你好,我是景霄。
实际工作生活中,我曾见到不少初学者编写的Python程序,他们长达几百行的代码中,却没有一个函数,通通按顺序堆到一块儿,不仅让人读起来费时费力,往往也是错误连连。
一个规范的值得借鉴的Python程序,除非代码量很少(比如10行、20行以下),基本都应该由多个函数组成,这样的代码才更加模块化、规范化。
函数是Python程序中不可或缺的一部分。事实上,在前面的学习中,我们已经用到了很多Python的内置函数,比如sorted()表示对一个集合序列排序,len()表示返回一个集合序列的长度大小等等。这节课,我们主要来学习Python的自定义函数。
函数基础
那么,到底什么是函数,如何在Python程序中定义函数呢?
说白了,函数就是为了实现某一功能的代码段,只要写好以后,就可以重复利用。我们先来看下面一个简单的例子:
def my_func(message):
print('Got a message: {}'.format(message))
# 调用函数 my_func()
my_func('Hello World')
# 输出
Got a message: Hello World
其中:
-
def是函数的声明;
-
my_func是函数的名称;
-
括号里面的message则是函数的参数;
-
而print那行则是函数的主体部分,可以执行相应的语句;
-
在函数最后,你可以返回调用结果(return或yield),也可以不返回。
总结一下,大概是下面的这种形式:
def name(param1, param2, ..., paramN):
statements
return/yield value # optional
和其他需要编译的语言(比如C语言)不一样的是,def是可执行语句,这意味着函数直到被调用前,都是不存在的。当程序调用函数时,def语句才会创建一个新的函数对象,并赋予其名字。
我们一起来看几个例子,加深你对函数的印象:
def my_sum(a, b):
return a + b
result = my_sum(3, 5)
print(result)
# 输出
8
这里,我们定义了my_sum()这个函数,它有两个参数a和b,作用是相加;随后,调用my_sum()函数,分别把3和5赋于a和b;最后,返回其相加的值,赋于变量result,并输出得到8。
再来看一个例子:
def find_largest_element(l):
if not isinstance(l, list):
print('input is not type of list')
return
if len(l) == 0:
print('empty input')
return
largest_element = l[0]
for item in l:
if item > largest_element:
largest_element = item
print('largest element is: {}'.format(largest_element))
find_largest_element([8, 1,-3, 2, 0])
# 输出
largest element is: 8
这个例子中,我们定义了函数find_largest_element,作用是遍历输入的列表,找出最大的值并打印。因此,当我们调用它,并传递列表 [8, 1, -3, 2, 0] 作为参数时,程序就会输出 largest element is: 8。
需要注意,主程序调用函数时,必须保证这个函数此前已经定义过,不然就会报错,比如:
my_func('hello world')
def my_func(message):
print('Got a message: {}'.format(message))
# 输出
NameError: name 'my_func' is not defined
但是,如果我们在函数内部调用其他函数,函数间哪个声明在前、哪个在后就无所谓,因为def是可执行语句,函数在调用之前都不存在,我们只需保证调用时,所需的函数都已经声明定义:
def my_func(message):
my_sub_func(message) # 调用my_sub_func()在其声明之前不影响程序执行
def my_sub_func(message):
print('Got a message: {}'.format(message))
my_func('hello world')
# 输出
Got a message: hello world
另外,Python函数的参数可以设定默认值,比如下面这样的写法:
def func(param = 0):
...
