第 6 章 使用一等函數(shù)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)模式

本章小結(jié)
很多情況下， 在 Python 中使用函數(shù)或可調(diào)用對象實(shí)現(xiàn)回調(diào)更自然， 這比模仿 Gamma、 Helm、 Johnson 和 Vlissides 在書中所述的“策略”或“命令”模式要好。 本章對“策略”模式的重構(gòu)和對“命令”模式的討論是為了通過示例說明一個(gè)更為常見的做法： 有時(shí)， 設(shè)計(jì)模式或 API 要求組件實(shí)現(xiàn)單方法接口， 而那個(gè)方法的名稱很寬泛， 例如“execute”“run”或“doIt”。 在 Python 中， 這些模式或 API 通常可以使用一等函數(shù)或其他可調(diào)用的對象實(shí)現(xiàn)， 從而減少樣板代碼.

第 7 章 函數(shù)裝飾器和閉包

函數(shù)裝飾器用于在源碼中“標(biāo)記”函數(shù)， 以某種方式增強(qiáng)函數(shù)的行為。 這
是一項(xiàng)強(qiáng)大的功能， 但是若想掌握， 必須理解閉包。
除了在裝飾器中有用處之外， 閉包還是回調(diào)式異步編程和函數(shù)式編程風(fēng)格的基礎(chǔ)。

7.1 裝飾器基礎(chǔ)知識(shí)

裝飾器是可調(diào)用的對象， 其參數(shù)是另一個(gè)函數(shù)（ 被裝飾的函數(shù)） 。 裝飾器可能會(huì)處理被裝飾的函數(shù)， 然后把它返回， 或者將其替換成另一個(gè)函數(shù)或可調(diào)用對象。

7.4 變量作用域規(guī)則

>>> def f1(a):
... print(a)
... print(b)
...
>>> f1(3)     # 很好理解，因?yàn)閍有了，而b沒有說明
3
Traceback (most recent call last):
File "<stdin>", line 1, in <module>
File "<stdin>", line 3, in f1
NameError: global name 'b' is not defined   # 全局變量b未定義

>>> b = 6   # 我們接著添加一句b
>>> f1(3)
3
6     # b 作為全局變量就會(huì)被識(shí)別

>>> b = 6           # 全局變量 b
>>> def f2(a):
... print(a)
... print(b)   # 自己測試時(shí)，把這條刪除，結(jié)果就是3,6；因?yàn)檫@條，無法識(shí)別 b
... b = 9
...
>>> f2(3)    # 可是這里卻不識(shí)別，報(bào)錯(cuò)，這是怎么解釋？
3
Traceback (most recent call last):
File "<stdin>", line 1, in <module>
File "<stdin>", line 3, in f2
UnboundLocalError: local variable 'b' referenced before assignment  # 局部變量未定義

??， Python 編譯函數(shù)的定義體時(shí)， 它判斷 b 是局部變量， 因?yàn)樵诤瘮?shù)中給它賦值了。 生成的字節(jié)碼證實(shí)了這種判斷， Python 會(huì)嘗試從本地環(huán)境獲取 b。 后面調(diào)用 f2(3) 時(shí)， f2 的定義體會(huì)獲取并打印局部變量 a 的值， 但是嘗試獲取局部變量 b 的值時(shí)， 發(fā)現(xiàn) b 沒有綁定值。
這不是缺陷， 而是設(shè)計(jì)選擇： Python 不要求聲明變量， 但是假定在函數(shù)定義體中賦值的變量是局部變量。 這比 JavaScript 的行為好多了，JavaScript 也不要求聲明變量， 但是如果忘記把變量聲明為局部變量（ 使用 var） ， 可能會(huì)在不知情的情況下獲取全局變量。

>>> b = 6
>>> def f3(a):
... global b
... print(a)
... print(b)
... b = 9
...
>>> f3(3)
3
6       # 第一次運(yùn)行，b本身就是全局變量，所以b = 6,這次執(zhí)行完后，內(nèi)部b 已經(jīng)是9了
>>> b   # 函數(shù)是按順序執(zhí)行的，此時(shí)b被再次賦值， b = 9了
9 
>>> f3(3)   # 再次調(diào)用函數(shù)時(shí)，此時(shí)不經(jīng)過b = 6,直接內(nèi)部獲取b = 9
3
9
>>> b = 30
>>> b
30
>>> f3(3)
3            # b = 30 又再一次成為全局變量
30           # ??這次的變量的作用域判斷為閉包學(xué)習(xí)打基礎(chǔ)  

7.5 閉包

閉包指延伸了作用域的函數(shù)， 其中包含函數(shù)定義體中引用、 但是不在定義體中定義的非全局變量。 函數(shù)是不是匿名的沒有關(guān)系， 關(guān)鍵是它能訪問定義體之外定義的非全局變量。

我們來實(shí)現(xiàn)一個(gè)平均求值的功能：
面向?qū)ο蟮淖龇?/p>

class Averager():
    def __init__(self):
        self.series = []
    def __call__(self, new_value):
        self.series.append(new_value)
        total = sum(self.series)
        return total/len(self.series)

>>> avg = Averager()      # Averager 的實(shí)例是可調(diào)用對象：
>>> avg(10)
10.0
>>> avg(11)
10.5
>>> avg(12)
11.0

函數(shù)式編程的做法：

def make_averager():
    series = []
    def averager(new_value):
        series.append(new_value)
        total = sum(series)
        return total/len(series)
    return averager

