Python函數(shù)用法和底層分析

函數(shù)是可重用的程序代碼塊。函數(shù)的作用，不僅可以實(shí)現(xiàn)代碼的復(fù)用，更能實(shí)現(xiàn)代碼的一致性。一致性指的是，只要修改函數(shù)的代碼，則所有調(diào)用該函數(shù)的地方都能得到體現(xiàn)。

在編寫函數(shù)時(shí)，函數(shù)體中的代碼寫法和我們前面講述的基本一致，只是對(duì)代碼實(shí)現(xiàn)了封裝，并增加了函數(shù)調(diào)用、傳遞參數(shù)、返回計(jì)算結(jié)果等內(nèi)容。

為了讓大家更容易理解，掌握的更深刻。我們也要深入內(nèi)存底層進(jìn)行分析。絕大多數(shù)語(yǔ)言內(nèi)存底層都是高度相似的，這樣大家掌握了這些內(nèi)容也便于以后學(xué)習(xí)其他語(yǔ)言

函數(shù)的基本概念

• 一個(gè)程序由一個(gè)個(gè)任務(wù)組成；函數(shù)就是代表一個(gè)任務(wù)或者一個(gè)功能。
• 函數(shù)是代碼復(fù)用的通用機(jī)制。

Python 函數(shù)的分類

Python 中函數(shù)分為如下幾類：

• 內(nèi)置函數(shù)

我們前面使用的 str()、list()、len()等這些都是內(nèi)置函數(shù)，我們可以拿來直接使用。

• 標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)函數(shù)

我們可以通過 import 語(yǔ)句導(dǎo)入庫(kù)，然后使用其中定義的函數(shù)

• 第三方庫(kù)函數(shù)

Python 社區(qū)也提供了很多高質(zhì)量的庫(kù)。下載安裝這些庫(kù)后，也是通過 import 語(yǔ)句導(dǎo)入，然后可以使用這些第三方庫(kù)的函數(shù)

• 用戶自定義函數(shù)

用戶自己定義的函數(shù)，顯然也是開發(fā)中適應(yīng)用戶自身需求定義的函數(shù)。

核心要點(diǎn)

Python 中，定義函數(shù)的語(yǔ)法如下：

def 函數(shù)名 ([參數(shù)列表]) : 
    '''文檔字符串''' 
    函數(shù)體/若干語(yǔ)

要點(diǎn)：

• 我們使用 def 來定義函數(shù)，然后就是一個(gè)空格和函數(shù)名稱；

(1) Python 執(zhí)行 def 時(shí)，會(huì)創(chuàng)建一個(gè)函數(shù)對(duì)象，并綁定到函數(shù)名變量上。

• 參數(shù)列表

(1) 圓括號(hào)內(nèi)是形式參數(shù)列表，有多個(gè)參數(shù)則使用逗號(hào)隔開'

(2) 形式參數(shù)不需要聲明類型，也不需要指定函數(shù)返回值類型

(3) 無參數(shù)，也必須保留空的圓括號(hào)

(4) 實(shí)參列表必須與形參列表一一對(duì)應(yīng)

• return 返回值

(1) 如果函數(shù)體中包含 return 語(yǔ)句，則結(jié)束函數(shù)執(zhí)行并返回值；

(2) 如果函數(shù)體中不包含 return 語(yǔ)句，則返回 None 值。

• 調(diào)用函數(shù)之前，必須要先定義函數(shù)，即先調(diào)用 def 創(chuàng)建函數(shù)對(duì)象

(1) 內(nèi)置函數(shù)對(duì)象會(huì)自動(dòng)創(chuàng)建

(2) 標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)和第三方庫(kù)函數(shù)，通過 import 導(dǎo)入模塊時(shí)，會(huì)執(zhí)行模塊中的 def 語(yǔ)

形參和實(shí)參

【操作】定義一個(gè)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)數(shù)的比較，并返回較大的值

def print_max(a,b):
    '''實(shí)現(xiàn)兩個(gè)數(shù)的比較，并返回較大的值'''
    if a > b:
        print(a,'MAX')
    else:
        print(b,'MAX')

print_max(10, 20)
print_max(99, -99)

#result
#20 MAX
#99 MAX

上面的 printMax 函數(shù)中，在定義時(shí)寫的 print_max(a,b)。a 和 b 稱為“形式參數(shù)”，
簡(jiǎn)稱“形參”。也就是說，形式參數(shù)是在定義函數(shù)時(shí)使用的。 形式參數(shù)的命名只要符合“標(biāo)識(shí)符”命名規(guī)則即可。

