Python-Python高阶技巧：闭包、装饰器、设计模式、多线程、网络编程、正则表达式、递归

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当前版本号[20231018]。

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20231018	初版

目录

Python高阶技巧

闭包

通过全局变量account_amount来记录余额

尽管功能实现是ok的，但是仍有问题：

• 代码在命名空间上（变量定义）不够干净、整洁
• 全局变量有被修改的风险

如何解决？

• 将变量定义在函数内部是行不通的
• 我们需要使用闭包

在函数嵌套的前提下，内部函数使用了外部函数的变量，并且外部函数返回了内部函数，我们把这个使用外部函数变量的内部函数称为闭包。

简单闭包

修改外部函数变量的值

实现以下atm取钱的闭包实现了

闭包注意事项

优点，使用闭包可以让我们得到：

•无需定义全局变量即可实现通过函数，持续的访问、修改某个值

•闭包使用的变量的所用于在函数内，难以被错误的调用修改

缺点：

•由于内部函数持续引用外部函数的值，所以会导致这一部分内存空间不被释放，一直占用内存

示例代码：

def account_create(initial_amount=0):
    def atm(num, deposit=True):
        nonlocal initial_amount
        if deposit:
            initial_amount += num
            print(f"存款：+{num}, 账户余额：{initial_amount}")
        else:
            initial_amount -= num
            print(f"存款：-{num}, 账户余额：{initial_amount}")

    return atm

atm = account_create()
atm(300)
atm(200)
atm(100, False)

装饰器

装饰器其实也是一种闭包， 其功能就是在不破坏目标函数原有的代码和功能的前提下，为目标函数增加新功能。

希望给sleep函数，增加一个功能：

•在调用sleep前输出：我要睡觉了

•在调用sleep后输出：我起床了

装饰器的一般写法（闭包写法）

装饰器的语法糖写法

示例代码：

def outer(func):
    def inner():
        print("我要睡觉了")
        func()
        print("我起床了")
    return inner

@outer
def sleep():
    import random
    import time
    print("睡眠中……")
    time.sleep(random.randint(1, 5))

sleep()

设计模式

设计模式是一种编程套路，可以极大的方便程序的开发。

最常见、最经典的设计模式，就是我们所学习的面向对象了。

除了面向对象外，在编程中也有很多既定的套路可以方便开发，我们称之为设计模式：

• 单例、工厂模式
• 建造者、责任链、状态、备忘录、解释器、访问者、观察者、中介、模板、代理模式
• 等等模式

单例模式

创建类的实例后，就可以得到一个完整的、独立的类对象。

通过print语句可以看出，它们的内存地址是不相同的，即t1和t2是完全独立的两个对象。

某些场景下， 我们需要一个类无论获取多少次类对象，都仅仅提供一个具体的实例

用以节省创建类对象的开销和内存开销，比如某些工具类，仅需要1个实例，即可在各处使用

这就是单例模式所要实现的效果。

单例模式（Singleton Pattern）是一种常用的软件设计模式，该模式的主要目的是确保某一个类只有一个实例存在。

在整个系统中，某个类只能出现一个实例时，单例对象就能派上用场。

• 定义: 保证一个类只有一个实例,并提供一个访问它的全局访问点
• 适用场景:当一个类只能有一个实例，而客户可以从一个众所周知的访问点访问它时。

单例的实现模式

工厂模式

当需要大量创建一个类的实例的时候， 可以使用工厂模式。

即，从原生的使用类的构造去创建对象的形式迁移到，基于工厂提供的方法去创建对象的形式。

• 使用工厂类的get_person()方法去创建具体的类对象

优点：

• 大批量创建对象的时候有统一的入口，易于代码维护
• 当发生修改，仅修改工厂类的创建方法即可
• 符合现实世界的模式，即由工厂来制作产品（对象）

示例代码：

class Person:
    pass

class Worker(Person):
    pass

class Student(Person):
    pass

class Teacher(Person):
    pass

class PersonFactory:
    def get_person(self, p_type):
        if p_type == 'w':
            return Worker()
        elif p_type == 's':
            return Student()
        else:
            return Teacher()

pf = PersonFactory()
worker = pf.get_person('w')
stu = pf.get_person('s')
teacher = pf.get_person('t')

