Python进阶

Python 进阶

1. PEP8 编码规范, 及开发中的一些惯例和建议

• 练习: 规范化这段代码

  from django.conf import settings
  from user.models import *
  import sys, os
  mod=0xffffffff
  def foo  ( a , b = 123 ):
      c={ 'x' : 111 , 'y' : 222 }#定义一个字典
      d=[ 1 , 3,5 ]
      return a,b , c
  def bar(x):
      if x%2==0 : return True

• 为什么要有编码规范

  • 编码是给人看的还是给机器看的？
  • 美观是重点吗？
    1. 美观
    2. 可读性
    3. 可维护性
    4. 健壮性
  • 团队内最好的代码状态: 所有人写出的代码像一个人写出来的

• 代码编排:

  • 缩进 4 个空格, 禁止空格与 Tab 混用
  • 行长 80 字符: 防止单行逻辑过于复杂

• import

  • 不要使用 from xxx import *
  • 顺序
    1. 标准库
    2. 第三方库
    3. 自定义库
  • 单行不要 import 多个库
  • 模块内用不到的不要去 import

• 空格

  • : , 后面跟一个空格, 前面无空格 (行尾分号后无空格)
  • 二元操作符前后各一个空格, 包括以下几类:
    1. 数学运算符: + - * / // = & |
    2. 比较运算符: == != > < >= <= is not in
    3. 逻辑运算符: and or not
    4. 位运算符: & | ^ << >>
  • 当 = 用于指示关键字参数或默认参数值时, 不要在其两侧使用空格

• 适当添加空行

  • 函数间: 顶级函数间空 2 行, 类的方法之间空 1 行
  • 函数内: 同一函数内的逻辑块之间, 空 1 行
  • 文件结尾: 留一个空行 (Unix 中 \n 是文件的结束符)

• 注释

  • 忌: 逐行添加注释, 没有一个注释
  • 行尾注释: 单行逻辑过于复杂时添加
  • 块注释: 一段逻辑开始时添加
  • 引入外来算法或者配置时须在注释中添加源连接, 标明出处
  • 函数、类、模块尽可能添加 docstring

• 命名

  • 好的变量名要能做到“词能达意” 见名知意
  • 除非在 lambda 函数中, 否则不要用 单字母 的变量名 (即使是 lambda 函数中的变量名也应该尽可能的有意义)
  • 包名、模块名、函数名、方法、普通变量名全部使用小写, 单词间用下划线连接
  • 类名、异常名使用 CapWords (首字母大写) 的方式, 异常名结尾加 Error 或 Wraning 后缀
  • 全局变量尽量使用大写, 一组同类型的全局变量要加上统一前缀, 单词用下划线连接
  • 函数名必须有动词, 最好是 do_something 的句式, 或者 somebody_do_something 句式

• 语意明确、直白

  • not xx in yy VS xx not in yy
  • not a is b VS a is not b

• 程序的构建

  • 函数是模块化思想的体现
  • 独立的逻辑应该抽离成独立函数，让代码结构更清晰，可复用度更高
  • 一个函数只做一件事情, 并把这件事做好
  • 大的功能用小函数之间灵活组合来完成
  • 避免编写庞大的程序, “大” 意味着体积庞大, 逻辑复杂甚至混乱

• 自定义的变量名、函数名不要与标准库中的名字冲突

• pip install pycodestyle pylint flake8 autopep8

2. * 和 ** 的用法

• 函数定义时接收不定长参数

  def foo(*args, **kwargs):
      pass

• 参数传递

  def foo(x, y,z, a, b):
      print(x)
      print(y)
      print(z)
      print(a)
      print(b)
  lst = [1, 2, 3]
  dic = {'a': 22, 'b': 77}
  foo(*lst, **dic)

• import * 语法

  • 文件 xyz.py

    __all__ = ('a', 'e', '_d')
    
    a = 123
    _b = 456
    c = 'asdfghjkl'
    _d = [1,2,3,4,5,6]
    e = (9,8,7,6,5,4)

