Python中装饰器高级用法详解

在Python中，装饰器一般用来修饰函数，实现公共功能，达到代码复用的目的。在函数定义前加上@xxxx，然后函数就注入了某些行为，很神奇！然而，这只是语法糖而已。

场景

假设，有一些工作函数，用来对数据做不同的处理：

def work_bar(data):
  pass

def work_foo(data):
  pass

我们想在函数调用前/后输出日志，怎么办？

傻瓜解法

logging.info('begin call work_bar')
work_bar(1)
logging.info('call work_bar done')

如果有多处代码调用呢？想想就怕！

函数包装

傻瓜解法无非是有太多代码冗余，每次函数调用都要写一遍logging。可以把这部分冗余逻辑封装到一个新函数里：

def smart_work_bar(data):
  logging.info('begin call: work_bar')
  work_bar(data)
  logging.info('call doen: work_bar')

这样，每次调用smart_work_bar即可：

smart_work_bar(1)

# ...

smart_work_bar(some_data)

通用闭包

看上去挺完美……然而，当work_foo也有同样的需要时，还要再实现一遍smart_work_foo吗？这样显然不科学呀！

别急，我们可以用闭包：

def log_call(func):
  def proxy(*args, **kwargs):
    logging.info('begin call: {name}'.format(name=func.func_name))
    result = func(*args, **kwargs)
    logging.info('call done: {name}'.format(name=func.func_name))
    return result
  return proxy

这个函数接收一个函数对象(被代理函数)作为参数，返回一个代理函数。调用代理函数时，先输出日志，然后调用被代理函数，调用完成后再输出日志，最后返回调用结果。这样，不就达到通用化的目的了吗？——对于任意被代理函数func，log_call均可轻松应对。

smart_work_bar = log_call(work_bar)
smart_work_foo = log_call(work_foo)

smart_work_bar(1)
smart_work_foo(1)

# ...

smart_work_bar(some_data)
smart_work_foo(some_data)

第1行中，log_call接收参数work_bar，返回一个代理函数proxy，并赋给smart_work_bar。第4行中，调用smart_work_bar，也就是代理函数proxy，先输出日志，然后调用func也就是work_bar，最后再输出日志。注意到，代理函数中，func与传进去的work_bar对象紧紧关联在一起了，这就是闭包。

再提一下，可以覆盖被代理函数名，以smart_为前缀取新名字还是显得有些累赘：

work_bar = log_call(work_bar)
work_foo = log_call(work_foo)

work_bar(1)
work_foo(1)

语法糖

先来看看以下代码：

def work_bar(data):
  pass
work_bar = log_call(work_bar)


def work_foo(data):
  pass
work_foo = log_call(work_foo)

虽然代码没有什么冗余了，但是看是去还是不够直观。这时候，语法糖来了~~~

@log_call
def work_bar(data):
  pass

因此，注意一点(划重点啦)，这里@log_call的作用只是：告诉Python编译器插入代码work_bar = log_call(work_bar)。

求值装饰器

先来猜猜装饰器eval_now有什么作用？

def eval_now(func):
  return func()

看上去好奇怪哦，没有定义代理函数，算装饰器吗？

@eval_now
def foo():
  return 1

print foo

这段代码输出1，也就是对函数进行调用求值。那么到底有什么用呢？直接写foo = 1不行么？在这个简单的例子，这么写当然可以啦。来看一个更复杂的例子——初始化一个日志对象：

# some other code before...

# log format
formatter = logging.Formatter(
  '[%(asctime)s] %(process)5d %(levelname) 8s - %(message)s',
  '%Y-%m-%d %H:%M:%S',
)

# stdout handler
stdout_handler = logging.StreamHandler(sys.stdout)
stdout_handler.setFormatter(formatter)
stdout_handler.setLevel(logging.DEBUG)

# stderr handler
stderr_handler = logging.StreamHandler(sys.stderr)
stderr_handler.setFormatter(formatter)
stderr_handler.setLevel(logging.ERROR)

