一篇夯实一个知识点系列－－python装饰器

写在前面

本系列目的：希望可以通过一篇文章，不望鞭辟入里，但求在工程应用中得心应手。

• 装饰器模式是鼎鼎大名的23种设计模式之一。装饰器模式可以在不改变原有代码结构的情况下，扩展代码功能。
• Python将装饰器作为Python的一种特性，内置了对装饰器的支持，使得Python使用者在使用装饰器时更加方便，合理使用装饰器，可以使Python代码极具美感。
• 由于设计模式是一套被反复使用的代码设计经验，并不是编码必备的技能。所以在编码过程中，完全放弃使用装饰器。但是如果你不写出pythonic风格的，没有坏味道的代码，那么装饰器是这条路上绕不过的坎儿。

干货儿

包含八节内容：闭包(实现装饰器的基础)，不带参数的函数装饰器，带参数的函数装饰器，不带参数的类装饰器，带参数的类装饰器，常用内建装饰器，装饰器总结(套路总结)，装饰器经典实例(单例模式)。

• 闭包

  装饰器是通过闭包实现的。闭包是一个比较复杂的话题，深了说可以讲到python对常量表和符号表的处理方式。这里只做简单介绍。个人认为只要记住以下三个特性，就明白了闭包的概念。

  • 一个闭包是一个作用域。一个闭包只能访问作用域内的local变量和作用域外的nonlocal变量。
  • 如果在作用域外有和作用域内同名的变量var，如果在作用域内先使用变量var,然后再定义变量var，那么会抛出a变量先使用后定义的错误。
  • 闭包可以将作用域"封装"。那么我们可以在闭包之外，访问闭包内的局部变量。因为局部变量被"封装"在了闭包内。

• 不带参数函数装饰器
  假设有一个需求，我们需要在每个函数运行时,打印当下时刻的时间戳。那么有以下两种写法：

  • 不使用装饰器
    编写一个打印时间戳的工具函数，编写一个业务函数。传入业务函数对象到工具函数中，实现打印时间戳并执行业务函数的需求。代码如下：

    import time
    
    def f():
        print("f is running!")
    
    def f1():
        print("f1 is running!")
    
    def print_running_time(f):
        print("running time:", time.time())
        f()
    
    print_running_time(f)
    print_running_time(f1)
    
    >>> ('running time:', 1588864281.154459)
        f is running!
        ('running time:', 1588864281.154483)
        f1 is running!
    

  • 使用装饰器(函数装饰器)

    编写一个打印时间戳的装饰器函数，编写一个业务函数。装饰器函数装饰业务函数，实现打印时间戳并执行业务函数的需求。代码如下：

    import time
    
    def print_running_time(f):
        def wrapper():
            print("running time:", time.time())
            f()
        return wrapper
    
    @print_running_time
    def f():
        print("f is running!")
    
    @print_running_time
    def f1():
        print("f1 is running!")
    
    f()
    f1()
    
    >>> ('running time:', 1588864281.154459)
             f is running!
            ('running time:', 1588864281.154483)
            f1 is running!
    

  • 以上两种写法对比
    通过对比以上两种写法，我们可以发现最明显的区别是代码在运行时，第一种写法执行的print_running_time函数，第二种写法执行的是f函数。那么明显第二种写法中抽象出的语义更加接近我们的业务需求。在同样需求增加的情况下，第一种写法需要写更多的工具函数，并且在执行业务函数时需要进行多层嵌套，极大地增加了代码的复杂度。第二种写法可以增加多个装饰函数装饰到业务函数上方，在多需求下依旧保持代码的可读性和层次感，功能的独立性和扩展性。

    • 初探装饰器原理

      装饰器的代码运行分为两步，装饰器初始化(在运行至被装饰函数定义处)和执行被装饰函数(在运行至被装饰函数调用处)
      以第二种写法装饰器的写法为例，装饰器的原理如下：

      • 在代码加载过程中，代码从上往下执行，那么在执行到#1代码时，相当于执行了#2代码。(#1和＃2的代码是等价的。＠docorator_func装饰ｆ，就相当于执行decorator_func(f))。根据#2代码中print_running_time可知，执行print_running_time(f)的返回值是wrapper(注意返回的是函数对象wrapper，不是wrapper()).