  • 文件 abc.py

    from xyz import *
    print(a)
    print(_b)
    print(c)
    print(_d)
    print(e)

3. Python 的赋值和引用

• ==, is: == 判断的是值, is 判断的是内存地址 (即对象的id)

• 小整数对象: [-5, 256]

• copy, deepcopy 的区别

  • copy: 只拷贝表层元素
  • deepcopy: 在内存中重新创建所有子元素

• 练习1: 说出执行结果

  def extendList(val, lst=[]):
      lst.append(val)
      return lst
  
  list1 = extendList(10)
  list2 = extendList(123, [])
  list3 = extendList('a')

• 练习2: 说出下面执行结果

  from copy import copy, deepcopy
  from pickle import dumps, loads
  
  a = ['x', 'y', 'z']
  b = [a] * 3 # [['x','y','z'], ['x','y','z'], ['x','y','z']]
  c = copy(b)
  d = deepcopy(b)
  e = loads(dumps(b, 4))
  
  b[1].append(999)
  b.append(777)
  
  c[1].append(999)
  c.append(555)
  
  d[1].append(999)
  d.append(333)
  
  e[1].append(999)
  e.append(111)

• 自定义 deepcopy: my_deepcopy = lambda item: loads(dumps(item, 4))

4. 迭代器, 生成器

• 练习: 说出如下代码的打印结果

  >>> def foo():
  ...    print(111)
  ...    yield 222
  ...    print(333)
  ...    yield 444
  ...    print(555)
  
  >>> n = foo()
  >>> next(n)
  >>> next(n)
  >>> next(n)

• generator: 生成器是一种特殊的迭代器, 不需要自定义 __iter__ 和 __next__

  • 生成器函数 (yield)
  • 生成器表达式

class Range:
    def __init__(self, start, end=None, step=1):
        if end is None:
            self.end = start
            self.start = 0
        else:
            self.start = start
            self.end = end
        self.step = step

    def __iter__(self):
        return self

    def __next__(self):
        if self.start < self.end:
            current = self.start
            self.start += self.step
            return current
        else:
            raise StopIteration()

• iterator: 任何实现了 __iter__ 和 __next__ 方法的对象都是迭代器.

  • __iter__ 得到一个迭代器。迭代器的__iter__()返回自身
  • __next__ 返回迭代器下一个值
  • 如果容器中没有更多元素, 则抛出 StopIteration 异常
  • Python2中没有 __next__(), 而是 next()

• str / bytes / list / tuple / dict / set 自身不是迭代器，他们自身不具备 __next__(), 但是具有 __iter__(), __iter__() 方法用来把自身转换成一个迭代器

• 练习1: 定义一个随机数迭代器, 随机范围为 [1, 50], 最大迭代次数 30

  import random
  
  class RandomIter:
      def __init__(self, start, end, times):
          self.start = start
          self.end = end
          self.count = times
  
      def __iter__(self):
          return self
  
      def __next__(self):
          self.count -= 1
          if self.count >= 0:
              return random.randint(self.start, self.end)
          else:
              raise StopIteration()

• 练习2: 自定义一个迭代器, 实现斐波那契数列

  class Fib:
      def __init__(self, max_value):
          self.prev = 0
          self.curr = 1
          self.max_value = max_value
  
      def __iter__(self):
          return self
  
      def __next__(self):
          if self.curr <= self.max_value:
              res = self.curr
              self.prev, self.curr = self.curr, self.prev + self.curr  # 为下一次做准备
              return res
          else:
              raise StopIteration()

• 练习3: 自定义一个生成器函数, 实现斐波那契数列

  def fib(max_value):
      prev = 0
      curr = 1
      while curr < max_value:
          yield curr
          prev, curr = curr, curr + prev

• 迭代器、生成器有什么好处？

  • 节省内存
  • 惰性求值 （惰性求值思想来自于 Lisp 语言）

• 各种推导式

  • 分三部分：生成值的表达式, 循环主体, 过滤条件表达式
  • 列表: [i * 3 for i in range(5) if i % 2 == 0]
  • 字典: {i: i + 3 for i in range(5)}
  • 集合: {i for i in range(5)}