# logger object
logger = logging.Logger(__name__)
logger.setLevel(logging.DEBUG)
logger.addHandler(stdout_handler)
logger.addHandler(stderr_handler)

# again some other code after...

用eval_now的方式：

# some other code before...

@eval_now
def logger():
  # log format
  formatter = logging.Formatter(
    '[%(asctime)s] %(process)5d %(levelname) 8s - %(message)s',
    '%Y-%m-%d %H:%M:%S',
  )

  # stdout handler
  stdout_handler = logging.StreamHandler(sys.stdout)
  stdout_handler.setFormatter(formatter)
  stdout_handler.setLevel(logging.DEBUG)

  # stderr handler
  stderr_handler = logging.StreamHandler(sys.stderr)
  stderr_handler.setFormatter(formatter)
  stderr_handler.setLevel(logging.ERROR)

  # logger object
  logger = logging.Logger(__name__)
  logger.setLevel(logging.DEBUG)
  logger.addHandler(stdout_handler)
  logger.addHandler(stderr_handler)

  return logger

# again some other code after...

两段代码要达到的目的是一样的，但是后者显然更清晰，颇有代码块的风范。更重要的是，函数调用在局部名字空间完成初始化，避免临时变量(如formatter等)污染外部的名字空间(比如全局)。

带参数装饰器

定义一个装饰器，用于记录慢函数调用：

def log_slow_call(func):
  def proxy(*args, **kwargs):
    start_ts = time.time()
    result = func(*args, **kwargs)
    end_ts = time.time()

    seconds = start_ts - end_ts
    if seconds > 1:
    logging.warn('slow call: {name} in {seconds}s'.format(
      name=func.func_name,
      seconds=seconds,
    ))

    return result

  return proxy

第3、5行分别在函数调用前后采样当前时间，第7行计算调用耗时，耗时大于一秒输出一条警告日志。

@log_slow_call
def sleep_seconds(seconds):
  time.sleep(seconds)

sleep_seconds(0.1) # 没有日志输出

sleep_seconds(2)  # 输出警告日志

然而，阈值设置总是要视情况决定，不同的函数可能会设置不同的值。如果阈值有办法参数化就好了：

def log_slow_call(func, threshold=1):
  def proxy(*args, **kwargs):
    start_ts = time.time()
    result = func(*args, **kwargs)
    end_ts = time.time()

    seconds = start_ts - end_ts
    if seconds > threshold:
    logging.warn('slow call: {name} in {seconds}s'.format(
      name=func.func_name,
      seconds=seconds,
    ))

    return result

  return proxy

然而，@xxxx语法糖总是以被装饰函数为参数调用装饰器，也就是说没有机会传递threshold参数。怎么办呢？——用一个闭包封装threshold参数：

def log_slow_call(threshold=1):
  def decorator(func):
    def proxy(*args, **kwargs):
      start_ts = time.time()
      result = func(*args, **kwargs)
      end_ts = time.time()

      seconds = start_ts - end_ts
      if seconds > threshold:
      logging.warn('slow call: {name} in {seconds}s'.format(
        name=func.func_name,
        seconds=seconds,
      ))

      return result

    return proxy

  return decorator


@log_slow_call(threshold=0.5)
def sleep_seconds(seconds):
  time.sleep(seconds)

这样，log_slow_call(threshold=0.5)调用返回函数decorator，函数拥有闭包变量threshold，值为0.5。decorator再装饰sleep_seconds。

采用默认阈值，函数调用还是不能省略：

@log_slow_call()
def sleep_seconds(seconds):
  time.sleep(seconds)

处女座可能会对第一行这对括号感到不爽，那么可以这样改进：

def log_slow_call(func=None, threshold=1):
  def decorator(func):
    def proxy(*args, **kwargs):
      start_ts = time.time()
      result = func(*args, **kwargs)
      end_ts = time.time()

      seconds = start_ts - end_ts
      if seconds > threshold:
      logging.warn('slow call: {name} in {seconds}s'.format(
        name=func.func_name,
        seconds=seconds,
      ))

      return result

    return proxy

  if func is None:
    return decorator
  else:
    return decorator(func)