多线程

进程、线程和并行执行

进程、线程

现代操作系统比如Mac OS X，UNIX，Linux，Windows等，都是支持“多任务”的操作系统。

进程： 就是一个程序，运行在系统之上，那么便称之这个程序为一个运行进程，并分配进程ID方便系统管理。

线程：线程是归属于进程的，一个进程可以开启多个线程，执行不同的工作，是进程的实际工作最小单位。

进程就好比一家公司，是操作系统对程序进行运行管理的单位

线程就好比公司的员工，进程可以有多个线程（员工），是进程实际的工作者

操作系统中可以运行多个进程，即多任务运行

一个进程内可以运行多个线程，即多线程运行

注意点：

进程之间是内存隔离的， 即不同的进程拥有各自的内存空间。 这就类似于不同的公司拥有不同的办公场所。

线程之间是内存共享的，线程是属于进程的，一个进程内的多个线程之间是共享这个进程所拥有的内存空间的。

这就好比，公司员工之间是共享公司的办公场所。

并行执行

并行执行的意思指的是同一时间做不同的工作。

进程之间就是并行执行的，操作系统可以同时运行好多程序，这些程序都是在并行执行。

除了进程外，线程其实也是可以并行执行的。

也就是比如一个Python程序，其实是完全可以做到：

• 一个线程在输出：你好
• 一个线程在输出：Hello

像这样一个程序在同一时间做两件乃至多件不同的事情， 我们就称之为：多线程并行执行

多线程编程

threading模块

绝大多数编程语言，都允许多线程编程，Pyhton也不例外。

Python的多线程可以通过threading模块来实现。

多线程练习案例

import time
import threading

def sing(msg):
    while True:
        print(msg)
        time.sleep(1)

def dance(msg):
    while True:
        print(msg)
        time.sleep(1)

if __name__ == '__main__':
    #创建一个唱歌的线程
    sing_thread = threading.Thread(target=sing, args=("我要唱歌！",))
    #创建一个跳舞的线程
    dance_thread = threading.Thread(target=dance, kwargs={"msg": "我在跳舞！"})

#使线程开始工作
sing_thread.start()
dance_thread.start()

网络编程

服务端开发

Socket

socket (简称 套接字) 是进程之间通信一个工具，好比现实生活中的插座，所有的家用电器要想工作都是基于插座进行，进程之间想要进行网络通信需要socket。

Socket负责进程之间的网络数据传输，好比数据的搬运工。

客户端和服务端

2个进程之间通过Socket进行相互通讯，就必须有服务端和客户端

Socket服务端：等待其它进程的连接、可接受发来的消息、可以回复消息

Socket客户端：主动连接服务端、可以发送消息、可以接收回复

Socket服务端编程

主要分为如下几个步骤：

1. 创建socket对象

2. 绑定socket_server到指定IP和地址

3. 服务端开始监听端口

4. 接收客户端连接，获得连接对象

5. 客户端连接后，通过recv方法，接收客户端发送的消息

6. 通过conn（客户端当次连接对象），调用send方法可以回复消息

7. conn（客户端当次连接对象）和socket_server对象调用close方法，关闭连接

实现服务端并结合客户端进行测试

下载网络调试助手作为客户端

https://github.com/nicedayzhu/netAssist/releases

示例代码：

#演示Socket服务端开发

import socket
#创造Socket对象
socket_server = socket.socket()
#修改ip地址和端口
socket_server.bind(("localhost", 8888))
#监听端口
socket_server.listen(1)
#listen 方法内接受一个整数传参数， 表示接受的链接数量
#等待客户端链接
#result： tuple = socket_server.accept()
#conn = result[0]    客户端和服务端的链接对象
#address = result[1]  客户端的地址信息
conn, address = socket_server.accept()
#accept方法返回的是二元元组（链接对象，客户端地址信息）
#可以通过 变量1， 变量2 = socket_server.accept()的形式，直接接受二元元组内的两个元素
#accept()方法，是阻塞的方法，等待客户端的链接，如果没有链接，就卡在这一行不再向下执行

