Python装饰器的应用及实现

Python装饰器是一种高级编程特性，它可以被用来修改或扩展函数的功能。使用Python装饰器，可以在不改变原有代码的情况下，对函数进行增强。

Python装饰器常见的应用场景包括：

1. 记录日志：在代码执行某些操作时，记录相关的日志信息。

2. 缓存结果：对于一个重复执行的函数，可以使用装饰器对其结果进行缓存，使得代码运行更快。

3. 用户权限：在用户登录后，可以检查其是否具有执行某些操作的权限。

4. 输入/输出格式化：对于输入或输出数据的处理，可以使用装饰器对其进行格式化。

接下来我们将分别介绍如何实现这些装饰器。

一、记录日志装饰器

记录日志是一种重要的应用场景，在代码执行时，可以使用装饰器对其进行记录。实现一个记录日志的装饰器，可以使用Python的装饰器语法，将一个函数嵌套在另一个函数中，如下所示：

def log(func):
    def wrapper(*args, **kwargs):
        print('Calling function:', func.__name__)
        print('Arguments:', args, kwargs)
        return func(*args, **kwargs)
    return wrapper

在上面的代码中，我们定义了一个log函数，用来实现记录日志的功能。它接收一个函数作为参数，然后返回一个嵌套函数wrapper。当调用函数时，wrapper函数先打印出一些信息，再调用原函数，并返回函数的执行结果。

下面是一个实例，用来展示如何使用该装饰器：

@log
def add(x, y):
    return x+y

result = add(3, 4)
print(result)

运行上述代码，将会得到以下输出：

Calling function: add
Arguments: (3, 4) {}
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我们可以看到，每次调用add函数时，都会输出一行日志信息。

二、缓存结果装饰器

缓存结果也是一个常见的应用场景，我们可以使用装饰器来避免重复计算，并加速程序运行速度。下面是实现一个缓存结果的装饰器：

def cache(func):
    cached_results = {}
    def wrapper(*args):
        if args in cached_results:
            return cached_results[args]
        result = func(*args)
        cached_results[args] = result
        return result
    return wrapper

在上述代码中，我们定义了一个cache函数，用于实现缓存结果的功能。它接受一个函数作为参数func，再定义一个字典cached_results，用于保存函数计算结果。wrapper函数检查是否已经计算过，如果已经缓存，则返回结果，否则调用原函数，计算并缓存结果。

下面是一个示例，用来展示如何使用该装饰器：

@cache
def add(x, y):
    return x+y

result1 = add(3, 4)
result2 = add(3, 4)
print(result1, result2)

运行上述代码，我们可以看到，函数add只会在 次调用时进行计算，后续的调用将直接返回缓存结果：

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三、用户权限装饰器

用户权限也是一个常见的应用场景，我们可以在函数内部检查用户是否有权限执行某个操作。下面是实现一个用户权限装饰器：

def check_permission(required_permission):
    def wrapper(func):
        def inner_wrapper(*args, **kwargs):
            user = kwargs.get('user')
            if user and user.has_permission(required_permission):
                return func(*args, **kwargs)
            raise Exception('Permission Denied')
        return inner_wrapper
    return wrapper

在上述代码中，我们定义了一个check_permission函数，用于实现用户权限的功能。它接收一个参数required_permission，表示所需权限。然后定义一个嵌套函数wrapper，用于包装原函数。inner_wrapper函数接收所有的参数，并检查用户是否具有所需权限，如果有，则执行原函数，否则抛出异常。

下面是一个示例，用来展示如何使用该装饰器：

class User:
    def __init__(self, permissions):
        self.permissions = permissions

    def has_permission(self, permission):
        return permission in self.permissions

    def __str__(self):
        return 'User ' + str(self.permissions)

@check_permission('can_write')
def write_file(*args, **kwargs):
    print('Writing file...')

user1 = User(['can_read', 'can_write'])
try:
    write_file(user=user1)
except Exception as ex:
    print(ex)

user2 = User(['can_read'])
try:
    write_file(user=user2)
except Exception as ex:
    print(ex)

运行上述代码，我们可以看到，当具有写权限的用户调用函数时会执行，否则抛出异常：

Writing file...
Permission Denied

四、输入/输出格式化装饰器

输入/输出格式化也是一个常见的应用场景，我们可以使用装饰器对输入/输出数据进行格式化。下面是一个实现输入/输出格式化的装饰器：

def format_input(func):
    def wrapper(*args, **kwargs):
        formatted_args = [float(arg) for arg in args]
        formatted_kwargs = {key: float(value) for key, value in kwargs.items()}
        return func(*formatted_args, **formatted_kwargs)
    return wrapper

def format_output(func):
    def wrapper(*args, **kwargs):
        result = func(*args, **kwargs)
        return '{:.2f}'.format(float(result))
    return wrapper

在上述代码中，我们定义了两个装饰器，分别用于格式化输入和输出。format_input函数用于将输入的所有参数，包括关键字参数都转换为浮点数。format_output函数用于将函数返回值转换为两位小数的字符串。

下面是一个示例，用来展示如何使用这两个装饰器：

@format_input
@format_output
def multiply(x, y):
    return x*y

result = multiply('3', y=4)
print(result)

运行上述代码，我们可以看到，函数执行结束后，得到的结果被转换成了字符串'12.00'：

12.00

总结：

Python装饰器是非常强大的工具，可以将许多功能，如记录日志、缓存结果、权限验证、输入/输出格式化等扩展到函数上。除了上述场景外，Python装饰器还有许多其他的用途。熟练掌握装饰器的使用，对于开发高效、易于维护的Python代码非常有帮助。