        # 1
        @print_running_time
        def f():
            print("f is running!")
        
        # 2
        print_running_time(f)
        
        # 3
        def print_running_time(f):          #3.1
            def wrapper():                  #3.2
                print("running time:", time.time())     #3.3
                f()                                     #3.4
            return wrapper
        
        # 4
        f()
        
        

      • 那么源码中#1处的三行代码，返回值为wrapper，即相当于通过增加@装饰函数，f现在已经指向了wrapper对象。

      • 根据之前提到闭包的特性：闭包可以访问作用之外的非局部变量，可以将作用域"封装",在闭包之外访问闭包内的变量。所以wrapper可以访问＃3.1中到自己外层函数的参数ｆ变量(被装饰器函数对象)，并且可以封装wrapper作用域，保存ｆ变量。

      • 执行#4处的业务函数f(),即执行#3.2的wrapper()代码，即执行#3.3和#3.4代码。

      • 整个过程中需要注意的是，在代码运行至#1时，f作为装饰器参数被#3.2wrapper闭包保留，在#1执行完之后，会存在两个f对象，#4的f对象指向wrapper，#3.4的f对象依旧是#1处的f对象。

      • 执行流程为f()> wrapper()> 执行#7.1 #7.2代码==>打印当前时刻时间戳，顺利执行了原有的业务函数。

• 带参数的函数装饰器

  现在有新的需求，根据调试和生产环境的不同，需要往复地开关打印时间戳的功能，那么这时就需要为装饰器函数增加参数，来作为是否打印时间戳的开关。如以下代码所示，ｆ()会打印当前函数的执行时间，ｆ1()则不会打印函数的执行时间

       import time
   
       ＃ １
       def print_running_time(*flag):
           def outer_wrapper(f):
               def inner_wrapper():
                   if flag:
                       print("running time:", time.time())
                   f()
               return inner_wrapper
           return outer_wrapper
   
       ＃ ２
       @print_running_time(1)
       def f():
           print("f is running!")
   
       # 3
       @print_running_time()
       def f1():
           print("f1 is running!")
   
       f()
       f1()
   
       >>> ('running time:', 1588860065.265516)
           f is running!
           f1 is running!
  

  带参数装饰器原理

  • 之前简单装饰器原理==>＠decorator_func装饰业务函数ｆ<=>decorator_func(f),那么＃２处的代码<=>print_running_time(1)(f)<=>outer_wrapper(f)<=>inner_wrapper。需要注意的是inner_wrapper作为闭包，包含了外层两个变量flag和f的原始值。
  • 接下来调用f(),执行inner_wrapper(),通过判断flag真假，选择是否打印当前时间戳，然后执行业务函数，实现需求。

• 不带参数类装饰器

  • 准确来说，装饰器的本质是将一个可调用对象作为参数传入另一个可调用对象，然后通过闭包保存变量，在适当的时候执行。我们知道，python有两个特性

    • Python中函数和类都是一等对象(这也是装饰器能作为python特性的原因之一)。
    • python中若callable(obj)为真，那么这个对象就是可调用的。所以类，函数，方法，实现了__call__魔术方法的类实例，都是可调用对象。

  • 根据装饰器的本质和以上Python两个特性可以得出以下结论：

    • 函数和类都可以作为装饰器，也可以被装饰器装饰。
    • 类装饰器和函数装饰器思路相同，__init__作为对象初始化的第一步,可以实现一层闭包的效果

  • 将之前简单函数装饰器的例子换成类装饰器，代码如下(为了与之前代码保持一致，所以类名不符合Python命名规范)：

    import time
    
    class print_running_time:
        def __init__(self, f):  # 相当于闭包，通过实例属性保存变量f实现闭包中的变量封装
            self.f = f
    
        def __call__(self):     # 类实例可以被调用 
            print("running time:", time.time())
            return self.f()
    
    @print_running_time
    def f():
        print("f is running!")
    