在調(diào)用函數(shù)時(shí)，傳遞的參數(shù)稱為“實(shí)際參數(shù)”，簡(jiǎn)稱“實(shí)參”。上面代碼中，
printMax(10,20)，10 和 20 就是實(shí)際參數(shù)。

文檔字符串(函數(shù)的注釋)

程序的可讀性最重要，一般建議在函數(shù)體開始的部分附上函數(shù)定義說明，這就是“文檔字符串”，也有人成為“函數(shù)的注釋”。我們通過三個(gè)單引號(hào)或者三個(gè)雙引號(hào)來實(shí)現(xiàn)，中間可以加入多行文字進(jìn)行說明

【操作】測(cè)試文檔字符串的使用

def print_max(a,b):
    '''實(shí)現(xiàn)兩個(gè)數(shù)的比較，并返回較大的值'''
    if a > b:
        print(a,'MAX')
    else:
        print(b,'MAX')

print(help(print_max.__doc__))

#result
#No Python documentation found for '實(shí)現(xiàn)兩個(gè)數(shù)的比較，并返回較大的值'.
#Use help() to get the interactive help utility.
#Use help(str) for help on the str class.
#None

返回值

return 返回值要點(diǎn)：

• 如果函數(shù)體中包含 return 語(yǔ)句，則結(jié)束函數(shù)執(zhí)行并返回值；
• 如果函數(shù)體中不包含 return 語(yǔ)句，則返回 None 值。
• 要返回多個(gè)返回值，使用列表、元組、字典、集合將多個(gè)值“存起來”即可

【操作】計(jì)算a + b 不設(shè)置返回值

def print_star(a,b):
    a + b
c = print_star(4,10)
print(c)

#result
#None

【操作】計(jì)算a + b 設(shè)置返回值

def print_star(a,b):
    c = a + b
    return c

c = print_star(4,10)
print(c)
#result
#14

函數(shù)也是對(duì)象，內(nèi)存底層分析

Python 中，“一切都是對(duì)象”。實(shí)際上，執(zhí)行 def 定義函數(shù)后，系統(tǒng)就創(chuàng)建了相應(yīng)的函數(shù)對(duì)象。我們執(zhí)行如下程序，然后進(jìn)行解釋：

def print_star(n):
    print("*"*n)
print(print_star)
print(id(print_star))
c = print_star
c(3)

#result
#<function print_star at 0x0000000002BB8620>
#45844000
#***

上面代碼執(zhí)行 def 時(shí)，系統(tǒng)中會(huì)創(chuàng)建函數(shù)對(duì)象，并通過 print_star 這個(gè)變量進(jìn)行引用：

我們執(zhí)行“c=print_star”后，顯然將 print_star 變量的值賦給了變量 c，內(nèi)存圖變成了：

顯然，我們可以看出變量 c 和 print_star 都是指向了同一個(gè)函數(shù)對(duì)象。因此，執(zhí)行 c(3)和執(zhí)行 print_star(3)的效果是完全一致的。 Python 中，圓括號(hào)意味著調(diào)用函數(shù)。在沒有圓括號(hào)的情況下，Python 會(huì)把函數(shù)當(dāng)做普通對(duì)象。

變量的作用域(全局變量和局部變量)

變量起作用的范圍稱為變量的作用域，不同作用域內(nèi)同名變量之間互不影響。變量分為：全局變量、局部變量。

全局變量：

• 在函數(shù)和類定義之外聲明的變量。作用域?yàn)槎x的模塊，從定義位置開始直到模塊結(jié)束。
• 全局變量降低了函數(shù)的通用性和可讀性。應(yīng)盡量避免全局變量的使用。
• 全局變量一般做常量使用。
• 函數(shù)內(nèi)要改變?nèi)肿兞康闹?，使?global 聲明一下

局部變量：

• 在函數(shù)體中（包含形式參數(shù)）聲明的變量。
• 局部變量的引用比全局變量快，優(yōu)先考慮使用。
• 如果局部變量和全局變量同名，則在函數(shù)內(nèi)隱藏全局變量，只使用同名的局部變量

【操作】全局變量的作用域測(cè)試

def f1():
    global a #如果要在函數(shù)內(nèi)改變?nèi)肿兞康闹?，增?global 關(guān)鍵字聲明
    print(a) #打印全局變量 a 的值
    a = 300
f1()
print(a)

