如何正确理解Python函数是第一类对象

By liuzhijun, 2017-04-12, 分类: Python技术

函数

之前写过一篇关于装饰器的文章,虽然写得还算不错,但是也有不少同学表示没看懂,我大概分析了其中的原因,主要问题是他们不理解函数,因为Python中的函数不同于其它语言。

正确理解 Python函数,能够帮助我们更好地理解 Python 装饰器、匿名函数(lambda)、函数式编程等高阶技术。

函数(Function)作为程序语言中不可或缺的一部分,太稀松平常了。但函数作为第一类对象(First-Class Object)却是 Python 函数的一大特性。那到底什么是第一类对象(First-Class Object)呢?

函数是对象

在 Python 中万物皆为对象,函数也不例外,函数作为对象可以赋值给一个变量、可以作为元素添加到集合对象中、可作为参数值传递给其它函数,还可以当做函数的返回值,这些特性就是第一类对象所特有的。

先来看一个简单的例子

>>> def foo(text):
...     return len(text)
...
>>> foo("zen of python")
13

这是一个再简单不过的函数,用于计算参数 text 的长度,调用函数就是函数名后面跟一个括号,再附带一个参数,返回值是一个整数。

函数身为一个对象,拥有对象模型的三个通用属性:id、类型、和值。

>>> id(foo)
4361313816
>>> type(foo)
<class 'function'>
>>> foo
<function foo at 0x103f45e18>

作为对象,函数可以赋值给一个变量

>>> bar = foo

function

赋值给另外一个变量时,函数并不会被调用,仅仅是在函数对象上绑定一个新的名字而已。

>>> bar("zen of python")
13
>>>

同理,你还可以把该函数赋值给更多的变量,唯一变化的是该函数对象的引用计数不断地增加,本质上这些变量最终指向的都是同一个函数对象。

>>> a = foo
>>> b = foo
>>> c = bar
>>> a is b is c
True

函数可以存储在容器

容器对象(list、dict、set等)中可以存放任何对象,包括整数、字符串,函数也可以作存放到容器对象中,例如

>>> funcs = [foo, str, len]
>>> funcs
[<function foo at 0x103f45e18>, <class 'str'>, <built-in function len>]
>>> for f in funcs:
...     print(f("hello"))
...
5
hello
5
>>>

foo 是我们自定义的函数,str 和 len 是两个内置函数。for 循环逐个地迭代出列表中的每个元素时,函数对象赋值给了 f 变量,调用 f(“hello”) 与 调用 foo(“hello”) 本质是一样的效果,每次 f 都重新指向一个新的函数对象。当然,你也可以使用列表的索引定位到元素来调用函数。

>>> funcs[0]("Python之禅")
# 等效于 foo("Python之禅")
8

函数可以作为参数

函数还可以作为参数值传递给另外一个函数,例如:

>>> def show(func):
...     size = func("python 之禅") # 等效于 foo("Python之禅") 
...     print ("length of string is : %s" % size)
...
>>> show(foo)
length of string is : 9

函数可以作为返回值

函数作为另外一个函数的返回值,例如:

>>> def nick():
...     return foo
>>> nick
<function nick at 0x106b549d8>
>>> a = nick()
>>> a
<function foo at 0x10692ae18>
>>> a("python")
6

还可以简写为

>>> nick()("python")
6

函数接受一个或多个函数作为输入或者函数输出(返回)的值是函数时,我们称这样的函数为高阶函数,比如上面的 shownick 都属于高阶函数。

Python内置函数中,典型的高阶函数是 map 函数,map 接受一个函数和一个迭代对象作为参数,调用 map 时,依次迭代把迭代对象的元素作为参数调用该函数。

>>> map(foo, ["the","zen","of","python"])
>>> lens = map(foo, ["the","zen","of","python"])
>>> list(lens)
[3, 3, 2, 6]

map 函数的作用相当于:

>>> [foo(i) for i in ["the","zen","of","python"]]
[3, 3, 2, 6]

只不过 map 的运行效率更快一点。

函数可以嵌套

Python还允许函数中定义函数,这种函数叫嵌套函数。

>>> def get_length(text):
...     def clean(t):           # 2
...         return t[1:]
...     new_text = clean(text)  # 1
...     return len(new_text)
...
>>> get_length("python")
5
>>>

这个函数的目的是去除字符串的第一个字符后再计算它的长度,尽管函数本身的意义不大,但能足够说明嵌套函数。get_length 调用时,先执行1处代码,发现有调用 clean 函数,于是接着执行2中的代码,把返回值赋值给了 new_text ,再继续执行后续代码。

>>> clean("python")
Traceback (most recent call last):
  File "<stdin>", line 1, in <module>
NameError: name 'clean' is not defined

函数中里面嵌套的函数不能在函数外面访问,只能是在函数内部使用,超出了外部函数的做用域就无效了。

实现了 __call__ 的类也可以作为函数

对于一个自定义的类,如果实现了 __call__ 方法,那么该类的实例对象的行为就是一个函数,是一个可以被调用(callable)的对象。例如:

class Add:
    def __init__(self, n):
         self.n = n
    def __call__(self, x):
        return self.n + x

>>> add = Add(1)
>>> add(4)
>>> 5

执行 add(4) 相当于调用 Add._call__(add, 4),self 就是实例对象 add,self.n 等于 1,所以返回值为 1+4

add(4)
  ||
Add(1)(4)
  ||
Add.__call__(add, 4)

确定对象是否为可调用对象可以用内置函数callable来判断。

>>> callable(foo)
True
>>> callable(1)
False
>>> callable(int)
True

总结

Python中包含函数在内的一切皆为对象,函数作为第一类对象,支持赋值给变量,作为参数传递给其它函数,作为其它函数的返回值,支持函数的嵌套,实现了__call__方法的类实例对象也可以当做函数被调用。


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