    @print_running_time
    def f1():
        print("f1 is running!")
    
    f()
    f1()
    
    >>> 输出同简单函数装饰器
    

• 带参数的类装饰器

  • 将之前简单函数装饰器的例子换成类装饰器，代码如下：

    import time
    
    class print_running_time:
        def __init__(self, *flag):  # 相当于闭包，通过实例属性保存变量flag实现闭包中的变量封装
            self.flag = flag
    
        def __call__(self, f):     # 类实例可以被调用,传入业务函数f
            def wrapper():
                if self.flag:
                    print("running time:", time.time())
                f()
            return wrapper
    
    
    @print_running_time(1)
    def f():
        print("f is running!")
    
    @print_running_time()
    def f1():
        print("f1 is running!")
    
    f()
    f1()
    
    >>> 输出同带参数的函数装饰器
    

• 常用内建装饰器

  装饰器是Python最重要的特性之一，Python实现了很多对装饰器的支持

  • wraps
    wraps可以保留被装饰函数的__doc__。如下代码所示，wraps装饰器的开关会导致打印f.__doc__出现两种结果

    • 如果注释掉#1.1的代码，打印结果为#1.3
    • 如果加上#1.1的代码，打印结果为#2.1

    import time
    from functools import wraps
    
    # 1
    def print_running_time(f):
        @wraps(f)                   # 1.1
        def wrapper():
            '''the func wrapper'''  # 1.3
            print("running time:", time.time())
            f()
        return wrapper
    
    # 2
    @print_running_time
    def f():
        '''the func f'''        # 2.1
        print("f is running!")
    
    print(f.__doc__)
    
    >>> the func f
    

  • property 、setter、 deleter

    这三个是孪生兄弟，其中property用的最多，setter和deleter依附property。

    • property:将函数调用转化为属性
    • setter:设置属性
    • deleter:删除属性
    • 类似于JavaBean，可以将对属性的操作写入函数中，限制属性操作，保护
      属性安全。代码如下：

    class Student(object):
    
        @property
        def name(self):
            return self._name
    
        @name.setter
        def name(self, name):
            if len(name) < 2:
                raise ValueError("无名大侠？")
            self._name = name
    
        @name.deleter
        def name(self):
            del self._name
    
    stu = Student()
    stu.name = "刘"      # name.setter
    print(stu.name)         ## property
    del stu.name           # name.deleter
    print(stu.name)         # raise AttributeError  
    
    

• 多装饰器叠加

  多个装饰器叠加是python中很常见的骚操作，如Flask和Django中都会用到，举例如下：

  import sys
  
  # 1
  def f1(func):
      print('f1 start')
      def wrapper():              # 1.1
          print('f1 ' + sys._getframe().f_code.co_name + ' start')
          func()                  # 1.2
          print('f1 ' + sys._getframe().f_code.co_name + ' end')
      print('f1 end')
      return wrapper
  
  # 2 
  def f2(func):
      print('f2 start')
      def wrapper():                  # 2.1
          print('f2 ' + sys._getframe().f_code.co_name + ' start')
          func()                      # 2.2
          print('f2 ' + sys._getframe().f_code.co_name + ' end')
      print('f2 end')
      return wrapper
  
  # 3
  @f1
  @f2
  def func():                 #3.1
      print('the func')
  
  #4
  func()                      #4.1              
  
  >>> f2 start
      f2 end
      f1 start
      f1 end
      f1wrapper start
      f2wrapper start
      the func
      f2wrapper end
      f1wrapper end
  