print(f"我接收到了客户端的链接，客户端的信息是：{address}")

while True:
    #接受客户端的信息，要使用客户端和服务端的本次链接对象，而非socket_server对象
    data: str = conn.recv(1024).decode("UTF-8")
    #recv接受的参数是缓冲区大小，一般1024即可
    #recv方法的返回值是一个字节数组也就是bytes对象，不是字符串，可通过decade方法通过UTF-8编码，将字节数组转换为字符串对象
    print(f"客户端发来的信息是：{data}")
    #发送回复消息
    msg = input("请输入你要和客户端回复的消息：")
    if msg == 'exit':
        break
    conn.send(msg.encode("UTF-8"))

#关闭链接
conn.close()
socket_server.close()

客户端开发

Socket客户端编程

主要分为如下几个步骤：

1. 创建socket对象

2. 连接到服务端

3. 发送消息

4. 接收返回消息

5. 关闭链接

服务端客户端相互通讯

结合上一节学习的服务端代码，以及当前学习的客户端代码。

两者均运行起来，进行相互通讯。

正则表达式

基础匹配

正则表达式，又称规则表达式（Regular Expression），是使用单个字符串来描述、匹配某个句法规则的字符串，常被用来检索、替换那些符合某个模式（规则）的文本。

简单来说，正则表达式就是使用：字符串定义规则，并通过规则去验证字符串是否匹配。

比如，验证一个字符串是否是符合条件的电子邮箱地址，只需要配置好正则规则，即可匹配任意邮箱。

比如通过正则规则： (¹+(.[\w-]+)*@[\w-]+(.[\w-]+)+$) 即可匹配一个字符串是否是标准邮箱格式

但如果不使用正则，使用if else来对字符串做判断就非常困难了。

正则的三个基础方法

Python正则表达式，使用re模块，并基于re模块中三个基础方法来做正则匹配。

分别是：match、search、findall 三个基础方法

• re.match(匹配规则， 被匹配字符串)

从被匹配字符串开头进行匹配， 匹配成功返回匹配对象（包含匹配的信息），匹配不成功返回空。

• search(匹配规则， 被匹配字符串)

搜索整个字符串，找出匹配的。从前向后，找到第一个后，就停止，不会继续向后

整个字符串都找不到，返回None

• findall(匹配规则， 被匹配字符串)

匹配整个字符串，找出全部匹配项

找不到返回空list: []

2. re模块的三个主要方法

• re.match，从头开始匹配，匹配第一个命中项
• re.search，全局匹配，匹配第一个命中项
• re.findall，全局匹配，匹配全部命中项

元字符匹配

在刚刚我们只是进行了基础的字符串匹配，正则最强大的功能在于元字符匹配规则。

单字符匹配

示例：

字符串 s = “itheima1 @@python2 !!666 ##itcast3”

• 找出全部数字：

re.findall(r‘\d’, s)

字符串的r标记，表示当前字符串是原始字符串，即内部的转义字符无效而是普通字符

• 找出特殊字符：

re.findall(r‘\W’, s)

• 找出全部英文字母：

re.findall(r’[a-zA-Z]’, s)

[]内可以写：[a-zA-Z0-9] 这三种范围组合或指定单个字符如[aceDFG135]

数量匹配

边界匹配

分组匹配

递归

递归在编程中是一种非常重要的算法

递归： 即方法（函数）自己调用自己的一种特殊编程写法

如：

函数调用自己，即称之为递归调用。

递归找文件

最典型的递归场景为找出一个文件夹中全部的文件。

如图，在D:/test 文件夹内，有如下嵌套结构和所属的文件， 可以通过递归编程的形式完成

3. os模块的3个方法

• os.listdir，列出指定目录下的内容
• os.path.isdir，判断给定路径是否是文件夹，是返回True，否返回False

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