5. 装饰器

• 最简装饰器

  from functools import wraps
  def deco_outter(n):
      def deco(func):
          @wraps(func)
          def wrap(*args, **kwargs):
              return func(*args, **kwargs)
          return wrap
      return deco
  
  @deco(10)
  def foo(a, b):
      return a ** b

• 原理

  • 对比被装饰前后的 foo.__name__ 和 foo.__doc__

    from functools import wraps
    
    def deco(func):
        '''i am deco'''
        @wraps(func)  # 还原被装饰器修改的原函数属性
        def wrap(*args, **kwargs):
            '''i am wrap'''
            return func(*args, **kwargs)
        return wrap

  • 简单过程

    fn = deco(func)
    foo = fn
    foo(*args, **kwargs)

  • 多个装饰器叠加调用的过程

    @deco1
    @deco2
    @deco3
    def foo(x, y):
        return x ** y
    
    # 过程拆解 1
    fn3 = deco3(foo)
    fn2 = deco2(fn3)
    fn1 = deco1(fn2)
    foo = fn1
    foo(3, 4)
    
    # 过程拆解 2
    # 单行: deco1( deco2( deco3(foo) ) )(3, 2)
    deco1(
        deco2(
            deco3(foo)
        )
    )(3, 4)

• 带参数的装饰器

  def deco(n):
      def wrap1(func):
          def wrap2(*args, **kwargs):
              return func(*args, **kwargs)
          return wrap2
      return wrap1
  
  # 调用过程
  wrap1 = deco(n)
  wrap2 = wrap1(foo)
  foo = wrap2
  foo()
  
  # 单行形式
  check_result(30)(foo)(4, 8)

• 装饰器类和 __call__

  class Deco:
      def __init__(self, func):
          self.func = func
  
      def __call__(self, *args, **kwargs):
          return self.func(*args, **kwargs)
  
  @Deco
  def foo(x, y):
      return x ** y
  
  # 过程拆解
  fn = Deco(foo)
  foo = fn
  foo(12, 34)

• 使用场景

  • 参数、结果检查
  • 缓存、计数
  • 日志、统计
  • 权限管理
  • 重试
  • 其他

• 练习1: 写一个 timer 装饰器, 计算出被装饰函数调用一次花多长时间, 并把时间打印出来

  import time
  from functools import wraps
  
  def timer(func):
      @wraps(func)  # 修正 docstring
      def wrap(*args, **kwargs):
          time0 = time.time()
          result = func(*args, **kwargs)
          time1 = time.time()
          print(time1 - time0)
          return result
      return wrap

• 练习2: 写一个 Retry 装饰器

  import time
  
  class retry(object):
      def __init__(self, max_retries=3, wait=0, exceptions=(Exception,)):
          self.max_retries = max_retries
          self.exceptions = exceptions
          self.wait = wait
  
      def __call__(self, func):
          def wrapper(*args, **kwargs):
              for i in range(self.max_retries + 1):
                  try:
                      result = func(*args, **kwargs)
                  except self.exceptions:
                      time.sleep(self.wait)
                      continue
                  else:
                      return result
          return wrapper

6. 函数闭包

• Function Closure: 引用了自由变量的函数即是一个闭包. 这个被引用的自由变量和这个函数一同存在, 即使已经离开了创造它的环境也不例外.

