Python函数的装饰器：如何使用装饰器扩展函数功能

Python 语言中的函数装饰器是一种高级特性，它允许我们在不改变函数定义代码的同时改变它们的行为。 装饰器可以用于精简代码、增强函数功能、实现切面编程等。在本文中，将介绍如何使用装饰器来扩展函数的功能。

1. 装饰器的基本概念

装饰器是一个对函数、类或方法进行装饰的 Python 函数或类。通常情况下，它们用于在正常调用的函数前或后执行一些自定义代码，以扩展函数的功能或修改在调用函数时发生的默认行为。有时它们也被称为修饰符。

2. 装饰器的实现

装饰器实质上是一个 Python 函数，它接受一个函数对象作为它 的参数，并返回修改后的函数对象。在 Python 中，通过 @ 符号来应用一个装饰器函数，例如：

@decorator
def my_function():
    pass

上面的代码中，@decorator 表示 my_function() 函数被 decorator() 函数装饰。 decorator() 函数会对 my_function() 函数进行修改并返回新的函数对象。将修改后的函数对象重新绑定到与原来函数名相同的名称，以便在需要调用函数的任何地方调用它。

下面是一个简单的装饰器示例，它只是在函数执行时打印一条消息：

def my_decorator(func):
    def wrapper():
        print("Before function")
        func()
        print("After function")
    
    return wrapper

@my_decorator
def my_function():
    print("My function")

my_function()

输出结果如下：

Before function
My function
After function

上面代码中，我们定义了一个装饰器 my_decorator，它接受一个函数 func 并返回一个新的函数 wrapper。这个新的函数 wrapper 在执行 func 前后分别打印前缀和后缀信息，以增强原始函数 my_function 的功能和可读性。

在 my_function 函数定义上方使用 @my_decorator 语法表示它将被装饰。运行 my_function() 函数后，我们可以看到在函数执行前和执行后分别打印了一些消息。

3. 参数化装饰器

有时，我们希望以参数形式为装饰器传递一些自定义值或设置。这种类型的装饰器称为参数化装饰器。 参数化装饰器定义方式与常规装饰器相同，除了它需要一个额外的包装器函数，它接受要传递给装饰器的参数。

下面是一个带有参数的装饰器示例，它接受一个字符串参数并将其打印到函数执行前后的消息中：

def message_decorator(message):
    def my_decorator(func):
        def wrapper():
            print("Before function with message:", message)
            func()
            print("After function with message:", message)

        return wrapper
    
    return my_decorator

@message_decorator("World")
def my_function():
    print("Hello")

my_function()

输出结果如下：

Before function with message: World
Hello
After function with message: World

上面的代码中，我们首先定义了一个带有 message 参数的装饰器 message_decorator。它返回一个新的包装器函数 my_decorator，它本身接受一个函数对象作为参数，并返回一个新的函数对象 wrapper。其中，在打印消息时使用了传递给message_decorator的参数 message。

在 my_function() 函数定义上方使用 @message_decorator("World")语法来应用装饰器。在运行该函数时，将显示打印消息并执行 my_function() 函数。

4. 类装饰器

除了函数外，我们还可以使用类来实现装饰器。类装饰器是一个类，它具有 __call__ 方法，该方法接受一个函数对象作为其 参数，并返回一个新的函数对象。类装饰器具有与常规装饰器相同的语法，使用 @ 符号来应用它们。

下面是一个类装饰器示例，它打印了一个函数执行的时间：

import time

class TimerDecorator:
    def __init__(self, func):
        self.func = func
        
    def __call__(self, *args):
        start_time = time.time()
        result = self.func(*args)
        end_time = time.time()
        print("Time cost: ", end_time - start_time)
        return result

@TimerDecorator
def my_function(name):
    time.sleep(1)
    print("Hello, {}".format(name))
    
my_function("John")

输出结果如下：

Hello, John
Time cost:  1.0000450611114502

上面的代码中，我们定义了一个名为 TimerDecorator 的类，并实现了 __init__ 和 __call__ 方法。该类接受一个参数 func ，该参数是一个函数对象，并返回新的可以计时的函数对象。在 __call__ 方法中，我们计算函数执行时间并打印输出。

使用 @TimerDecorator 语法将装饰器应用于 my_function() 函数。在申明 my_function 的同时也就将其装饰了。 输入 my_function("John")可获取到计时信息及功能。

5. 嵌套装饰器

在 Python 语言中，多个装饰器可以使用嵌套语法。在这个语法中，多个装饰器按照从上到下的顺序进行嵌套，最内部的装饰器在最后被应用。嵌套装饰器可以使多个装饰器同时应用于同一个函数。

下面是一个使用嵌套装饰器的示例，该示例显示了如何同时应用 @message_decorator 和 @TimerDecorator 装饰器。

@message_decorator("World")
@TimerDecorator
def my_function(name):
    time.sleep(1)
    print("Hello, {}".format(name))

my_function("John")

输出结果如下：

Before function with message: World
Hello, John
After function with message: World
Time cost:  1.0000450611114502

上面的代码中，我们在 my_function 函数定义上方使用了两个装饰器 @message_decorator("World") 和 @TimerDecorator。Python 将最内部的装饰器视为 次运行，并将其结果传递给嵌套的装饰器进行处理。由于 @ message_decorator 的结果会被传递给 @ TimerDecorator，因此我们将在打印时间之前打印实现的结果。

总结： 在Python中，装饰器可以用于精简代码、增强函数功能、实现切面编程等。它们是一种高级特性，允许我们在不改变函数定义代码的同时改变它们的行为。我们可以使用参数化装饰器、类装饰器、嵌套装饰器等来实现不同的功能。运用好装饰器可以大大提高代码的可读性、可维护性和扩展性。