Python 装饰器高级用法

Python装饰器高级用法

装饰器是Python函数式编程中的核心概念之一，它允许在不修改原函数代码的情况下，动态地扩展函数的行为。装饰器本质上是一个高阶函数，它接受一个函数作为参数并返回一个新的函数。本节将深入探讨装饰器的高级用法，包括带参数的装饰器、类装饰器、装饰器堆叠以及实际应用场景。

1. 装饰器基础回顾

装饰器的基本语法如下：

def decorator(func):
    def wrapper(*args, **kwargs):
        # 前置操作
        result = func(*args, **kwargs)
        # 后置操作
        return result
    return wrapper

@decorator
def target_function():
    pass

当调用target_function()时，实际上执行的是decorator(target_function)()。

2. 带参数的装饰器

装饰器本身也可以接受参数，这需要再嵌套一层函数：

def repeat(times):
    def decorator(func):
        def wrapper(*args, **kwargs):
            for _ in range(times):
                result = func(*args, **kwargs)
            return result
        return wrapper
    return decorator

@repeat(times=3)
def greet(name):
    print(f"Hello, {name}!")

greet("Alice")

输出：

Hello, Alice!
Hello, Alice!
Hello, Alice!

3. 类装饰器

类也可以作为装饰器，只需实现__call__方法：

class Timer:
    def __init__(self, func):
        self.func = func

    def __call__(self, *args, **kwargs):
        import time
        start = time.time()
        result = self.func(*args, **kwargs)
        end = time.time()
        print(f"{self.func.__name__} executed in {end-start:.4f}s")
        return result

@Timer
def factorial(n):
    return 1 if n <= 1 else n * factorial(n-1)

print(factorial(5))

输出：

factorial executed in 0.0001s
factorial executed in 0.0002s
...
120

4. 装饰器堆叠

多个装饰器可以堆叠使用，执行顺序是从下往上：

@decorator1
@decorator2
@decorator3
def function():
    pass

等价于： function = decorator1(decorator2(decorator3(function)))

5. 保留元信息

使用functools.wraps保留原函数的元信息：

from functools import wraps

def log_execution(func):
    @wraps(func)
    def wrapper(*args, **kwargs):
        print(f"Executing {func.__name__}")
        return func(*args, **kwargs)
    return wrapper

6. 实际应用案例

6.1 权限验证

def requires_admin(func):
    @wraps(func)
    def wrapper(user, *args, **kwargs):
        if not user.is_admin:
            raise PermissionError("Admin rights required")
        return func(user, *args, **kwargs)
    return wrapper

6.2 缓存装饰器

from functools import lru_cache

@lru_cache(maxsize=128)
def fibonacci(n):
    if n < 2:
        return n
    return fibonacci(n-1) + fibonacci(n-2)

7. 高级模式：装饰器工厂

装饰器工厂可以动态生成装饰器：

def validate_input(*validators):
    def decorator(func):
        @wraps(func)
        def wrapper(*args, **kwargs):
            for i, (arg, validator) in enumerate(zip(args, validators)):
                if not validator(arg):
                    raise ValueError(f"Argument {i} invalid")
            return func(*args, **kwargs)
        return wrapper
    return decorator

@validate_input(lambda x: x > 0, lambda y: isinstance(y, str))
def process_data(num, text):
    return text * num

8. 执行流程可视化

graph LR A[调用装饰函数] --> B[执行装饰器外层逻辑] B --> C[调用原函数] C --> D[执行原函数逻辑] D --> E[返回结果到装饰器] E --> F[执行装饰器剩余逻辑] F --> G[返回最终结果]

9. 数学表达

装饰器的数学本质可以表示为： $decorator(f)=g\circ f\circ h$ 其中$\circ$表示函数组合。

10. 最佳实践

• 始终使用functools.wraps保留元信息
• 避免在装饰器中修改传入的参数
• 装饰器的逻辑应保持简洁单一
• 考虑使用类装饰器处理复杂状态

通过掌握这些高级技巧，你可以创建出更灵活、更强大的装饰器，显著提升代码的可重用性和可维护性。