裝飾器實現Python函數重載的詳細過程

本篇內容介紹了“裝飾器實現Python函數重載的詳細過程”的有關知識，在實際案例的操作過程中，不少人都會遇到這樣的困境，接下來就讓小編帶領大家學習一下如何處理這些情況吧！希望大家仔細閱讀，能夠學有所成！

目錄

• 裝飾器實現Python 函數重載

• 一、為什么 Python 中沒有函數重載？

• 二、在 Python 中實現函數重載

• 三、把函數封裝起來

• 四、構建虛擬的命名空間

• 五、使用裝飾器作為鉤子

• 六、從命名空間中找到正確的函數

• 七、實現函數的調用

• 八、運用函數重載

• 九、總結

裝飾器實現Python 函數重載

函數重載指的是有多個同名的函數，但是它們的簽名或實現卻不同。當調用一個重載函數 fn 時，程序會檢驗傳遞給函數的實參/形參，并據此而調用相應的實現。

int area(int length, int breadth) {
  return length * breadth;
}

float area(int radius) {
  return 3.14 * radius * radius;
}

在以上例子中（用 c++ 編寫），函數 area 被重載了兩個實現。第一個函數接收兩個參數（都是整數），表示矩形的長度和寬度，并返回矩形的面積。另一個函數只接收一個整型參數，表示圓的半徑。

當我們像 area(7) 這樣調用函數 area 時，它會調用第二個函數，而 area(3,4) 則會調用第一個函數。

一、為什么 Python 中沒有函數重載？

Python 不支持函數重載。當我們定義了多個同名的函數時，后面的函數總是會覆蓋前面的函數，因此，在一個命名空間中，每個函數名僅會有一個登記項（entry）。

注意：這里說 Python 不支持函數重載，指的是在不用語法糖的情況下。使用 functools 庫的 singledispatch 裝飾器，Python 也可以實現函數重載。原文作者在文末的注釋中專門提到了這一點。

通過調用 locals() 和 globals() 函數，我們可以看到 Python 的命名空間中有什么，它們分別返回局部和全局命名空間。

def area(radius):
  return 3.14 * radius ** 2

>>> locals()
{
  ...
  'area': <function area at 0x10476a440>,
  ...
}

在定義一個函數后，接著調用 locals() 函數，我們會看到它返回了一個字典，包含了定義在局部命名空間中的所有變量。字典的鍵是變量的名稱，值是該變量的引用/值。

當程序在運行時，若遇到另一個同名函數，它就會更新局部命名空間中的登記項，從而消除兩個函數共存的可能性。因此 Python 不支持函數重載。這是在創造語言時做出的設計決策，但這并不妨礙我們實現它，所以，讓我們來重載一些函數吧。

二、在 Python 中實現函數重載

我們已經知道 Python 是如何管理命名空間的，如果想要實現函數重載，就需要這樣做：

• 維護一個虛擬的命名空間，在其中管理函數定義

• 根據每次傳遞的參數，設法調用適當的函數
  

為了簡單起見，我們在實現函數重載時，通過不同的參數數量來區分同名函數。

三、把函數封裝起來

我們創建了一個名為Function的類，它可以封裝任何函數，并通過重寫的__call__方法來調用該函數，還提供了一個名為key的方法，該方法返回一個元組，使該函數在整個代碼庫中是唯一的。

from inspect import getfullargspec

class Function(object):
  """Function類是對標準的Python函數的封裝"""
  def __init__(self, fn):
    self.fn = fn
    
  def __call__(self, *args, **kwargs):
    """當像函數一樣被調用時，它就會調用被封裝的函數，并返回該函數的返回值"""
    return self.fn(*args, **kwargs)

  def key(self, args=None):
    """返回一個key，能唯一標識出一個函數（即便是被重載的）"""
    # 如果不指定args，則從函數的定義中提取參數
    if args is None:
      args = getfullargspec(self.fn).args
    
    return tuple([
      self.fn.__module__,
      self.fn.__class__,
      self.fn.__name__,
      len(args or []),
    ])

在上面的代碼片段中，key函數返回一個元組，該元組唯一標識了代碼庫中的函數，并且記錄了：

• 函數所屬的模塊

• 函數所屬的類

• 函數名

• 函數接收的參數量
  

被重寫的__call__方法會調用被封裝的函數，并返回計算的值（這沒有啥特別的）。這使得Function的實例可以像函數一樣被調用，并且它的行為與被封裝的函數完全一樣。

def area(l, b):
  return l * b

>>> func = Function(area)
>>> func.key()
('__main__', <class 'function'>, 'area', 2)
>>> func(3, 4)
12

在上面的例子中，函數area被封裝在Function中，并被實例化成func。key() 返回一個元組，其第一個元素是模塊名__main__，第二個是類<class 'function'>，第三個是函數名area，而第四個則是該函數接收的參數數量，即 2。

這個示例還顯示出，我們可以像調用普通的 area函數一樣，去調用實例 func，當傳入參數 3 和 4時，得到的結果是 12，這正是調用 area(3,4) 時會得到的結果。當我們接下來運用裝飾器時，這種行為將會派上用場。