这样,在调用函数func()时,如果参数param没有传入,则参数默认为0;而如果传入了参数param,其就会覆盖默认值。
前面说过,Python和其他语言相比的一大特点是,Python是dynamically typed的,可以接受任何数据类型(整型,浮点,字符串等等)。对函数参数来说,这一点同样适用。比如还是刚刚的my_sum函数,我们也可以把列表作为参数来传递,表示将两个列表相连接:
print(my_sum([1, 2], [3, 4]))
# 输出
[1, 2, 3, 4]
同样,也可以把字符串作为参数传递,表示字符串的合并拼接:
print(my_sum('hello ', 'world'))
# 输出
hello world
当然,如果两个参数的数据类型不同,比如一个是列表、一个是字符串,两者无法相加,那就会报错:
print(my_sum([1, 2], 'hello'))
TypeError: can only concatenate list (not "str") to list
我们可以看到,Python不用考虑输入的数据类型,而是将其交给具体的代码去判断执行,同样的一个函数(比如这边的相加函数my_sum()),可以同时应用在整型、列表、字符串等等的操作中。
在编程语言中,我们把这种行为称为多态。这也是Python和其他语言,比如Java、C等很大的一个不同点。当然,Python这种方便的特性,在实际使用中也会带来诸多问题。因此,必要时请你在开头加上数据的类型检查。
Python函数的另一大特性,是Python支持函数的嵌套。所谓的函数嵌套,就是指函数里面又有函数,比如:
def f1():
print('hello')
def f2():
print('world')
f2()
f1()
# 输出
hello
world
这里函数f1()的内部,又定义了函数f2()。在调用函数f1()时,会先打印字符串'hello',然后f1()内部再调用f2(),打印字符串'world'。你也许会问,为什么需要函数嵌套?这样做有什么好处呢?
其实,函数的嵌套,主要有下面两个方面的作用。
第一,函数的嵌套能够保证内部函数的隐私。内部函数只能被外部函数所调用和访问,不会暴露在全局作用域,因此,如果你的函数内部有一些隐私数据(比如数据库的用户、密码等),不想暴露在外,那你就可以使用函数的的嵌套,将其封装在内部函数中,只通过外部函数来访问。比如:
def connect_DB():
def get_DB_configuration():
...
return host, username, password
conn = connector.connect(get_DB_configuration())
return conn
这里的函数get_DB_configuration,便是内部函数,它无法在connect_DB()函数以外被单独调用。也就是说,下面这样的外部直接调用是错误的:
get_DB_configuration()
# 输出
NameError: name 'get_DB_configuration' is not defined
我们只能通过调用外部函数connect_DB()来访问它,这样一来,程序的安全性便有了很大的提高。
第二,合理的使用函数嵌套,能够提高程序的运行效率。我们来看下面这个例子:
def factorial(input):
# validation check
if not isinstance(input, int):
raise Exception('input must be an integer.')
if input < 0:
raise Exception('input must be greater or equal to 0' )
...
def inner_factorial(input):
if input <= 1:
return 1
return input * inner_factorial(input-1)
return inner_factorial(input)
print(factorial(5))
这里,我们使用递归的方式计算一个数的阶乘。因为在计算之前,需要检查输入是否合法,所以我写成了函数嵌套的形式,这样一来,输入是否合法就只用检查一次。而如果我们不使用函数嵌套,那么每调用一次递归便会检查一次,这是没有必要的,也会降低程序的运行效率。
实际工作中,如果你遇到相似的情况,输入检查不是很快,还会耗费一定的资源,那么运用函数的嵌套就十分必要了。
函数变量作用域
Python函数中变量的作用域和其他语言类似。如果变量是在函数内部定义的,就称为局部变量,只在函数内部有效。一旦函数执行完毕,局部变量就会被回收,无法访问,比如下面的例子:
def read_text_from_file(file_path):
with open(file_path) as file:
...
我们在函数内部定义了file这个变量,这个变量只在read_text_from_file这个函数里有效,在函数外部则无法访问。
相对应的,全局变量则是定义在整个文件层次上的,比如下面这段代码:
MIN_VALUE = 1
MAX_VALUE = 10
def validation_check(value):
if value < MIN_VALUE or value > MAX_VALUE:
raise Exception('validation check fails')
这里的MIN_VALUE和MAX_VALUE就是全局变量,可以在文件内的任何地方被访问,当然在函数内部也是可以的。不过,我们不能在函数内部随意改变全局变量的值。比如,下面的写法就是错误的:
MIN_VALUE = 1
MAX_VALUE = 10
def validation_check(value):
...
