Python中的装饰器：如何提升函数的功能与性能

Python中的装饰器是一种用于修改函数或类的行为的工具。使用装饰器可以提升函数的功能和性能，以及在代码中实现AOP（Aspect Oriented Programming）的思想。

装饰器的基础知识

装饰器是一个函数，它接受一个函数（被装饰的函数）作为参数，并返回一个新的函数。新函数的行为可以修改被装饰函数的行为。

装饰器的使用方法如下：

@decorator_func
def original_func():
    pass

其中，decorator_func 是一个装饰器函数，original_func 是将要被装饰的函数。

装饰器的实现方法有两种：函数装饰器和类装饰器。函数装饰器是普通的函数，它可以修改函数的行为，而类装饰器是类，它可以修改类的行为。

Python中的函数装饰器

Python中常见的装饰器有以下几种：

1. 计时装饰器

import time

def timer(func):
    def wrapper(*args, **kwargs):
        start_time = time.time()
        res = func(*args, **kwargs)
        end_time = time.time()
        print(f"函数 {func.__name__} 耗时 {end_time - start_time:.3f} 秒")
        return res
    return wrapper

这个装饰器可以计算函数的执行时间，可以用来优化性能。

2. 缓存装饰器

def cache(func):
    cache = dict()

    def wrapper(*args):
        if args in cache:
            return cache[args]
        res = func(*args)
        cache[args] = res
        return res

    return wrapper

这个装饰器可以将函数的结果缓存起来，以加速重复调用。

Python中的类装饰器

类装饰器是用来修饰类的装饰器函数，这个装饰器有助于修改类的行为。常见的类装饰器包括@abstractmethod、@classmethod和@staticmethod。

1. 抽象类装饰器

from abc import ABC, abstractmethod

class Animal(ABC):
    @abstractmethod
    def sound(self):
        pass

class Cat(Animal):
    def sound(self):
        print("喵喵喵")

抽象类装饰器@abstractmethod用于声明抽象方法，被声明的方法需要在子类中进行实现。

2. 类方法装饰器

class MyClass:
    class_val = 10

    @classmethod
    def class_method(cls):
        print(cls.class_val)

MyClass.class_method() # 输出10

类方法装饰器用于声明类方法，类方法可以访问类的状态。

3. 静态方法装饰器

class MyClass:
    @staticmethod
    def static_method():
        print("hello world")

MyClass.static_method() # 输出hello world

静态方法装饰器用于声明静态方法，静态方法不具有类和对象的状态信息。

装饰器的使用场景

1. 日志

使用装饰器可以轻松地记录函数的调用和返回情况，方便调试和错误排除。例如：

def log(func):
    def wrapper(*args, **kwargs):
        print(f"调用了函数 {func.__name__}")
        res = func(*args, **kwargs)
        print(f"函数 {func.__name__} 返回了 {res}")
        return res
    return wrapper

在需要记录日志的函数上添加@log装饰器即可。例如：

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

add(1, 2)

输出：

调用了函数 add
函数 add 返回了 3

2. 认证和权限

使用装饰器可以轻松地实现认证和权限的功能。例如：

def login_required(func):
    def wrapper(*args, **kwargs):
        if not logged_in:
            return redirect("/login")
        return func(*args, **kwargs)
    return wrapper

def admin_required(func):
    def wrapper(*args, **kwargs):
        if not is_admin:
            return "你不是管理员"
        return func(*args, **kwargs)
    return wrapper

在需要认证和权限限制的函数上添加@login_required和@admin_required装饰器即可。

3. 缓存

使用装饰器可以轻松地实现缓存功能，将函数的结果缓存起来以加快执行速度。例如：

cache = dict()

@cache_decorator
def fib(n):
    if n in (1, 2):
        return 1
    if n in cache:
        return cache[n]
    res = fib(n - 1) + fib(n - 2)
    cache[n] = res
    return res

在需要缓存结果的函数上添加@cache_decorator装饰器即可。

总结

Python中的装饰器是一个强大的工具，可以改善代码的性能和复杂性，在实现AOP的思想方面也有不少的应用。装饰器可以用于实现各种功能，例如计时、缓存、日志记录、认证和权限等，可以说是Python开发中的不可或缺的能力之一。