四、構建虛擬的命名空間

我們要創建一個虛擬的命名空間，用于存儲在定義階段收集的所有函數。

由于只有一個命名空間/注冊表，我們創建了一個單例類，并把函數保存在字典中。該字典的鍵不是函數名，而是我們從 key 函數中得到的元組，該元組包含的元素能唯一標識出一個函數。

通過這樣，我們就能在注冊表中保存所有的函數，即使它們有相同的名稱（但不同的參數），從而實現函數重載。

class Namespace(object):
  """Namespace是一個單例類，負責保存所有的函數"""
  __instance = None
    
  def __init__(self):
    if self.__instance is None:
      self.function_map = dict()
      Namespace.__instance = self
    else:
      raise Exception("cannot instantiate a virtual Namespace again")
    
  @staticmethod
  def get_instance():
    if Namespace.__instance is None:
      Namespace()
    return Namespace.__instance

  def register(self, fn):
    """在虛擬的命名空間中注冊函數，并返回Function類的可調用實例"""
    func = Function(fn)
    self.function_map[func.key()] = fn
    return func

Namespace類有一個register方法，該方法將函數 fn 作為參數，為其創建一個唯一的鍵，并將函數存儲在字典中，最后返回封裝了 fn 的Function的實例。這意味著 register 函數的返回值也是可調用的，并且（到目前為止）它的行為與被封裝的函數 fn 完全相同。

def area(l, b):
  return l * b

>>> namespace = Namespace.get_instance()
>>> func = namespace.register(area)
>>> func(3, 4)
12

五、使用裝飾器作為鉤子

既然已經定義了一個能夠注冊函數的虛擬命名空間，那么，我們還需要一個鉤子來在函數定義期間調用它。在這里，我們會使用 Python 裝飾器。

在 Python 中，裝飾器用于封裝一個函數，并允許我們在不修改該函數的結構的情況下，向其添加新功能。裝飾器把被裝飾的函數 fn 作為參數，并返回一個新的函數，用于實際的調用。新的函數會接收原始函數的 args 和 kwargs，并返回最終的值。

以下是一個裝飾器的示例，演示了如何給函數添加計時功能。

import time

def my_decorator(fn):
  """這是一個自定義的函數，可以裝飾任何函數，并打印其執行過程的耗時"""
  def wrapper_function(*args, **kwargs):
    start_time = time.time()
    # 調用被裝飾的函數，并獲取其返回值
    value = fn(*args, **kwargs)
    print("the function execution took:", time.time() - start_time, "seconds")
    # 返回被裝飾的函數的調用結果
    return value
  return wrapper_function

@my_decorator
def area(l, b):
  return l * b

>>> area(3, 4)
the function execution took: 9.5367431640625e-07 seconds
12

在上面的例子中，我們定義了一個名為 my_decorator 的裝飾器，它封裝了函數 area，并在標準輸出上打印出執行 area 所需的時間。

每當解釋器遇到一個函數定義時，就會調用裝飾器函數 my_decorator（用它封裝被裝飾的函數，并將封裝后的函數存儲在 Python 的局部或全局命名空間中），對于我們來說，它是在虛擬命名空間中注冊函數的理想鉤子。

因此，我們創建了名為overload的裝飾器，它能在虛擬命名空間中注冊函數，并返回一個可調用對象。

def overload(fn):
  """用于封裝函數，并返回Function類的一個可調用對象"""
  return Namespace.get_instance().register(fn)

overload裝飾器借助命名空間的 .register() 函數，返回 Function 的一個實例。現在，無論何時調用函數（被 overload 裝飾的），它都會調用由 .register() 函數所返回的函數——Function 的一個實例，其 call 方法會在調用期間使用指定的 args 和 kwargs 執行。

現在剩下的就是在 Function 類中實現__call__方法，使得它能根據調用期間傳入的參數而調用相應的函數。

六、從命名空間中找到正確的函數

想要區別出不同的函數，除了通常的模塊、類和函數名以外，還可以依據函數的參數數量，因此，我們在虛擬的命名空間中定義了一個 get 方法，它會從 Python 的命名空間中讀取待區分的函數以及實參，最后依據參數的不同，返回出正確的函數。我們沒有更改 Python 的默認行為，因此在原生的命名空間中，同名的函數只有一個。

這個 get 函數決定了會調用函數的哪個實現（如果重載了的話）。找到正確的函數的過程非常簡單——先使用 key 方法，它利用函數和參數來創建出唯一的鍵（正如注冊時所做的那樣），接著查找這個鍵是否存在于函數注冊表中；如果存在，則獲取其映射的實現。

def get(self, fn, *args):
  """從虛擬命名空間中返回匹配到的函數，如果沒找到匹配，則返回None"""
  func = Function(fn)
  return self.function_map.get(func.key(args=args))

get 函數創建了 Function 類的一個實例，這樣就可以復用類的 key 函數來獲得一個唯一的鍵，而不用再寫創建鍵的邏輯。然后，這個鍵將用于從函數注冊表中獲取正確的函數。

