs):
...  print "in function,", args, kwargs
in decorator call, foo
>>> function(11, 12)
in the wrapper, (11, 12) {}
in function, (11, 12) {}

像這樣的裝飾器可以做任何事，因?yàn)樗芨淖儽谎b飾函數(shù)對(duì)象和參數(shù)，調(diào)用被裝飾函數(shù)或不調(diào)用，最后改變返回值。

復(fù)制原始函數(shù)的文檔字符串和其它屬性
當(dāng)新函數(shù)被返回代替裝飾前的函數(shù)時(shí)，不幸的是原函數(shù)的函數(shù)名，文檔字符串和參數(shù)列表都丟失了。這些屬性可以部分通過設(shè)置__doc__(文檔字符串)，__module__和__name__(函數(shù)的全稱)、__annotations__(Python 3中關(guān)于參數(shù)和返回值的額外信息)移植到新函數(shù)上，這些工作可通過functools.update_wrapper自動(dòng)完成。

>>> import functools
>>> def better_replacing_decorator_with_args(arg):
...  print "defining the decorator"
...  def _decorator(function):
...    print "doing decoration,", arg
...    def _wrapper(*args, **kwargs):
...      print "inside wrapper,", args, kwargs
...      return function(*args, **kwargs)
...    return functools.update_wrapper(_wrapper, function)
...  return _decorator
>>> @better_replacing_decorator_with_args("abc")
... def function():
...   "extensive documentation"
...   print "inside function"
...   return 14
defining the decorator
doing decoration, abc
>>> function              
<function function at 0x...>
>>> print function.__doc__
extensive documentation

一件重要的東西是從可遷移屬性列表中所缺少的：參數(shù)列表。參數(shù)的默認(rèn)值可以通過__defaults__、__kwdefaults__屬性更改，但是不幸的是參數(shù)列表本身不能被設(shè)置為屬性。這意味著help(function)將顯式無用的參數(shù)列表，使使用者迷惑不已。一個(gè)解決此問題有效但是丑陋的方式是使用eval動(dòng)態(tài)創(chuàng)建wrapper?？梢允褂猛獠縠xternal模塊自動(dòng)實(shí)現(xiàn)。它提供了對(duì)decorator裝飾器的支持，該裝飾器接受wrapper并將之轉(zhuǎn)換成保留函數(shù)簽名的裝飾器。

綜上，裝飾器應(yīng)該總是使用functools.update_wrapper或者其它方式賦值函數(shù)屬性。

標(biāo)準(zhǔn)庫中的示例
首先要提及的是標(biāo)準(zhǔn)庫中有一些實(shí)用的裝飾器，有三種裝飾器：

classmethod讓一個(gè)方法變成“類方法”，即它能夠無需創(chuàng)建實(shí)例調(diào)用。當(dāng)一個(gè)常規(guī)方法被調(diào)用時(shí)，解釋器插入實(shí)例對(duì)象作為第一個(gè)參數(shù)self。當(dāng)類方法被調(diào)用時(shí)，類本身被給做第一個(gè)參數(shù)，一般叫cls。
類方法也能通過類命名空間讀取，所以它們不必污染模塊命名空間。類方法可用來提供替代的構(gòu)建器(constructor):

class Array(object):
  def __init__(self, data):
    self.data = data

  @classmethod
  def fromfile(cls, file):
    data = numpy.load(file)
    return cls(data)

這比用一大堆標(biāo)記的__init__簡單多了。
staticmethod應(yīng)用到方法上讓它們“靜態(tài)”，例如，本來一個(gè)常規(guī)函數(shù)，但通過類命名空間存取。這在函數(shù)僅在類中需要時(shí)有用(它的名字應(yīng)該以_為前綴)，或者當(dāng)我們想要用戶以為方法連接到類時(shí)也有用——雖然對(duì)實(shí)現(xiàn)本身不必要。
property是對(duì)getter和setter問題Python風(fēng)格的答案。通過property裝飾的方法變成在屬性存取時(shí)自動(dòng)調(diào)用的getter。

>>> class A(object):
...  @property
...  def a(self):
...   "an important attribute"
...   return "a value"
>>> A.a                  
<property object at 0x...>
>>> A().a
'a value'

例如A.a是只讀屬性，它已經(jīng)有文檔了：help(A)包含從getter方法獲取的屬性a的文檔字符串。將a定義為property使它能夠直接被計(jì)算，并且產(chǎn)生只讀的副作用，因?yàn)闆]有定義任何setter。
為了得到setter和getter，顯然需要兩個(gè)方法。從Python 2.6開始首選以下語法：

class Rectangle(object):
  def __init__(self, edge):
    self.edge = edge

  @property
  def area(self):
    """Computed area.

