一文讀懂 Python 裝飾器-Python教學-PHP中文網

一文讀懂 Python 裝飾器

Python 是一種對新手很友善的語言。但是，它也有很多較難掌握的高級功能，例如裝飾器（decorator）。許多初學者一直不理解裝飾器及其工作原理，在這篇文章中，我們將介紹裝飾器的來龍去脈。

在 Python 中，函數是一種非常靈活的結構，我們可以把它賦值給變數、當作參數傳遞給另一個函數，或是當成某個函數的輸出。裝飾器本質上也是一種函數，它可以讓它函數在不經過修改的情況下增加一些功能。

這也就是「裝飾」的意義，這種「裝飾」本身代表著一種功能，如果用它來修飾不同的函數，那麼也就是為這些函數增加這種功能。

一般而言，我們可以使用裝飾器提供的 @ 語法糖（Syntactic Sugar）來修飾其它函數或物件。如下所示我們用@dec 裝飾器修飾函數func ()：

@dec
def func():
 pass

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理解裝飾器的最好方式是了解裝飾器解決什麼問題，本文將從具體問題出發一步步引出裝飾器，並展示它的優雅與強大。

設定問題

為了解裝飾器的目的，接下來我們來看一個簡單的範例。假如你有一個簡單的加法函數dec.py，第二個參數的預設值為10：

# dec.py
def add(x, y=10):
 return x + y

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我們來更認真地看一下這個加法函數：

>>> add(10, 20)
30
>>> add
<function add at 0x7fce0da2fe18>
>>> add.__name__
'add'
>>> add.__module__
'__main__'
>>> add.__defaults__ # default value of the `add` function
(10,)
>>> add.__code__.co_varnames # the variable names of the `add` function
('x', 'y')

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我們不需要理解這些都是什麼，只需要記住Python 中的每個函數都是對象，它們有各種屬性和方法。你也可以透過inspect 模組查看add() 函數的原始碼：

>>> from inspect import getsource
>>> print(getsource(add))
def add(x, y=10):
 return x + y

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現在你以某種方式使用該加法函數，例如你使用一些操作來測試該函數：

# dec.py
from time import time
def add(x, y=10):
 return x + y
print('add(10)', add(10))
print('add(20, 30)', add(20, 30))
print('add("a", "b")', add("a", "b"))
Output: i
add(10) 20
add(20, 30) 50
add("a", "b") ab

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假如你想了解每個操作的時間，可以呼叫time 模組：

# dec.py
from time import time
def add(x, y=10):
 return x + y
before = time()
print('add(10)', add(10))
after = time()
print('time taken: ', after - before)
before = time()
print('add(20, 30)', add(20, 30))
after = time()
print('time taken: ', after - before)
before = time()
print('add("a", "b")', add("a", "b"))
after = time()
print('time taken: ', after - before)
Output:
add(10) 20
time taken:6.699562072753906e-05
add(20, 30) 50
time taken:6.9141387939453125e-06
add("a", "b") ab
time taken:6.9141387939453125e-06

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現在，你作為一個程式設計人員是不是有些手癢，畢竟我們不喜歡總是複製貼上相同的程式碼。現在的程式碼可讀性不強，如果你想改變什麼，你就得修改所有出現的地方，Python 肯定有更好的方式。

我們可以按照以下做法，直接在 add 函數中捕捉運行時間：

# dec.py
from time import time
def add(x, y=10):
 before = time()
 rv = x + y
 after = time()
 print('time taken: ', after - before)
 return rv
print('add(10)', add(10))
print('add(20, 30)', add(20, 30))
print('add("a", "b")', add("a", "b"))

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這種方法肯定比前一種要好。但是如果你還有另一個函數，那麼這似乎就不方便了。當我們有多個函數時：

# dec.py
from time import time
def add(x, y=10):
 before = time()
 rv = x + y
 after = time()
 print('time taken: ', after - before)
 return rv
def sub(x, y=10):
 return x - y
print('add(10)', add(10))
print('add(20, 30)', add(20, 30))
print('add("a", "b")', add("a", "b"))
print('sub(10)', sub(10))
print('sub(20, 30)', sub(20, 30))

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因為 add 和 sub 都是函數，我們可以利用這一點寫一個 timer 函數。我們希望timer 能計算一個函數的運算時間：

def timer(func, x, y=10):
 before = time()
 rv = func(x, y)
 after = time()
 print('time taken: ', after - before)
 return rv