这种写法兼容两种不同的用法，用法A默认阈值(无调用)；用法B自定义阈值(有调用)。

# Case A
@log_slow_call
def sleep_seconds(seconds):
  time.sleep(seconds)


# Case B
@log_slow_call(threshold=0.5)
def sleep_seconds(seconds):
  time.sleep(seconds)

用法A中，发生的事情是log_slow_call(sleep_seconds)，也就是func参数是非空的，这是直接调decorator进行包装并返回(阈值是默认的)。

用法B中，先发生的是log_slow_call(threshold=0.5)，func参数为空，直接返回新的装饰器decorator，关联闭包变量threshold，值为0.5；然后，decorator再装饰函数sleep_seconds，即decorator(sleep_seconds)。注意到，此时threshold关联的值是0.5，完成定制化。

你可能注意到了，这里最好使用关键字参数这种调用方式——使用位置参数会很丑陋：

# Case B-
@log_slow_call(None, 0.5)
def sleep_seconds(seconds):
  time.sleep(seconds)

当然了，函数调用尽量使用关键字参数是一种极佳实践，含义清晰，在参数很多的情况下更是如此。

智能装饰器

上节介绍的写法，嵌套层次较多，如果每个类似的装饰器都用这种方法实现，还是比较费劲的(脑子不够用)，也比较容易出错。

假设有一个智能装饰器smart_decorator，修饰装饰器log_slow_call，便可获得同样的能力。这样，log_slow_call定义将变得更清晰，实现起来也更省力啦：

@smart_decorator
def log_slow_call(func, threshold=1):
  def proxy(*args, **kwargs):
    start_ts = time.time()
    result = func(*args, **kwargs)
    end_ts = time.time()

    seconds = start_ts - end_ts
    if seconds > threshold:
    logging.warn('slow call: {name} in {seconds}s'.format(
      name=func.func_name,
      seconds=seconds,
    ))

    return result

  return proxy

脑洞开完，smart_decorator如何实现呢？其实也简单：

def smart_decorator(decorator):

  def decorator_proxy(func=None, **kwargs):
    if func is not None:
      return decorator(func=func, **kwargs)

    def decorator_proxy(func):
      return decorator(func=func, **kwargs)

    return decorator_proxy

  return decorator_proxy

smart_decorator实现了以后，设想就成立了！这时，log_slow_call，就是decorator_proxy(外层)，关联的闭包变量decorator是本节最开始定义的log_slow_call(为了避免歧义，称为real_log_slow_call)。log_slow_call支持以下各种用法：

# Case A
@log_slow_call
def sleep_seconds(seconds):
  time.sleep(seconds)

用法A中，执行的是decorator_proxy(sleep_seconds)(外层)，func非空，kwargs为空；直接执行decorator(func=func, **kwargs)，即real_log_slow_call(sleep_seconds)，结果是关联默认参数的proxy。

# Case B
# Same to Case A
@log_slow_call()
def sleep_seconds(seconds):
  time.sleep(seconds)

用法B中，先执行decorator_proxy()，func及kwargs均为空，返回decorator_proxy对象(内层)；再执行decorator_proxy(sleep_seconds)(内层)；最后执行decorator(func, **kwargs)，等价于real_log_slow_call(sleep_seconds)，效果与用法A一致。

# Case C
@log_slow_call(threshold=0.5)
def sleep_seconds(seconds):
  time.sleep(seconds)

用法C中，先执行decorator_proxy(threshold=0.5)，func为空但kwargs非空，返回decorator_proxy对象(内层)；再执行decorator_proxy(sleep_seconds)(内层)；最后执行decorator(sleep_seconds, **kwargs)，等价于real_log_slow_call(sleep_seconds, threshold=0.5)，阈值实现自定义！