• 说出下面函数返回值

  def foo():
      l = []
      def bar(i):
          l.append(i)
          return l
      return bar
  
  f1 = foo()
  f2 = foo()
  
  # 说出下列语句执行结果
  f1(1)
  f1(2)
  f2(3)

• 深入一点: object.__closure__

• 作用域

  ┌───────────────────────────┐
  │ built-in namespace        │
  ├───────────────────────────┤  ↑
  │ global namespace          │
  │   ┌───────────────────────┤
  │   │ local namespace       │  n = 123
  │   │   ┌───────────────────┤
  │   │   │ local namespace   │  ↑
  │   │   │   ┌───────────────┤
  │   │   │   │ ...           │  print(n)
  └───┴───┴───┴───────────────┘
  

  • 声明全局变量: global
  • 声明非本层的 局部变量 : nonlocal
  • 查看全局变量: globals()
  • 查看局部变量: locals()
  • 查看变量: vars([object]) # 不传参数相当于 locals(), 传入对象后, 会得到 object.__dict__

7. 类方法和静态方法

• method

  • 通过实例调用
  • 可以引用类内部的任何属性和方法
  • 第一个参数是self

• classmethod

  • 无需实例化
  • 可以调用类属性和类方法
  • 无法取到普通的成员属性和方法
  • 第一个参数是cls,表示类本身

• staticmethod

  • 无需实例化
  • 无法取到类内部的任何属性和方法, 完全独立的一个方法
  • 无需传任何参数

• 练习: 说出下面代码的运行结果

  class Test(object):
      x = 123
  
      def __init__(self):
          self.y = 456
  
      def bar1(self):
          print('i am a method')
  
      @classmethod
      def bar2(cls):
          print('i am a classmethod')
  
      @staticmethod
      def bar3():
          print('i am a staticmethod')
  
      def foo1(self):
          print(self.x)
          print(self.y)
          self.bar1()
          self.bar2()
          self.bar3()
  
      @classmethod
      def foo2(cls):
          print(cls.x)
          print(cls.y) # 会报错
          cls.bar1() # 会报错,因为bar1是实例方法. 得通过self.bar1
          cls.bar2()
          cls.bar3()
  
      @staticmethod
      def foo3(obj):
          print(obj.x)
          print(obj.y)
          obj.bar1()
          obj.bar2()
          obj.bar3()
  
  t = Test()
  t.foo1()
  t.foo2()
  t.foo3()

8. 继承相关问题

• 什么是多态

  class Animal:
      def run(self):
          print('animal running')
  
  class Lion(Animal):
      def run(self):
          print('lion running')
  
  class Tiger(Animal):
      def run(self):
          print('tiger running')
  
  class LionTiger(Lion, Tiger):
      pass
  
  cub = LionTiger()
  cub.run()
  isinstance(cub, Lion)
  isinstance(cub, Tiger)

• 多继承

  • 方法和属性的继承顺序: Cls.mro()

  • 菱形继承问题

    继承关系示意
    菱形继承
         A.foo()
       /   \
      B     C.foo()
       \   /
         D.mro()  # 方法的继承顺序，由 C3 算法得到
    

• Mixin: 通过单纯的 mixin 类完成功能组合

• super

  class A:
      def __init__(self):
          print('enter A')
          self.x = 111
          print('exit A')
  
  class B(A):
      def __init__(self):
          print('enter B')
          self.y = 222
          A.__init__(self)
          # super().__init__()
          print('exit B')
  
  class C(A):
      def __init__(self):
          print('enter C')
          self.z = 333
          A.__init__(self)
          # super().__init__()
          print('exit C')
  
  class D(B, C):
      def __init__(self):
          print('enter D')
          B.__init__(self)
          C.__init__(self)
          # super().__init__()
          print('exit D')
  
  d = D()

9. 垃圾收集 (GC)

• Garbage Collection (GC)

• 引用计数

  • 优点: 简单、实时性高

  • ==>

  • 缺点: 消耗资源、循环引用

    lst1 = [3, 4]           # lst1->ref_count 1
    lst2 = [8, 9]           # lst2->ref_count 1
    
    # lst1 -> [3, 4, lst2]
    lst1.append(lst2)       # lst2->ref_count 2
    
    # lst2 -> [8, 9, lst1]
    lst2.append(lst1)       # lst1->ref_count 2
    
    del lst1                # lst1->ref_count 1
    del lst2                # lst2->ref_count 1

• 标记-清除, 分代收集

  • 用来回收引用计数无法清除的内存

10. Python 魔术方法

1. __str__ 格式化输出对象

2. __init__ 和 __new__

   • __new__ 创建一个实例，并返回类的实例

   • __init__ 初始化实例，无返回值

   • __new__ 是一个特殊的类方法,不需要使用@classmethod来装饰.