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這很不錯，不過我們必須使用timer 函數包裝不同的函數，如下所示：

print('add(10)', timer(add,10)))

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現在預設值還是10 嗎？未必。那麼如何做得更好呢？

這裡有一個主意：創建一個新的timer 函數，並包裝其他函數，然後返回包裝後的函數：

def timer(func):
 def f(x, y=10):
 before = time()
 rv = func(x, y)
 after = time()
 print('time taken: ', after - before)
 return rv
 return f

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現在，你只需用timer 包裝一下add和sub 函數：

add = timer(add)

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這樣就可以了！以下是完整程式碼：

# dec.py
from time import time
def timer(func):
 def f(x, y=10):
 before = time()
 rv = func(x, y)
 after = time()
 print('time taken: ', after - before)
 return rv
 return f
def add(x, y=10):
 return x + y
add = timer(add)
def sub(x, y=10):
 return x - y
sub = timer(sub)
print('add(10)', add(10))
print('add(20, 30)', add(20, 30))
print('add("a", "b")', add("a", "b"))
print('sub(10)', sub(10))
print('sub(20, 30)', sub(20, 30))
Output:
time taken:0.0
add(10) 20
time taken:9.5367431640625e-07
add(20, 30) 50
time taken:0.0
add("a", "b") ab
time taken:9.5367431640625e-07
sub(10) 0
time taken:9.5367431640625e-07
sub(20, 30) -10

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我們來總結一下這個過程：我們有一個函數（例如 add 函數），然後用一個動作（例如計時）包裝該函數。包裝的結果是一個新函數，能實現某些新功能。

當然了，預設值還有點問題，我們稍後會解決它。

裝飾器

現在，上面的解決方案以及非常接近裝飾器的思想了，使用常見行為包裝某個具體的函數，這種模式就是裝飾器在做的事。使用裝飾器後的程式碼是：

def add(x, y=10):
 return x + y
add = timer(add)
You write:
@timer
def add(x, y=10):
 return x + y

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它們的作用是一樣的，這就是 Python 裝飾器的作用。它實現的作用類似 add = timer(add)，只不過裝飾器把句法放在函數上面，句法更簡單：@timer。

# dec.py
from time import time
def timer(func):
 def f(x, y=10):
 before = time()
 rv = func(x, y)
 after = time()
 print('time taken: ', after - before)
 return rv
 return f
@timer
def add(x, y=10):
 return x + y
@timer
def sub(x, y=10):
 return x - y
print('add(10)', add(10))
print('add(20, 30)', add(20, 30))
print('add("a", "b")', add("a", "b"))
print('sub(10)', sub(10))
print('sub(20, 30)', sub(20, 30))

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參數和關鍵字參數

現在，還有一個小問題沒有解決。在 timer 函數中，我們將參數 x 和 y 寫死了，即指定 y 的預設值為 10。有一種方法可以傳輸該函數的參數和關鍵字參數，即 *args 和 **kwargs。參數是函數的標準參數（在本例中 x 為參數），關鍵字參數是已具備預設值的參數（本例中是 y=10）。程式碼如下：

# dec.py
from time import time
def timer(func):
 def f(*args, **kwargs):
 before = time()
 rv = func(*args, **kwargs)
 after = time()
 print('time taken: ', after - before)
 return rv
 return f
@timer
def add(x, y=10):
 return x + y
@timer
def sub(x, y=10):
 return x - y
print('add(10)', add(10))
print('add(20, 30)', add(20, 30))
print('add("a", "b")', add("a", "b"))
print('sub(10)', sub(10))
print('sub(20, 30)', sub(20, 30))

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現在，該 timer 函數可以處理任意函數、任意參數和任意預設值設定了，因為它只是將這些參數傳輸到函數中。

高階裝飾器

你們可能會懷疑：如果我們可以用一個函數包裝另一個函數來加入有用的行為，那麼我們可以再進一步嗎？我們用一個函數包裝另一個函數，再被另一個函數包裝嗎？

可以！事實上，函數的深度可以隨你的意。例如，你要寫一個裝飾器來執行某個函數 n 次。如下所示：

def ntimes(n):
 def inner(f):
 def wrapper(*args, **kwargs):
 for _ in range(n):
 rv = f(*args, **kwargs)
 return rv
 return wrapper
 return inner

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然後你可以使用上述函數包裝另一個函數，例如前文中的 add 函數：

@ntimes(3)
def add(x, y):
 print(x + y)
 return x + y

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輸出的語句表示程式碼確實執行了 3 次。

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