5. Python 高级特性

5.1 装饰器与闭包

5.1.1 闭包的概念与实现

闭包（Closure）是 Python 中一个强大的特性，它允许函数在其定义的作用域之外访问和操作变量。闭包的核心思想是：一个函数可以“记住”并访问它被定义时的环境，即使这个函数在其定义环境之外被调用。

闭包的实现依赖于 Python 的作用域规则和函数的嵌套定义。以下是一个简单的闭包示例：

def outer_function(x):
    def inner_function(y):
        return x + y
    return inner_function

closure = outer_function(10)
print(closure(5))  # 输出 15

在这个例子中，inner_function 是一个闭包，它“记住”了 outer_function 中的变量 x，即使 outer_function 已经执行完毕。

5.1.2 装饰器的基本概念

装饰器（Decorator）是 Python 中用于修改或扩展函数行为的一种高级技术。装饰器本质上是一个函数，它接受一个函数作为参数，并返回一个新的函数。装饰器通常用于在不修改原函数代码的情况下，为函数添加额外的功能。

以下是一个简单的装饰器示例：

def my_decorator(func):
    def wrapper():
        print("在函数执行之前")
        func()
        print("在函数执行之后")
    return wrapper

@my_decorator
def say_hello():
    print("Hello!")

say_hello()

在这个例子中，my_decorator 是一个装饰器，它修改了 say_hello 函数的行为，使其在执行前后分别打印一条消息。

5.1.3 装饰器的应用场景

装饰器在 Python 中有广泛的应用场景，包括但不限于：

  • 日志记录：在函数执行前后记录日志信息。
  • 权限验证：在函数执行前检查用户权限。
  • 性能测试：测量函数的执行时间。
  • 缓存：缓存函数的返回值，避免重复计算。

以下是一个用于测量函数执行时间的装饰器示例：

import time

def timing_decorator(func):
    def wrapper(*args, **kwargs):
        start_time = time.time()
        result = func(*args, **kwargs)
        end_time = time.time()
        print(f"{func.__name__} 执行时间: {end_time - start_time} 秒")
        return result
    return wrapper

@timing_decorator
def slow_function():
    time.sleep(2)

slow_function()
5.1.4 装饰器的嵌套与参数化

装饰器可以嵌套使用，也可以接受参数。嵌套装饰器的执行顺序是从下往上，即最内层的装饰器最先执行。以下是一个嵌套装饰器的示例：

def decorator1(func):
    def wrapper():
        print("装饰器 1")
        func()
    return wrapper

def decorator2(func):
    def wrapper():
        print("装饰器 2")
        func()
    return wrapper

@decorator1
@decorator2
def say_hello():
    print("Hello!")

say_hello()

参数化装饰器允许装饰器接受额外的参数，从而更灵活地控制装饰器的行为。以下是一个参数化装饰器的示例：

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

@repeat(3)
def say_hello():
    print("Hello!")

say_hello()
5.1.5 闭包与装饰器的结合

闭包和装饰器可以结合使用，以实现更复杂的功能。例如，可以使用闭包来保存装饰器的状态，或者使用装饰器来修改闭包的行为。

以下是一个结合闭包和装饰器的示例：

def counter_decorator(func):
    count = 0
    def wrapper(*args, **kwargs):
        nonlocal count
        count += 1
        print(f"函数 {func.__name__} 被调用了 {count} 次")
        return func(*args, **kwargs)
    return wrapper

@counter_decorator
def say_hello():
    print("Hello!")

say_hello()
say_hello()

在这个例子中，counter_decorator 使用闭包来保存函数调用的次数，并在每次调用时打印出来。

5.1.6 总结

闭包和装饰器是 Python 中非常强大的高级特性，它们可以帮助开发者编写更加灵活和可重用的代码。通过理解闭包的概念和装饰器的实现方式，开发者可以在实际项目中更好地利用这些特性，提升代码的质量和可维护性。

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