七、實現函數的調用

前面說過，每次調用被 overload 裝飾的函數時，都會調用 Function 類中的__call__方法。我們需要讓__call__方法從命名空間的 get 函數中，獲取出正確的函數，并調用之。

__call__方法的實現如下：

def __call__(self, *args, **kwargs):
  """重寫能讓類的實例變可調用對象的__call__方法"""
  # 依據參數，從虛擬命名空間中獲取將要調用的函數
  fn = Namespace.get_instance().get(self.fn, *args)
  if not fn:
    raise Exception("no matching function found.")
  # 調用被封裝的函數，并返回調用的結果
  return fn(*args, **kwargs)

該方法從虛擬命名空間中獲取正確的函數，如果沒有找到任何函數，它就拋出一個 Exception，如果找到了，就會調用該函數，并返回調用的結果。

八、運用函數重載

準備好所有代碼后，我們定義了兩個名為 area 的函數：一個計算矩形的面積，另一個計算圓的面積。下面定義了兩個函數，并使用overload裝飾器進行裝飾。

@overload
def area(l, b):
  return l * b

@overload
def area(r):
  import math
  return math.pi * r ** 2

>>> area(3, 4)
12
>>> area(7)
153.93804002589985

當我們用一個參數調用 area 時，它返回了一個圓的面積，當我們傳遞兩個參數時，它會調用計算矩形面積的函數，從而實現了函數 area 的重載。

注：從 Python 3.4 開始，Python 的 functools.singledispatch 支持函數重載。從 Python 3.8 開始，functools.singledispatchmethod 支持重載類和實例方法。感謝 Harry Percival 的指正。

九、總結

Python 不支持函數重載，但是通過使用它的基本結構，我們搗鼓了一個解決方案。

我們使用裝飾器和虛擬的命名空間來重載函數，并使用參數的數量作為區別函數的因素。我們還可以根據參數的類型（在裝飾器中定義）來區別函數——即重載那些參數數量相同但參數類型不同的函數。

重載能做到什么程度，這僅僅受限于getfullargspec函數和我們的想象。使用前文的思路，你可能會實現出一個更整潔、更干凈、更高效的方法，所以，請嘗試實現一下吧。

正文到此結束。以下附上完整的代碼：

# 模塊：overload.py
from inspect import getfullargspec

class Function(object):
  """Function is a wrap over standard python function
  An instance of this Function class is also callable
  just like the python function that it wrapped.
  When the instance is "called" like a function it fetches
  the function to be invoked from the virtual namespace and then
  invokes the same.
  """
  def __init__(self, fn):
    self.fn = fn
  
  def __call__(self, *args, **kwargs):
    """Overriding the __call__ function which makes the
    instance callable.
    """
    # fetching the function to be invoked from the virtual namespace
    # through the arguments.
    fn = Namespace.get_instance().get(self.fn, *args)
    if not fn:
      raise Exception("no matching function found.")
    # invoking the wrapped function and returning the value.
    return fn(*args, **kwargs)

  def key(self, args=None):
    """Returns the key that will uniquely identifies
    a function (even when it is overloaded).
    """
    if args is None:
      args = getfullargspec(self.fn).args
    return tuple([
      self.fn.__module__,
      self.fn.__class__,
      self.fn.__name__,
      len(args or []),
    ])

class Namespace(object):
  """Namespace is the singleton class that is responsible
  for holding all the functions.
  """
  __instance = None
    
  def __init__(self):
    if self.__instance is None:
      self.function_map = dict()
      Namespace.__instance = self
    else:
      raise Exception("cannot instantiate Namespace again.")
    
  @staticmethod
  def get_instance():
    if Namespace.__instance is None:
      Namespace()
    return Namespace.__instance

  def register(self, fn):
    """registers the function in the virtual namespace and returns
    an instance of callable Function that wraps the function fn.
    """
    func = Function(fn)
    specs = getfullargspec(fn)
    self.function_map[func.key()] = fn
    return func
  
  def get(self, fn, *args):
    """get returns the matching function from the virtual namespace.
    return None if it did not fund any matching function.
    """
    func = Function(fn)
    return self.function_map.get(func.key(args=args))

def overload(fn):
  """overload is the decorator that wraps the function
  and returns a callable object of type Function.
  """
  return Namespace.get_instance().register(fn)
最后，演示代碼如下：

from overload import overload

@overload
def area(length, breadth):
  return length * breadth

@overload
def area(radius):
  import math
  return math.pi * radius ** 2

@overload
def area(length, breadth, height):
  return 2 * (length * breadth + breadth * height + height * length)

@overload
def volume(length, breadth, height):
  return length * breadth * height

@overload
def area(length, breadth, height):
  return length + breadth + height

@overload
def area():
  return 0

print(f"area of cuboid with dimension (4, 3, 6) is: {area(4, 3, 6)}")
print(f"area of rectangle with dimension (7, 2) is: {area(7, 2)}")
print(f"area of circle with radius 7 is: {area(7)}")
print(f"area of nothing is: {area()}")
print(f"volume of cuboid with dimension (4, 3, 6) is: {volume(4, 3, 6)}")

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