     • 单例模式

       class A(object):
           '''单例模式'''
           obj = None
           def __new__(cls, *args, **kwargs):
               if cls.obj is None:
                   cls.obj = object.__new__(cls)
               return cls.obj

3. 数学运算、比较运算

   • 运算符重载

     • +: __add__(value)
     • -: __sub__(value) substract
     • *: __mul__(value) mulply
     • /: __truediv__(value) (Python 3.x), __div__(value) (Python 2.x) divide
     • //: __floordiv__(value)
     • %: __mod__(value)
     • &: __and__(value)
     • |: __or__(value)

   • 练习: 实现字典的 __add__ 方法, 作用相当于 d.update(other)

     class Dict(dict):
         def __add__(self, other):
             if isinstance(other, dict):
                 new_dict = {}
                 new_dict.update(self)
                 new_dict.update(other)
                 return new_dict
             else:
                 raise TypeError('not a dict')

   • 比较运算符的重载

     • ==: __eq__(value)
     • !=: __ne__(value)
     • >: __gt__(value)
     • >=: __ge__(value)
     • <: __lt__(value)
     • <=: __le__(value)

   • 练习: 完成一个类, 实现数学上无穷大的概念

     class Inf:
         def __lt__(self, other):
             return False
         def __le__(self, other):
             return False
         def __ge__(self, other):
             return True
         def __gt__(self, other):
             return True
         def __eq__(self, other):
             return False
         def __ne__(self, other):
             return True

4. 容器方法

   • __len__ -> len

   • __iter__ -> for

   • __contains__ -> in

   • __getitem__ 对 string, bytes, list, tuple, dict 有效

   • __setitem__ 对 list, dict 有效

   • __missing__ 对 dict 有效, 字典的预留接口, dict 本身并没有实现

     class Dict(dict):
         def __missing__(self, key):
             self[key] = None # 当检查到 Key 缺失时, 可以做任何默认行为

5. 可执行对象: __call__

6. 上下文管理 with:

   • __enter__ 进入 with 代码块前的准备操作
   • __exit__ 退出时的善后操作
   • 文件对象、线程锁、socket 对象 等 都可以使用 with 操作
   • 示例

     class A:
         def __enter__(self):
             return self
     
         def __exit__(self, Error, error, traceback):
             print(Error, error, traceback)

7. __setattr__, __getattribute__, __getattr__, __dict__

   • 内建函数：setattr(), getattr(), hasattr() python的内省.

   • 常用来做属性监听

     class User:
         '''TestClass'''
         z = [7,8,9]
         def __init__(self):
             self.money = 10000
             self.y = 'abc'
     
         def __setattr__(self, name, value):
             if name == 'money' and value < 0:
                 raise ValueError('money < 0')
             print('set %s to %s' % (name, value))
             object.__setattr__(self, name, value)
     
         def __getattribute__(self, name):
             print('get %s' % name)
             return object.__getattribute__(self, name)
     
         def __getattr__(self, name):
             print('not has %s' % name)
             return -1
     
         def foo(self, x, y):
             return x ** y
     
     # 对比
     a = User()
     print(User.__dict__)
     print(a.__dict__)

8. 槽: __slots__

   • 固定类所具有的属性

   • 实例不会分配 __dict__

   • 实例无法动态添加属性

   • 优化内存分配, 大概能节约40%的内存.

     class A:
         __slots__ = ('x', 'y')