#result
#100
#300

【操作】全局變量和局部變量同名測(cè)試

a=100
def f1():
    a = 3 #同名的局部變量
    print(a)
f1()
print(a) #a 仍然是 100，沒有變

#result
#3
#100

【操作】 輸出局部變量和全局變

a = 100
def f1(a, b, c):
    print(a, b, c)
    print(locals())
    print('*' * 20)
    print(globals())

f1(1, 2, 3)

#result
#1 2 3 
#{'a': 1, 'b': 2, 'c': 3} 返回一個(gè)字典
#********************
#{'__name__': '__main__', '__doc__': None, '__package__': None, '__loader__': <_frozen_importlib_external.SourceFileLoader object at 0x0000023F0086CA10>, '__spec__': None, '__annotations__': {}, '__builtins__': <module 'builtins' (built-in)>, '__file__': 'c:\\Users\\chenh\\OneDrive\\Data Learn\\Python 基礎(chǔ)\\課堂筆記\\05\\Book_code.py', '__cached__': None, 'a': 100, 'f1': <function f1 at 0x0000023F00810680>}

部變量和全局變量效率測(cè)試

局部變量的查詢和訪問速度比全局變量快，優(yōu)先考慮使用，尤其是在循環(huán)的時(shí)候。在特別強(qiáng)調(diào)效率的地方或者循環(huán)次數(shù)較多的地方，可以通過將全局變量轉(zhuǎn)為局部變量提高運(yùn)行速度

【操作】測(cè)試局部變量和全局變量效率

#測(cè)試局部變量、全局變量的效率
import time
import math
def test01():
    start = time.time()
    for i  in range(100000000):
        math.sqrt(30)
    end = time.time()
    print('耗時(shí){0}'.format(end - start))

def test02():
    b = math.sqrt
    start = time.time()
    for i  in range(100000000):
        b(30)
    end = time.time()
    print('耗時(shí){0}'.format(end - start))

test01()
test02() 

#result
#耗時(shí)7.24362325668335
#耗時(shí)6.6801464557647705

參數(shù)的傳遞

函數(shù)的參數(shù)傳遞本質(zhì)上就是：從實(shí)參到形參的賦值操作。 Python 中“一切皆對(duì)象”，所有的賦值操作都是“引用的賦值”。所以，Python 中參數(shù)的傳遞都是“引用傳遞”，不是“值傳遞”。具體操作時(shí)分為兩類：

• 對(duì)“可變對(duì)象”進(jìn)行“寫操作”，直接作用于原對(duì)象本身。
• 對(duì)“不可變對(duì)象”進(jìn)行“寫操作”，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)新的“對(duì)象空間”，并用新的值填充這塊空間。（起到其他語(yǔ)言的“值傳遞”效果，但不是“值傳遞”）
  可變對(duì)象有：

字典、列表、集合、自定義的對(duì)象等
不可變對(duì)象有：
數(shù)字、字符串、元組、function

【操作】參數(shù)傳遞：傳遞可變對(duì)象的引用

b = [10,20]
def f2(m):
    print("m:",id(m)) #b 和 m 是同一個(gè)對(duì)象
    m.append(30) #由于 m 是可變對(duì)象，不創(chuàng)建對(duì)象拷貝，直接修改這個(gè)對(duì)象
f2(b)
print("b:",id(b))
print(b)

#result
#m: 1619876826368
#b: 1619876826368
#[10, 20, 30]

傳遞不可變對(duì)象的引用

傳遞參數(shù)是不可變對(duì)象（例如：int、float、字符串、元組、布爾值），實(shí)際傳遞的還是對(duì)象的引用。在”賦值操作”時(shí)，由于不可變對(duì)象無法修改，系統(tǒng)會(huì)新創(chuàng)建一個(gè)對(duì)象。

【操作】參數(shù)傳遞：傳遞不可變對(duì)象的引用

a = 100
def f1(n):
    print("n:",id(n)) #傳遞進(jìn)來的是 a 對(duì)象的地址
    n = n + 200 #由于 a 是不可變對(duì)象，因此創(chuàng)建新的對(duì)象 n
    print("n:",id(n)) #n 已經(jīng)變成了新的對(duì)象
    print(n)
f1(a)
print("a:",id(a)) #a的內(nèi)存地址并沒有發(fā)生改變