MIN_VALUE += 1
...
validation_check(5)
如果运行这段代码,程序便会报错:
UnboundLocalError: local variable 'MIN_VALUE' referenced before assignment
这是因为,Python的解释器会默认函数内部的变量为局部变量,但是又发现局部变量MIN_VALUE并没有声明,因此就无法执行相关操作。所以,如果我们一定要在函数内部改变全局变量的值,就必须加上global这个声明:
MIN_VALUE = 1
MAX_VALUE = 10
def validation_check(value):
global MIN_VALUE
...
MIN_VALUE += 1
...
validation_check(5)
这里的global关键字,并不表示重新创建了一个全局变量MIN_VALUE,而是告诉Python解释器,函数内部的变量MIN_VALUE,就是之前定义的全局变量,并不是新的全局变量,也不是局部变量。这样,程序就可以在函数内部访问全局变量,并修改它的值了。
另外,如果遇到函数内部局部变量和全局变量同名的情况,那么在函数内部,局部变量会覆盖全局变量,比如下面这种:
MIN_VALUE = 1
MAX_VALUE = 10
def validation_check(value):
MIN_VALUE = 3
...
在函数validation_check()内部,我们定义了和全局变量同名的局部变量MIN_VALUE,那么,MIN_VALUE在函数内部的值,就应该是3而不是1了。
类似的,对于嵌套函数来说,内部函数可以访问外部函数定义的变量,但是无法修改,若要修改,必须加上nonlocal这个关键字:
def outer():
x = "local"
def inner():
nonlocal x # nonlocal关键字表示这里的x就是外部函数outer定义的变量x
x = 'nonlocal'
print("inner:", x)
inner()
print("outer:", x)
outer()
# 输出
inner: nonlocal
outer: nonlocal
如果不加上nonlocal这个关键字,而内部函数的变量又和外部函数变量同名,那么同样的,内部函数变量会覆盖外部函数的变量。
def outer():
x = "local"
def inner():
x = 'nonlocal' # 这里的x是inner这个函数的局部变量
print("inner:", x)
inner()
print("outer:", x)
outer()
# 输出
inner: nonlocal
outer: local
闭包
这节课的第三个重点,我想再来介绍一下闭包(closure)。闭包其实和刚刚讲的嵌套函数类似,不同的是,这里外部函数返回的是一个函数,而不是一个具体的值。返回的函数通常赋于一个变量,这个变量可以在后面被继续执行调用。
举个例子你就更容易理解了。比如,我们想计算一个数的n次幂,用闭包可以写成下面的代码:
def nth_power(exponent):
def exponent_of(base):
return base ** exponent
return exponent_of # 返回值是exponent_of函数
square = nth_power(2) # 计算一个数的平方
cube = nth_power(3) # 计算一个数的立方
square
# 输出
<function __main__.nth_power.<locals>.exponent(base)>
cube
# 输出
<function __main__.nth_power.<locals>.exponent(base)>
print(square(2)) # 计算2的平方
print(cube(2)) # 计算2的立方
# 输出
4 # 2^2
8 # 2^3
这里外部函数nth_power()返回值,是函数exponent_of(),而不是一个具体的数值。需要注意的是,在执行完square = nth_power(2)和cube = nth_power(3)后,外部函数nth_power()的参数exponent,仍然会被内部函数exponent_of()记住。这样,之后我们调用square(2)或者cube(2)时,程序就能顺利地输出结果,而不会报错说参数exponent没有定义了。
看到这里,你也许会思考,为什么要闭包呢?上面的程序,我也可以写成下面的形式啊!
def nth_power_rewrite(base, exponent):
return base ** exponent
确实可以,不过,要知道,使用闭包的一个原因,是让程序变得更简洁易读。设想一下,比如你需要计算很多个数的平方,那么你觉得写成下面哪一种形式更好呢?
# 不适用闭包
res1 = nth_power_rewrite(base1, 2)
res2 = nth_power_rewrite(base2, 2)
res3 = nth_power_rewrite(base3, 2)
...
