Python基础之闭包和装饰器
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Python中的闭包和装饰器
Python中的闭包
讲装饰器之前，先来说一下闭包。
闭包的由来
首先我们需要知道，我们是可以在函数中再定义一个函数的（嵌套函数）。
就像这样：
def foo():
def bar():
print("Hello world!")
return bar
此时我们调用 foo 函数，会得到一个其内部定义的 bar 函数。我们把 foo 函数的返回值赋值给一个变量就可以使用这个变量来调用 bar 函数了。
就像这样：
func = foo() # func <- bar
func() # bar()
输出：
Hello world!
好了，闭包的故事就发生在上面这样的嵌套函数中。
举个例子：
def foo():
name = "Andy" # 定义了一个foo函数内部的局部变量
def bar():
print(name) # 在bar函数内部引用了其外部函数foo的局部变量name
return bar
现在，我们来调用一下 foo 函数：
func = foo()
func()
上面的代码，输出结果是：
Andy
bar函数不需要传参数，就能获取到外面的变量。
这就是典型的一个闭包现象。
闭包的定义
函数内部定义的函数，称为内部函数。如果这个内部函数使用了它外部函数的局部变量，即使外部函数返回了，这个内部函数还可以访问到外部函数的局部变量，这种现象就叫做闭包。
注意，即使你在调用 func 之前，定义一个全局变量 name，它还是会使用原来foo 函数内部的 name ：
func = foo()
name = "Egon"
func()
输出：
Andy
此时调用 func 函数时它会使用自己定义阶段引用的外部函数的局部变量 name ，而不使用调用阶段的全局变量。
闭包的实质
闭包是由函数和与它相关的引用环境组合而成的实体。
Python中可以通过以下命令查看闭包相关信息：
print(func.__closure__)
输出：
(<cell at 0x105280408: str object at 0x10544fa78>,)
__closure__ 属性定义的是一个包含 cell 对象的元组，其中元组中的每一个 cell 对象用来保存作用域中变量的值。可以通过以下命令查看闭包具体包含的变量值：
print(func.__closure__[0].cell_contents)
输出：
Andy
像下面的 func 函数就不能称为闭包，因为它并没有使用包含它的外部函数的局部变量。
name = "Alex" # 定义了一个全局变量
def foo():
def bar():
print(name) # 在bar函数内部引用了全局变量name
return bar
func = foo()
此时：
print(func.__closure__)
输出：
None
闭包的介绍就到这里，接下来我们来说一说Python中的装饰器。
为什么要有装饰器？
在学习装饰器之前，一定要了解一个开放封闭原则。软件开发都应该遵循开放封闭原则。
开放封闭原则
- 对扩展是开放的
- 对修改是封闭的
为什么说要对扩展是开放的呢？
因为软件开发过程不可能一次性把所有的功能都考虑完全，肯定会有不同的新功能需要不停添加。也就是说需要我们不断地去扩展已经存在代码的功能，这是非常正常的情况。
那为什么说对修改是封闭的呢？
比如说已经上线运行的源代码，比如某个函数内部的代码是不建议直接修改的。因为函数的使用分为两个阶段：函数的定义阶段和函数的调用阶段。因为你不确定这个函数究竟在什么地方被调用了，你如果粗暴的修改了函数内部的源代码，对整个程序造成的影响是不可控的。
总结一下就是：不修改源代码，不修改调用方式，同时还要加上新功能。
在Python中就可以使用装饰器来实现上面的需求。
**注意：**如果你能够保证自己的每一次修改都是准确无误、万无一失的，那你可以直接修改源代码。
什么是装饰器？
从字面上讲它也是一个工具，装饰其他对象（可调用对象）的工具。
装饰器的本质
装饰器本质上可以是任意可调用对象，被装饰的对象也可以是任意可调用对象。
装饰器的功能
在不修改被装饰对象源代码以及调用方式的前提下为它添加新功能。
首先我们先来个例子：
import time
import random
def index():
time.sleep(random.randrange(1, 5)) # 随机sleep几秒
print("欢迎访问首页。")
index()
现在需求来了，我需要统计下 index 函数执行耗费的时间。
你可能会很快写出下面的代码：
import time
import random
def index():
start_time = time.time()
time.sleep(random.randrange(1, 5)) # 随机sleep几秒
print("欢迎访问首页。")
stop_time = time.time()
print("耗时{}秒。".format(stop_time - start_time))
index()
输出：
欢迎访问首页。
耗时2.0009069442749023秒。
需求是实现了，但是修改了原来 index 函数的源代码。
那么我们就要想另外的办法去实现了。
我们不能修改函数的源代码，那么我们现在能想到的就是定义一个新的函数来实现这个功能。
类似于这样：
def wrapper():
start_time = time.time()
index() # 在这个函数内部调用下index
stop_time = time.time()
print("耗时{}秒。".format(stop_time - start_time))
这里会有一个问题是，index()写死在wrapper()里了，让我们先优化一下。通过传参数的方式来实现：
def wrapper(func): # 设置一个参数
start_time = time.time()
func() # 在这个函数内部调用下func