#result
#n: 140717568683912
#n: 2640908885520
#300
#a: 140717568683912

顯然，通過 id 值我們可以看到 n 和 a 一開始是同一個(gè)對(duì)象。給 n 賦值后，n 是新的對(duì)象。

淺拷貝和深拷貝

為了更深入的了解參數(shù)傳遞的底層原理，我們需要講解一下“淺拷貝和深拷貝”。我們可以使用內(nèi)置函數(shù)：copy(淺拷貝)、deepcopy(深拷貝)。

淺拷貝：不拷貝子對(duì)象的內(nèi)容，只是拷貝子對(duì)象的引用。
深拷貝：會(huì)連子對(duì)象的內(nèi)存也全部拷貝一份，對(duì)子對(duì)象的修改不會(huì)影響源對(duì)象

【操作】測(cè)試淺拷貝和深拷貝

#測(cè)試淺拷貝和深拷貝
import copy
def testCopy():
    '''測(cè)試淺拷貝'''
    a = [10, 20, [5, 6]]
    b = copy.copy(a)
    print("a", a)
    print("b", b)
    b.append(30)
    b[2].append(7)
    print("淺拷貝......")
    print("a", a)
    print("b", b)

def testDeepCopy():
    '''測(cè)試深拷貝'''
    a = [10, 20, [5, 6]]
    b = copy.deepcopy(a)
    print("a", a)
    print("b", b)
    b.append(30)
    b[2].append(7)
    print("深拷貝......")
    print("a", a)
    print("b", b)

testCopy()
print("*************")
testDeepCopy()

#result
'''
a [10, 20, [5, 6]]
b [10, 20, [5, 6]]
淺拷貝......
a [10, 20, [5, 6, 7]]
b [10, 20, [5, 6, 7], 30]
*************
a [10, 20, [5, 6]]
b [10, 20, [5, 6]]
深拷貝......
a [10, 20, [5, 6]]
b [10, 20, [5, 6, 7], 30]
'''

傳遞不可變對(duì)象包含的子對(duì)象是可變的情況

傳遞不可變對(duì)象時(shí)。不可變對(duì)象里面包含的子對(duì)象是可變的。則方法內(nèi)修改了這個(gè)可變對(duì)象，源對(duì)象也發(fā)生了變化

a = (10,20,[5,6])
print("a:",id(a))

def test01(m):
    print("m:",id(m))
    m[2][0] = 888
    print(m)
    print("m:",id(m))

test01(a)
print(a)

#result
'''
a: 3006159512640
m: 3006159512640
(10, 20, [888, 6])
m: 3006159512640
(10, 20, [888, 6])
'''

參數(shù)的幾種類型

位置參數(shù)

函數(shù)調(diào)用時(shí)，實(shí)參默認(rèn)按位置順序傳遞，需要個(gè)數(shù)和形參匹配。按位置傳遞的參數(shù)，稱為：“位置參數(shù)”。

【操作】測(cè)試位置參數(shù)

def f1(a,b,c):
    print(a,b,c)
f1(2,3,4)
f1(2,3) #報(bào)錯(cuò)，位置參數(shù)不匹配

#result
'''
2 3 4
Traceback (most recent call last):
  File "c:\Users\chenh\OneDrive\Data Learn\Python 基礎(chǔ)\課堂筆記\05\Book_code.py", line 4, in <module>
    f1(2,3) #報(bào)錯(cuò)，位置參數(shù)不匹配
    ^^^^^^^
TypeError: f1() missing 1 required positional argument: 'c'
'''

默認(rèn)值參數(shù)

我們可以為某些參數(shù)設(shè)置默認(rèn)值，這樣這些參數(shù)在傳遞時(shí)就是可選的。稱為“默認(rèn)值參數(shù)”。默認(rèn)值參數(shù)放到位置參數(shù)后面。

【操作】測(cè)試默認(rèn)值參數(shù)

def f1(a, b, c=10, d=20): #默認(rèn)值參數(shù)必須位于普通位置參數(shù)后面
    print(a, b, c, d)

f1(9, 8)
f1(8, 9, 19)
f1(8, 9, 19, 29)

#result
'''
9 8 10 20
8 9 19 20
8 9 19 29
'''

命名參數(shù)

我們也可以按照形參的名稱傳遞參數(shù)，稱為“命名參數(shù)”，也稱“關(guān)鍵字參數(shù)”。

【操作】測(cè)試命名參數(shù)

def f1(a,b,c):
    print(a,b,c)

f1(8, 9, 19)            #位置參數(shù)
f1(c=10, a=20, b=30)    #命名參數(shù)、

#result
'''
8 9 19
20 30 10
'''