  • 多装饰器执行过程分析
    执行分为两步，装饰器初始化，被装饰函数执行。顺序如下：
  1. 装饰器初始化，根据装饰器原理，#3处的代码等价于f1(f2(func))
  2. 执行f2(func); >>> f2 start f2 end; return #2.1处的wrapper(#2.2处的func为#3.1处的func)
  3. 执行f1(f2(func))==> f1(#2.1处的wrapper); >>> f1 start f1 end; return #1.1处的wrapper(#1.2处的func为#2.1处的wrapper)
  4. 装饰器初始化结束, 以上两步的输出如下：

     >>> f2 start
             f2 end
             f1 start
             f1 end
     

  5. 被装饰函数执行：func() <=> #1.1处的wrapper，替换之后代码如下

     print('f1 ' + sys._getframe().f_code.co_name + ' start')
     func()                  # 1.2
     print('f1 ' + sys._getframe().f_code.co_name + ' end')
     

     #1.2处的func <=> # 2.1处的wrapper，替换之后代码如下

     print('f1 ' + sys._getframe().f_code.co_name + ' start')
     print('f2 ' + sys._getframe().f_code.co_name + ' start')
     func()                      # 2.2
     print('f2 ' + sys._getframe().f_code.co_name + ' end')
     print('f1 ' + sys._getframe().f_code.co_name + ' end')
     

     #2.2处的func即为#4.1处的func，执行以上代码，输出结果如下：

      >>> f1wrapper start
          f2wrapper start
          the func
          f2wrapper end
          f1wrapper end
     

• 装饰器总结

  • 装饰器原理：#1代码与#2代码等价

       # 1
       @decorator_func
       def func():
           pass
    
       # 2
       decorator_func(func)
    

  • 装饰器套路
    不带参数的函数装饰器需要有两层函数：

    • 外层函数参数为被装饰函数对象

    • 内层参数为被装饰函数的参数

      带参数的函数装饰器需要有三层函数：

      • 外层函数参数为装饰器函数参数(简直是废话，外层函数本来就是装饰器函数)
      • 中层函数参数为被装饰函数对象
      • 内层参数为被装饰函数的参数

      类装饰器同理，最外层函数可以用__init_函数代替，中层(如果有和内层函数写在__call__中

  • 多个装饰器叠加
    根据业务函数和装饰器函数的距离，由近及远执行装饰器函数(外层函数)，然后由远到近执行内层函数。

• 装饰器经典实例：单例模式

  以下均单进程可行，多线程需要加锁

  单例模式

    ```python
    # eg:1
    class Singleton:
        _singleton = None
  
        def __new__(cls):
            if cls._singleton is None:
                cls._singleton = super().__new__(cls)
            return cls._singleton
  
  
    ins1 = Singleton()
    ins2 = Singleton()
    print(ins1 is ins2)
  
    # eg:2
    def singleton(cls):
        ins_pool = {}
  
        def inner():
            if cls not in ins_pool:
                ins_pool[cls] = cls()
            return ins_pool[cls]
        return inner
  
    @singleton
    class Cls:
        def __init__(self):
            pass
  
    ins1 = Cls()
    ins2 = Cls()
    print(ins1 is ins2)
  
    # eg:3
    class Singleton:
  
        def __init__(self, cls):
            self.ins_pool = {}
            self.cls = cls
  
        def __call__(self):
            print(self.ins_pool)
            if self.cls not in self.ins_pool:
                self.ins_pool[self.cls] = self.cls()
            return self.ins_pool[self.cls]
  
  
    @Singleton
    class Cls:
        def __init__(self):
            pass
  
    ins1 = Cls()
    ins2 = Cls()
    print(ins1 is ins2)
    ```
  

写在最后

希望大家可以通过本文掌握装饰器这个杀手级特性。欢迎关注个人博客:药少敏的博客