stop_time = time.time()
print("耗时{}秒。".format(stop_time - start_time))
这样貌似就可以了，在调用index的地方直接写wrapper(index)就可以了。
但是，这样做会修改原函数的调用方式，原来是index()，现在变成了wrapper(index)，显然这么做同样还是不能满足我们的要求。
怎么办呢，我们其实可以将 wrapper 函数改名为 index，这样就实现了既不修改原来的调用方式又扩展了新功能。简直完美。
让我们来写一下：
def wrapper(func): # 设置一个参数
start_time = time.time()
func() # 在这个函数内部调用下func
stop_time = time.time()
print("耗时{}秒。".format(stop_time - start_time))
index = wrapper
index() # 报错了。wrapper函数的func参数怎么办？
我们现在的问题是：
我通过修改函数名之后，原函数本身没有参数，但是我定义的新函数内部又用到外面的变量怎么办？
用闭包啊！把这个变量做成外部函数的局部变量：
def timer():
func = index # 在外部函数定义一个局部变量
def wrapper(): # 设置一个参数
start_time = time.time()
func() # 在这个函数内部调用下func
stop_time = time.time()
print("耗时{}秒。".format(stop_time - start_time))
return wrapper
上面的写法写死了func = index，我们还可以优化下：
def timer(func): # 传一个func参数和下面func = index一样都是在my_index函数内部定义了一个局部变量
# func = index # 在外部函数定义一个局部变量
def wrapper(): # 设置一个参数
start_time = time.time()
func() # 在这个函数内部调用下func
stop_time = time.time()
print("耗时{}秒。".format(stop_time - start_time))
return wrapper
好了，我们刚刚就已经写好了一个装饰器。
验证一下，我们的成果：
index = timer(index)
index()
输出：
欢迎访问首页。
耗时1.0029211044311523秒。
- 没有修改原函数的源代码。
- 没有修改原函数的调用方式。(虽然此时的index已不再是原来的index，但是并没有修改调用index的方式。)
现在我们来验证下我们的成果：
import time
import random
def index():
time.sleep(random.randrange(1, 5)) # 随机sleep几秒
print("欢迎访问首页。")
def home():
time.sleep(random.randrange(1, 5)) # 随机sleep几秒
print("欢迎访问个人主页。")
def timer(func): # 传一个func参数和下面func = index一样都是在my_index函数内部定义了一个局部变量
def wrapper(): # 设置一个参数
start_time = time.time()
func() # 在这个函数内部调用下func
stop_time = time.time()
print("耗时{}秒。".format(stop_time - start_time))
return wrapper
index = timer(index)
home = timer(home)
index()
home()
输出：
欢迎访问首页。
耗时3.0008788108825684秒。
欢迎访问个人主页。
耗时3.00280499458313秒。
简直完美，功能实现可以装饰任意函数。就是写起来有点麻烦。Python中支持更简便的写法，往下看。
装饰器的语法
在被装饰对象的正上方单独的一行写上@装饰器名即可，即：
用装饰器的语法修改一下我们上面的代码：
def timer(func): # 传一个func参数和下面func = index一样都是在my_index函数内部定义了一个局部变量
def wrapper(): # 设置一个参数
start_time = time.time()
func() # 在这个函数内部调用下func
stop_time = time.time()
print("耗时{}秒。".format(stop_time - start_time))
return wrapper
@timer # 相当于做了 index = timer(index) 操作
def index():
time.sleep(random.randrange(1, 5)) # 随机sleep几秒
print("欢迎访问首页。")
让我们练习写一个装饰器来巩固下上面学习的内容：给 index 和 home 函数加一个验证功能，用户名和密码正确才打印欢迎信息。否则打印“验证失败”。
先写一个用于验证的装饰器：
def auth(func):
def wrapper():
name = input("用户名：").strip()
password = input("密码：").strip()
if name == "Andy" and password == "123":
print("验证成功！")
func()
else:
print("验证失败！")
return wrapper
测试一下：
@auth
def index():
time.sleep(random.randrange(1, 5)) # 随机sleep几秒
print("欢迎访问首页。")
index()
输出：
用户名：Andy
密码：123
验证成功！
欢迎访问个人主页。
基本的装饰器介绍到这里就结束了。后面还会有多个装饰器及带参数的装饰器。