可變參數(shù)

可變參數(shù)指的是“可變數(shù)量的參數(shù)”。分兩種情況：

• *param（一個(gè)星號(hào)），將多個(gè)參數(shù)收集到一個(gè)“元組”對(duì)象中。
• **param（兩個(gè)星號(hào)），將多個(gè)參數(shù)收集到一個(gè)“字典”對(duì)象中。

【操作】測(cè)試可變參數(shù)處理（元組、字典兩種方式

def f1(a,b,*c):
    print(a,b,c)

f1(8, 9, 19, 20)

def f2(a,b,**c):
    print(a,b,c)

f2(8, 9, name = 'gaoqi', age = 18)

def f3(a,b,*c,**d):
    print(a,b,c,d)

f3(8, 9, 20, 30, name = 'gaoqi',age = 18)\

#result
'''
8 9 (19, 20)    #將*c參數(shù)放在元組中
8 9 {'name': 'gaoqi', 'age': 18}    #將**c參數(shù)放在字典中
8 9 (20, 30) {'name': 'gaoqi', 'age': 18}
'''

強(qiáng)制命名參數(shù)

在帶星號(hào)的“可變參數(shù)”后面增加新的參數(shù)，必須在調(diào)用的時(shí)候“強(qiáng)制命名參數(shù)”。

【操作】強(qiáng)制命名參數(shù)的使用

def f1(*a,b,c):
    print(a,b,c)
#f1(2,3,4) #會(huì)報(bào)錯(cuò)。由于 a 是可變參數(shù)，將 2,3,4 全部收集。造成 b 和 c 沒有賦值。
f1(2,b=3,c=4) 
f1(2, 3, 4, b=10, c=100)
'''
result:
(2,) 3 4
(2, 3, 4) 10 100
'''

lambda 表達(dá)式和匿名函數(shù)

lambda 表達(dá)式可以用來聲明匿名函數(shù)。lambda 函數(shù)是一種簡(jiǎn)單的、在同一行中定義函數(shù)的方法。lambda 函數(shù)實(shí)際生成了一個(gè)函數(shù)對(duì)象。

lambda 表達(dá)式只允許包含一個(gè)表達(dá)式，不能包含復(fù)雜語(yǔ)句，該表達(dá)式的計(jì)算結(jié)果就是函數(shù)的返回值。

ambda 表達(dá)式的基本語(yǔ)法如下：

lambda arg1,arg2,arg3... : <表達(dá)式>

arg1/arg2/arg3 為函數(shù)的參數(shù)。<表達(dá)式>相當(dāng)于函數(shù)體。運(yùn)算結(jié)果是：表達(dá)式的運(yùn)算結(jié)果。

【操作】lambda 表達(dá)式使

f = lambda a, b, c : a + b + c

print(f)
print(f(2, 3, 4))

'''
result:
<function <lambda> at 0x0000024E1DBA0680>
9
'''

g = [lambda a : a*2, lambda b : b*3, lambda c : c*4]

print(g)
print(g[0](6),g[1](7),g[2](8))

'''
result:
[<function <lambda> at 0x0000019D11368E00>, <function <lambda> at 0x0000019D11368F40>, <function <lambda> at 0x0000019D11368FE0>]
12 21 32
'''

eval()函數(shù)

功能：將字符串 str 當(dāng)成有效的表達(dá)式來求值并返回計(jì)算結(jié)果。

語(yǔ)法參數(shù)：

eval(source[, globals[, locals]]) -> value

source：一個(gè) Python 表達(dá)式或函數(shù) compile()返回的代碼對(duì)象
globals：可選。必須是 dictionary
locals：可選。任意映射對(duì)象

s = "print('abcde')"
eval(s)

a = 10
b = 20
c = eval("a + b")
print(c)

dict1 = dict(a = 100, b = 200)

d = eval("a+b",dict1)
print(d)

'''
result:
abcde
30
300
'''

eval 函數(shù)會(huì)將字符串當(dāng)做語(yǔ)句來執(zhí)行，因此會(huì)被注入安全隱患。比如：字符串中含有刪除文件的語(yǔ)句。那就麻煩大了。因此，使用時(shí)候，要慎重?。。?/strong>

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

for i in range(1,11):
    print(i,'!=',factorial(i))

'''
result:
1 != 1
2 != 2
3 != 6
4 != 24
5 != 120
6 != 720
7 != 5040
8 != 40320
9 != 362880
10 != 3628800
'''