# 使用闭包
square = nth_power(2)
res1 = square(base1)
res2 = square(base2)
res3 = square(base3)
...
显然是第二种,是不是?首先直观来看,第二种形式,让你每次调用函数都可以少输入一个参数,表达更为简洁。
其次,和上面讲到的嵌套函数优点类似,函数开头需要做一些额外工作,而你又需要多次调用这个函数时,将那些额外工作的代码放在外部函数,就可以减少多次调用导致的不必要的开销,提高程序的运行效率。
另外还有一点,我们后面会讲到,闭包常常和装饰器(decorator)一起使用。
总结
这节课,我们一起学习了Python函数的概念及其应用,有这么几点你需要注意:
-
Python中函数的参数可以接受任意的数据类型,使用起来需要注意,必要时请在函数开头加入数据类型的检查;
-
和其他语言不同,Python中函数的参数可以设定默认值;
-
嵌套函数的使用,能保证数据的隐私性,提高程序运行效率;
-
合理地使用闭包,则可以简化程序的复杂度,提高可读性。
思考题
最后给你留一道思考题。在实际的学习工作中,你遇到过哪些使用嵌套函数或者是闭包的例子呢?欢迎在下方留言,与我讨论,也欢迎你把这篇文章分享给你的同事、朋友。
精选留言
2019-05-29 11:41:29
比如说:
x = 1
def foo():
print(x)
x = 10
foo() # UnboundLocalError: local variable 'x' referenced before assignment
为什么会有这种结果,因为python寻找变量的时候,会按照本地作用域、闭包、全局、内置这种顺序去查找,当看到x=1的时候,python解释器就知道函数体内部创建了变量x,这是在编译的时候就已经确定了,于是在print的时候也会从本地查找,但是print(x)语句在x=10的上面,这是在执行的时候才发现的,于是报了个错:提示局部变量x在赋值之前就已经被引用了。
x = 1
def foo():
x += 1
foo() # UnboundLocalError: local variable 'x' referenced before assignment
这也是同样的道理,x += 1,相当于x = x+1,相当于将x的值和1进行相加然后再让x重新指向它,同样在编译的时候就知道函数内部创建了x这个变量,因此在执行x+1的时候,会从本地查找,但是发现本地此时还没有x,于是引发了同样的错误。
因此如果想在函数体内部修改全局变量,对于immutable类型,一定要使用global关键字,表示外部的变量和函数内部的变量是同一个变量,如果是mutable类型,比如list、dict,支持本地修改的话,那么可以不用使用global关键字,因为它们支持本地修改
关于python的传参,python和golang不一样,golang只有值传递,而python只有引用传递,无论是什么类型,python传的永远都是引用。
x = 1
def foo(x):
x = 2
foo(x)
print(x) # 1
传递x的时候,相当于传递了引用,函数的x通过外部的x找到了值为1的内存地址,相当于值为1的这片内存被贴了两个标签,当x=2的时候,那么会重新开辟一块内存,存储的值为2,然后让函数内部的x重新指向,但是外部的x该指向谁还是指向谁,所以外部的x是不会受影响的。但如果是列表,支持本地操作,外部和内部的变量指向同一个列表的话,那么内部变量进行append等本地操作是会影响外部的,因为它们指向同一片内存区域,并且是本地修改,而不是重新赋值
思考题:
from functools import wraps
def login_required(func):
@wraps(func)
def inner(*args, **kwargs):
user = input("请输入账号: ")
passwd = input("请输入密码: ")
if user == "bilibili" and passwd == "bilibili":
return func(*args, **kwargs)
return "页面去火星了"
return inner
@login_required
def login():
return "欢迎来到bilibili"
print(login())
2019-05-29 03:07:09
2019-05-30 11:18:18
这篇文章对大家理解闭包有一定帮助:https://zhuanlan.zhihu.com/p/26934085
2019-05-29 16:10:12
不使用闭包:
```
for img in imgs:
x = conv2d(img, weights1)
x = conv2d(x, weights2)
...
