代码收藏家 Python 装饰器使用详解
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0. 引言
Python装饰器(Decorator) 不仅可以让你的代码更加简洁、可读，还能有效地实现功能的复用和扩展。本文将带你深入了解Python装饰器的概念、原理及其应用。
1. 什么是装饰器？
装饰器是一种高阶函数，它接受一个函数作为参数，并返回一个新的函数。通过装饰器，我们可以在不修改原函数代码的前提下，动态地为其添加额外的功能。
简单来说，装饰器就是函数的包装器，它可以在函数执行前后添加一些操作。
2. 装饰器的基本语法
在Python中，装饰器通常使用 @ 符号来应用于函数或类。下面是一个简单的装饰器示例：
def my_decorator(func):
def wrapper():
print("函数执行前的操作")
func()
print("函数执行后的操作")
return wrapper
@my_decorator
def say_hello():
print("Hello!")
say_hello()
输出：
函数执行前的操作
Hello!
函数执行后的操作
在这个例子中：
my_decorator 是一个装饰器，它接受一个函数 func 作为参数。wrapper 是一个内部函数，它在调用 func 前后添加了额外的打印操作。@my_decorator 将 say_hello 函数传递给装饰器，并将返回的 wrapper 函数重新赋值给 say_hello。因此，当我们调用 say_hello() 时，实际执行的是 wrapper() 函数。
3. 装饰器的工作原理
装饰器的核心在于闭包和高阶函数。让我们通过一个更详细的示例来理解装饰器的工作机制。
def decorator(func):
print("装饰器被调用")
def wrapper(*args, **kwargs):
print("在函数执行前")
result = func(*args, **kwargs)
print("在函数执行后")
return result
return wrapper
@decorator
def add(a, b):
print(f"执行加法: {a} + {b}")
return a + b
result = add(3, 5)
print(f"结果是: {result}")
输出：
装饰器被调用
在函数执行前
执行加法: 3 + 5
在函数执行后
结果是: 8
工作流程图示：
+------------------+
| @decorator |
| 装饰器被调用 |
| add 函数被传入 |
+---------+--------+
|
v
+---------+--------+
| 返回 wrapper 函数 |
+---------+--------+
|
v
+---------+--------+
| 调用 add(3, 5) | ---> 实际上调用的是 wrapper(3, 5)
+---------+--------+
|
v
+---------+--------+
| 打印 "在函数执行前"|
| 调用原始 add |
| 打印 "执行加法:3 +5"|
| 打印 "在函数执行后"|
+---------+--------+
|
v
+---------+--------+
| 返回结果 8 |
+------------------+
解释：
@decorator 时，它会先调用 decorator(add)。decorator 函数在执行时首先打印“装饰器被调用”。decorator 返回了 wrapper 函数，因此 add 函数被替换为 wrapper。add(3, 5) 时，实际上调用的是 wrapper(3, 5)，它在执行 func(3, 5)（即原始的 add 函数）前后添加了打印操作。4. 常见装饰器应用场景
装饰器在实际开发中有着广泛的应用，以下是几个常见的使用场景：
4.1. 日志记录
记录函数的调用信息、参数、返回值等，有助于调试和监控。
def log_decorator(func):
def wrapper(*args, **kwargs):
print(f"调用函数 {func.__name__}，参数: {args}, {kwargs}")
result = func(*args, **kwargs)
print(f"函数 {func.__name__} 返回: {result}")
return result
return wrapper
@log_decorator
def multiply(a, b):
return a * b
multiply(4, 5)
输出：
调用函数 multiply，参数: (4, 5), {}
函数 multiply 返回: 20
4.2. 权限校验
在函数执行前进行权限检查，确保用户有权限执行该操作。
def requires_permission(permission):
def decorator(func):
def wrapper(*args, **kwargs):
if not user_has_permission(permission):
raise PermissionError("没有权限执行此操作")
return func(*args, **kwargs)
return wrapper
return decorator
@requires_permission('admin')
def delete_user(user_id):
print(f"删除用户 {user_id}")
4.3. 缓存
缓存函数的计算结果，避免重复计算，提高性能。
def cache_decorator(func):
cache = {}
def wrapper(*args):
if args in cache:
print("使用缓存")
return cache[args]
result = func(*args)
cache[args] = result
return result
return wrapper
@cache_decorator
def fibonacci(n):
if n <= 1:
return n
return fibonacci(n-1) + fibonacci(n-2)
print(fibonacci(5))
5. 多重装饰器的执行顺序
当一个函数被多个装饰器装饰时，装饰器的执行顺序可能会让人感到困惑。下面通过一个示例来说明多重装饰器的执行顺序。
def decorator_a(func):
print("装饰器 A 被调用")
def wrapper(*args, **kwargs):
print("装饰器 A 在函数执行前")
result = func(*args, **kwargs)
print("装饰器 A 在函数执行后")
return result
return wrapper
def decorator_b(func):
print("装饰器 B 被调用")
def wrapper(*args, **kwargs):
print("装饰器 B 在函数执行前")
result = func(*args, **kwargs)
print("装饰器 B 在函数执行后")
return result
return wrapper
@decorator_a
@decorator_b
def greet(name):
print(f"Hello, {name}!")