    Setting this updates the edge length to the proper value.
    """
    return self.edge**2

  @area.setter
  def area(self, area):
    self.edge = area ** 0.5

通過property裝飾器取代帶一個(gè)屬性(property)對(duì)象的getter方法，以上代碼起作用。這個(gè)對(duì)象反過來有三個(gè)可用于裝飾器的方法getter、setter和deleter。它們的作用就是設(shè)定屬性對(duì)象的getter、setter和deleter(被存儲(chǔ)為fget、fset和fdel屬性(attributes))。當(dāng)創(chuàng)建對(duì)象時(shí)，getter可以像上例一樣設(shè)定。當(dāng)定義setter時(shí)，我們已經(jīng)在area中有property對(duì)象，可以通過setter方法向它添加setter，一切都在創(chuàng)建類時(shí)完成。
之后，當(dāng)類實(shí)例創(chuàng)建后，property對(duì)象和特殊。當(dāng)解釋器執(zhí)行屬性存取、賦值或刪除時(shí)，其執(zhí)行被下放給property對(duì)象的方法。
為了讓一切一清二楚[^5]，讓我們定義一個(gè)“調(diào)試”例子：

>>> class D(object):
...  @property
...  def a(self):
...   print "getting", 1
...   return 1
...  @a.setter
...  def a(self, value):
...   print "setting", value
...  @a.deleter
...  def a(self):
...   print "deleting"
>>> D.a                  
<property object at 0x...>
>>> D.a.fget                
<function a at 0x...>
>>> D.a.fset                
<function a at 0x...>
>>> D.a.fdel                
<function a at 0x...>
>>> d = D()        # ... varies, this is not the same `a` function
>>> d.a
getting 1
1
>>> d.a = 2
setting 2
>>> del d.a
deleting
>>> d.a
getting 1
1

屬性(property)是對(duì)裝飾器語法的一點(diǎn)擴(kuò)展。使用裝飾器的一大前提——命名不重復(fù)——被違反了，但是目前沒什么更好的發(fā)明。為getter，setter和deleter方法使用相同的名字還是個(gè)好的風(fēng)格。
一些其它更新的例子包括：

functools.lru_cache記憶任意維持有限參數(shù)：結(jié)果對(duì)的緩存函數(shù)(Python
3.2)
functools.total_ordering是一個(gè)基于單個(gè)比較方法而填充丟失的比較(ordering)方法(__lt__,__gt__，__le__等等)的類裝飾器。
函數(shù)的廢棄
比如說我們想在第一次調(diào)用我們不希望被調(diào)用的函數(shù)時(shí)在標(biāo)準(zhǔn)錯(cuò)誤打印一個(gè)廢棄函數(shù)警告。如果我們不想更改函數(shù)，我們可用裝飾器

class deprecated(object):
  """Print a deprecation warning once on first use of the function.

  >>> @deprecated()          # doctest: +SKIP
  ... def f():
  ...   pass
  >>> f()               # doctest: +SKIP
  f is deprecated
  """
  def __call__(self, func):
    self.func = func
    self.count = 0
    return self._wrapper
  def _wrapper(self, *args, **kwargs):
    self.count += 1
    if self.count == 1:
      print self.func.__name__, 'is deprecated'
    return self.func(*args, **kwargs)

也可以實(shí)現(xiàn)成函數(shù)：

def deprecated(func):
  """Print a deprecation warning once on first use of the function.

  >>> @deprecated           # doctest: +SKIP
  ... def f():
  ...   pass
  >>> f()               # doctest: +SKIP
  f is deprecated
  """
  count = [0]
  def wrapper(*args, **kwargs):
    count[0] += 1
    if count[0] == 1:
      print func.__name__, 'is deprecated'
    return func(*args, **kwargs)
  return wrapper

while-loop移除裝飾器
例如我們有個(gè)返回列表的函數(shù)，這個(gè)列表由循環(huán)創(chuàng)建。如果我們不知道需要多少對(duì)象，實(shí)現(xiàn)這個(gè)的標(biāo)準(zhǔn)方法如下：

def find_answers():
  answers = []
  while True:
    ans = look_for_next_answer()
    if ans is None:
      break
    answers.append(ans)
  return answers

只要循環(huán)體很緊湊，這很好。一旦事情變得更復(fù)雜，正如真實(shí)的代碼中發(fā)生的那樣，這就很難讀懂了。我們可以通過yield語句簡化它，但之后用戶不得不顯式調(diào)用嗯list(find_answers())。

我們可以創(chuàng)建一個(gè)為我們構(gòu)建列表的裝飾器：

def vectorized(generator_func):
  def wrapper(*args, **kwargs):
    return list(generator_func(*args, **kwargs))
  return functools.update_wrapper(wrapper, generator_func)

然后函數(shù)變成這樣：

@vectorized
def find_answers():
  while True:
    ans = look_for_next_answer()
    if ans is None:
      break
    yield ans

插件注冊系統(tǒng)
這是一個(gè)僅僅把它放進(jìn)全局注冊表中而不更改類的類裝飾器，它屬于返回被裝飾對(duì)象的裝飾器。

class WordProcessor(object):
  PLUGINS = []
  def process(self, text):
    for plugin in self.PLUGINS:
      text = plugin().cleanup(text)
    return text

  @classmethod
  def plugin(cls, plugin):
    cls.PLUGINS.append(plugin)

@WordProcessor.plugin
class CleanMdashesExtension(object):
  def cleanup(self, text):
    return text.replace('&mdash;', u'\N{em dash}')

這里我們使用裝飾器完成插件注冊。我們通過一個(gè)名詞調(diào)用裝飾器而不是一個(gè)動(dòng)詞，因?yàn)槲覀冇盟鼇砺暶魑覀兊念愂荳ordProcessor的一個(gè)插件。plugin方法僅僅將類添加進(jìn)插件列表。

關(guān)于插件自身說下：它用真正的Unicode中的破折號(hào)符號(hào)替代HTML中的破折號(hào)。它利用unicode literal notation通過它在unicode數(shù)據(jù)庫中的名稱(“EM DASH”)插入一個(gè)符號(hào)。如果直接插入U(xiǎn)nicode符號(hào)，將不可能區(qū)分所插入的和源程序中的破折號(hào)。

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