11. Python 性能之困

1. 计算密集型

   • CPU 长时间满负荷运行, 如图像处理、大数据运算、圆周率计算等
   • 计算密集型: 用 C 语言补充
   • Profile, timeit

2. I/O 密集型 (input/output)

   • 网络 IO, 文件 IO, 设备 IO 等
   • 一切皆文件

3. 多任务处理

   • 进程、线程、协程调度的过程叫做上下文切换
   • 进程、线程、协程对比

   名称	资源占用	数据通信	上下文切换 (Context)
   进程	大(M)	不方便 (网络、共享内存、管道等)	操作系统按时间片切换, 不够灵活, 慢
   线程	小(k)	非常方便	按时间片切换, 不够灵活, 快
   协程	非常小(bytes)	非常方便	根据I/O事件切换, 更加有效的利用 CPU

4. 全局解释器锁 ( GIL )

   • 它确保任何时候一个进程中都只有一个 Python 线程能进入 CPU 执行。
   • 全局解释器锁造成单个进程无法使用多个 CPU 核心
   • 通过多进程来利用多个 CPU 核心，一般进程数与CPU核心数相等，或者CPU核心数两倍
     

5. 什么是同步、异步、阻塞、非阻塞？

   • 同步, 异步: 客户端调用服务器接口时
   • 阻塞, 非阻塞: 服务端发生等待
   • 阻塞 -> 非阻塞 (阻塞是停下来等待,非阻塞是不会等待, 解决io问题.)
   • 同步 -> 异步 (同步 是 任务一个 接一个执行,异步是任务同时执行.解决任务量大的问题)

6. 事件驱动 + 多路复用

   • 轮询: select, poll
   • 事件驱动: epoll 基于事件的有效轮询 (e:event )

7. 协程：Stackless / greenlets / gevent | tornado / asyncio

   import asyncio
   
   async def foo(n):
       for i in range(10):
           print('wait %s s' % n)
           await asyncio.sleep(n)
       return i
   
   task1 = foo(1)
   task2 = foo(1.5)
   tasks = [asyncio.ensure_future(task1),
            asyncio.ensure_future(task2)]
   
   loop = asyncio.get_event_loop()  # 事件循环，协程调度器
   loop.run_until_complete( asyncio.wait(tasks))

8. 线程安全, 锁

   • 获得锁之后, 一定要释放, 避免死锁
   • 尽量使用 with 去操作锁
   • 获得锁之后, 执行的语句, 只跟被锁资源有关
   • 线程之间的数据交互尽量使用 queue

12. 一些技巧和误区

1. 格式化打印 json

   • 调试时数据格式化：json.dumps(data, indent=4, sort_keys=True, ensure_ascii=False)
   • 传输时 json 压缩: json.dumps(data, ensure_ascii=False, separators=[',',':'])

2. 确保能取到有效值

   • d.get(k, default) 无值时使用默认值，对原字典无修改
   • d.setdefault 无值时使用默认值，并将默认值写入原字典
   • x = a if foo() else b
   • a or b python中所有的对象都有真值, or返回真的, and是遇到假的就返回.

3. try…except… 的滥用

   • 不要把所有东西全都包住, 程序错误需要报出来
   • 使用 try...except 要指明具体错误, try 结构不是用来隐藏错误的, 而是用来有方向的处理错误的

4. 利用 dict 做模式匹配

   def do1():
       print('i am do1')
   
   def do2():
       print('i am do2')
   
   def do3():
       print('i am do3')
   
   def do4():
       print('i am do4')
   
   mapping = {1: do1, 2: do2, 3: do3, 4: do4}
   mod = random.randint(1, 10)
   func = mapping.get(mod, do4)
   func()

5. inf, -inf, nan

6. 字符串拼接尽量使用 join 方式: 速度快, 内存消耗小

7. property: 把一个方法属性化

   class C(object):
       @property
       def x(self):
           "I am the 'x' property."
           return self._x
       
       # c.x = xx  user.password
       @x.setter
       def x(self, value):
       	self._x = value
           
       @x.deleter
       def x(self): 
       	del self._x

8. else 子句: if, for, while, try

9. collections 模块

   • defaultdict

   • OrderedDict

   • Counter

     c[n] += 1

   • namedtuple

     Dog = namedtuple(‘Dog’, [‘head’, ‘body’, ‘leg’, ‘tail’])

     dog = Dog(1,1,4,1)

     dog.head