```
使用闭包:
```
conv_layer1 = conv_layer(weights1)
conv_layer2 = conv_layer(weights2)
for img in imgs:
x = conv_layer1(img)
x = conv_layer2(x)
...
```
2019-05-29 01:45:19
有两个问题:
1. python自己判断类型的多态和子类继承的多态Polymorphism应该不是一个意思吧?
2. 函数内部不能直接用+=等修改全局变量,但是对于list全局变量,可以使用append, extend之类修改,这是为什么呢?
2019-05-29 21:43:48
```python
def quickSort(arr):
def partition(arr, left, right):
pivot = arr[left]
while left < right:
while left < right and arr[right] > pivot:
right -= 1
if left < right:
arr[left] = arr[right]
while left < right and arr[left] < pivot:
left += 1
if left < right:
arr[right] = arr[left]
arr[left] = pivot
return left
def innerQuickSort(arr, left, right):
stack = []
stack.append(left)
stack.append(right)
while len(stack) > 0:
right = stack.pop()
left = stack.pop()
pivotIndex = partition(arr, left, right)
if pivotIndex + 1 < right:
stack.append(pivotIndex+1)
stack.append(right)
if left + 1 < pivotIndex:
stack.append(left)
stack.append(pivotIndex - 1)
innerQuickSort(arr, 0, len(arr)-1)
arr = [394, 129, 11, 39, 28]
quickSort(arr)
print(arr)
```
2020-02-16 22:31:33
2019-05-29 13:34:11
其实我上一个例子就是一个尝试,我之前只尝试过打印栈信息,只看到有2层,就是不清楚有些其他什么弊端。
2019-05-29 09:41:52
如下是会报异常NameError: name 'f' is not defined:
f()
def f():
print("test")
2019-05-29 07:04:00
2019-09-30 16:38:08
2019-05-29 13:25:56
但没有找到推荐的方式,就自己写了个
希望大佬们多多指出缺点,谢谢
def getSmoothList(lst):
def gen_expand(_list):
for item in _list:
if isinstance(item, (list, tuple)):
yield from gen_expand(item)
else:
yield item
return list(gen_expand(lst))
2019-05-29 09:51:15
苹果系统的:Pythonista 3
安卓系统的:PyDroid3
两个都有用,但感觉苹果的pythonista 特别的好用,打一半提示一半,半智能,自动格式化。
2019-05-30 15:38:22
def本身就是一个申明,如果不执行,不涉及对对象的引用,则不会报错,即使在函数内部引用了一个不存在的变量。关键在于执行的时候,被引用的变量或者函数是否被加载。
更详细的测试过程及分析,记录在博客中:https://www.jianshu.com/p/3c7f13cc6f8d
2019-08-27 11:44:07
2019-05-29 11:41:28
def factorial(input):
# validation check
if not isinstance(input, int):
raise Exception('input must be an integer.')
if input < 0:
raise Exception('input must be greater or equal to 0' )
...
def inner_factorial(input):
if input <= 1:
return 1
return input * inner_factorial(input-1)
return inner_factorial(input)
def factorial_1(input):
# validation check
if not isinstance(input, int):
raise Exception('input must be an integer.')
if input < 0:
raise Exception('input must be greater or equal to 0' )
def inner_factorial_1(input):
if input <= 1:
return 1
return input*inner_factorial_1(input-1)
%%time
for i in range(1000000):
factorial(100)
CPU times: user 21.6 s, sys: 11.6 ms, total: 21.6 s
Wall time: 21.7 s
%%time
for i in range(1000000):
factorial_1(100)
inner_factorial_1(100)
CPU times: user 19.7 s, sys: 12 ms, total: 19.7 s
Wall time: 19.7 s
2019-05-29 06:25:15
def func():
a['beijing'] = 17500
func()
print(a)
b = 'dfff'
def func_a():
b += 'ddd';
func_a()
print(b)
第一个改变了他的值,第二个确没有。是因为字典和列表是直接操作内存的?而变量的操作是重新生产一块内存?
2022-05-12 07:51:23
2022-02-01 19:34:20
2021-12-24 12:48:49