greet("Alice")
输出：
装饰器 A 被调用
装饰器 B 被调用
装饰器 A 在函数执行前
装饰器 B 在函数执行前
Hello, Alice!
装饰器 B 在函数执行后
装饰器 A 在函数执行后
执行顺序图示：
装饰器应用阶段：
+-----------------+ +-----------------+
| decorator_a | | decorator_b |
| 调用 decorator_a | | 调用 decorator_b |
+--------+--------+ +--------+--------+
| |
v v
+--------+--------+ +--------+--------+
| 返回 wrapper_a | | 返回 wrapper_b |
+--------+--------+ +--------+--------+
| |
+----------> greet <-------+
指向 wrapper_a
函数调用阶段：
+-----------------+
| 调用 greet("Alice") |
+--------+--------+
|
v
+--------+--------+
| wrapper_a |
| 打印 "装饰器 A 在函数执行前" |
| 调用 wrapper_b |
+--------+--------+
|
v
+--------+--------+
| wrapper_b |
| 打印 "装饰器 B 在函数执行前" |
| 调用 greet ("Hello, Alice!") |
| 打印 "装饰器 B 在函数执行后" |
+--------+--------+
|
v
+--------+--------+
| wrapper_a |
| 打印 "装饰器 A 在函数执行后" |
+-----------------+
解释：
装饰器的应用顺序是自下而上：
greet 函数被 decorator_b 装饰，生成 wrapper_b。wrapper_b 被 decorator_a 装饰，生成 wrapper_a。greet 指向 wrapper_a。函数调用的执行顺序是自上而下：
greet("Alice") 实际上调用的是 wrapper_a("Alice")。wrapper_a 打印“装饰器 A 在函数执行前”，然后调用 wrapper_b("Alice")。wrapper_b 打印“装饰器 B 在函数执行前”，然后调用原始的 greet("Alice")。greet 打印“Hello, Alice!”。wrapper_b 打印“装饰器 B 在函数执行后”。wrapper_a 打印“装饰器 A 在函数执行后”。6. 装饰器的高级用法
6.1. 带参数的装饰器
有时候，装饰器本身需要接受参数，这时需要使用三层嵌套函数。
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(num_times=3)
def say(message):
print(message)
say("Hello!")
输出：
Hello!
Hello!
Hello!