>>> avg = make_averager()
>>> avg(10)
10.0
>>> avg(11)
10.5
>>> avg(12)

global 關(guān)鍵字用來在函數(shù)或其他局部作用域中使用全局變量。但是如果不修改全局變量也可以不使用global關(guān)鍵字, nonlocal 關(guān)鍵字用來在函數(shù)或其他作用域中使用外層(非全局)變量。

綜上，閉包是一種函數(shù), 它會(huì)保留定義函數(shù)時(shí)存在的自由變量的綁定，這樣調(diào)用函數(shù)時(shí)， 雖然定義作用域不可用了， 但是仍能使用那些綁定。

注意， 只有嵌套在其他函數(shù)中的函數(shù)才可能需要處理不在全局作用域中的外部變量。

7.6 nonlocal聲明

一個(gè)有問題的函數(shù)：

def make_averager():
    count = 0
    total = 0
    def averager(new_value):
         count += 1
        total += new_value
        return total / count
    return averager

>>> avg = make_averager()
>>> avg(10)
Traceback (most recent call last):
...
UnboundLocalError: local variable 'count' referenced before assignment
>>>

問題是， 當(dāng) count 是數(shù)字或任何不可變類型時(shí)，count += 1 語句的作用其實(shí)與 count = count + 1 一樣。 因此， 我們在 averager的定義體中為 count賦值了， 這會(huì)把 count變成局部變量。total 變量也受這個(gè)問題影響。

對數(shù)字、 字符串、 元組等不可變類型來說， 只能讀取， 不能更新。如果嘗試重新綁定， 例如count = count + 1， 其實(shí)會(huì)隱式創(chuàng)建局部變量 count。 這樣， count 就不是自由變量了， 因此不會(huì)保存在閉包中。

為了解決這個(gè)問題， Python 3 引入了 nonlocal 聲明。 它的作用是把變量標(biāo)記為自由變量， 即使在函數(shù)中為變量賦予新值了， 也會(huì)變成自由變量。 如果為 nonlocal 聲明的變量賦予新值， 閉包中保存的綁定會(huì)更新。

7.11 本章小結(jié)

本章介紹了很多基礎(chǔ)知識(shí)， 雖然學(xué)習(xí)之路崎嶇不平， 我還是盡可能讓路途平坦順暢。 畢竟， 我們已經(jīng)進(jìn)入元編程領(lǐng)域了。

開始， 我們先編寫了一個(gè)沒有內(nèi)部函數(shù)的@register 裝飾器； 最后，
我們實(shí)現(xiàn)了有兩層嵌套函數(shù)的參數(shù)化裝飾器@clock()

盡管注冊裝飾器在多數(shù)情況下都很簡單， 但是在高級(jí)的 Python 框架中卻有用武之地。 我們使用注冊方式對第 6 章的“策略”模式做了重構(gòu)。
參數(shù)化裝飾器基本上都涉及至少兩層嵌套函數(shù)， 如果想使用@functools.wraps生成裝飾器， 為高級(jí)技術(shù)提供更好的支持， 嵌套層級(jí)可能還會(huì)更深， 比如前面簡要介紹過的疊放裝飾器。

我們還討論了標(biāo)準(zhǔn)庫中 functools 模塊提供的兩個(gè)出色的函數(shù)裝飾
器： @lru_cache() 和 @singledispatch。

若想真正理解裝飾器， 需要區(qū)分導(dǎo)入時(shí)和運(yùn)行時(shí)， 還要知道變量作用域、 閉包和新增的nonlocal 聲明。 掌握閉包和 nonlocal不僅對構(gòu)建裝飾器有幫助， 還能協(xié)助你在構(gòu)建 GUI 程序時(shí)面向事件編程， 或者使用回調(diào)處理異步 I/O。

雜談

任何把函數(shù)當(dāng)作一等對象的語言， 它的設(shè)計(jì)者都要面對一個(gè)問題：作為一等對象的函數(shù)在某個(gè)作用域中定義， 但是可能會(huì)在其他作用域中調(diào)用。 問題是， 如何計(jì)算自由變量？ 首先出現(xiàn)的最簡單的處理方式是使用“動(dòng)態(tài)作用域”。 也就是說， 根據(jù)函數(shù)調(diào)用所在的環(huán)境計(jì)算自由變量。

在 Python 中， 裝飾器函數(shù)相當(dāng)于 Decorator 的具體子類， 而裝飾器返回的內(nèi)部函數(shù)相當(dāng)于裝飾器實(shí)例。 返回的函數(shù)包裝了被裝飾的函數(shù)， 這相當(dāng)于“裝飾器”設(shè)計(jì)模式中的組件。 返回的函數(shù)是透明的， 因?yàn)樗邮芟嗤膮?shù)， 符合組件的接口。 返回的函數(shù)把調(diào)用轉(zhuǎn)發(fā)給組件， 可以在轉(zhuǎn)發(fā)前后執(zhí)行額外的操作。 因此， 前面引用那段話的最后一句可以改成： “透明性使得你可以遞歸嵌套多個(gè)裝飾器， 從而可以添加任意多的行為。 ”這就是疊放裝飾器的理論基礎(chǔ)。

注意， 我不是建議在 Python 程序中使用函數(shù)裝飾器實(shí)現(xiàn)“裝飾器”模式。 在特定情況下確實(shí)可以這么做， 但是一般來說， 實(shí)現(xiàn)“裝飾器”模式時(shí)最好使用類表示裝飾器和要包裝的組件.