6.2. 使用 functools.wraps
在装饰器中，使用 functools.wraps 可以保留原函数的元数据，如函数名、文档字符串等。
import functools
def my_decorator(func):
@functools.wraps(func)
def wrapper(*args, **kwargs):
print("调用前")
return func(*args, **kwargs)
return wrapper
@my_decorator
def example():
"""这是一个示例函数"""
print("示例函数执行")
print(example.__name__) # 输出: example
print(example.__doc__) # 输出: 这是一个示例函数
6.3. 类装饰器
装饰器不仅可以用于函数，也可以用于类。
def class_decorator(cls):
class WrappedClass:
def __init__(self, *args, **kwargs):
self.wrapped_instance = cls(*args, **kwargs)
def __getattr__(self, attr):
return getattr(self.wrapped_instance, attr)
def new_method(self):
print("这是新添加的方法")
return WrappedClass
@class_decorator
class MyClass:
def method(self):
print("原始方法")
obj = MyClass()
obj.method()
obj.new_method()
输出：
原始方法
这是新添加的方法
7. 图示说明
为了更直观地理解装饰器的工作原理及其执行顺序，下面通过几张示意图来辅助说明。
7.1. 单一装饰器的执行流程
示意图：
装饰器应用阶段：
+-----------------+
| Original Func | (被装饰的函数)
+--------+--------+
|
v
+--------+--------+
| Decorator | (装饰器函数)
| 返回 Wrapper |
+--------+--------+
|
v
+--------+--------+
| Wrapper Func | (包装后的函数)
+--------+--------+
函数调用阶段：
+-----------------+
| 调用 Wrapper |
+--------+--------+
|
v
+--------+--------+
| 执行装饰器前操作 |
+--------+--------+
|
v
+--------+--------+
| 执行原始函数 |
+--------+--------+
|
v
+--------+--------+
| 执行装饰器后操作 |
+-----------------+
解释：
- 装饰器应用阶段：原始函数通过装饰器包装，生成一个新的包装函数。
- 函数调用阶段：调用包装函数时，先执行装饰器前的操作，再执行原始函数，最后执行装饰器后的操作。
2. 多重装饰器的执行流程
示意图：
装饰器应用阶段：
+-----------------+ +-----------------+
| Original Func | | Decorator B |
+--------+--------+ +--------+--------+
| |
v v
+--------+--------+ +--------+--------+
| Decorator A | | 返回 Wrapper B |
| 返回 Wrapper A | +-----------------+
+--------+--------+
|
v
+--------+--------+
| Wrapper A |
+-----------------+
函数调用阶段：
+-----------------+
| 调用 Wrapper A |
+--------+--------+
|
v
+--------+--------+
| 执行 Decorator A 前操作 |
+--------+--------+
|
v
+--------+--------+
| 调用 Wrapper B |
+--------+--------+
|
v
+--------+--------+
| 执行 Decorator B 前操作 |
+--------+--------+
|
v
+--------+--------+
| 执行原始函数 |
+--------+--------+
|
v
+--------+--------+
| 执行 Decorator B 后操作 |
+--------+--------+
|
v
+--------+--------+
| 执行 Decorator A 后操作 |
+-----------------+
解释：
-
装饰器应用阶段：
- 原始函数首先被
Decorator B装饰，生成Wrapper B。 - 然后，
Wrapper B被Decorator A装饰，生成Wrapper A。 - 最终，函数指向
Wrapper A。 -
函数调用阶段：
- 调用
Wrapper A，执行Decorator A的前置操作。 Wrapper A调用Wrapper B，执行Decorator B的前置操作。Wrapper B调用原始函数。- 执行
Decorator B的后置操作。 - 执行
Decorator A的后置操作。
3. 带参数装饰器的执行流程
示意图：
装饰器应用阶段：
+-----------------+
| repeat(num_times=3) |
+--------+--------+
|
v
+--------+--------+
| Decorator |
| 返回 Wrapper |
+--------+--------+
|
v
+--------+--------+
| 原始函数 |
+--------+--------+
函数调用阶段：
+-----------------+
| 调用 Wrapper |
+--------+--------+
|
v
+--------+--------+
| 重复调用原始函数 |
| 3 次 |
+-----------------+
解释：
- 装饰器应用阶段：带参数的装饰器
repeat接受参数num_times=3，返回装饰器函数decorator，然后decorator返回wrapper函数。 - 函数调用阶段：调用
wrapper时，根据num_times的值，重复调用原始函数 3 次。
总结
装饰器通过函数包装器的方式，允许开发者在不修改原函数代码的前提下，为其添加额外的功能。
8 参考资料
作者：橘色的喵
