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# 17 | 强大的装饰器
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你好，我是景霄。这节课，我们一起来学习装饰器。
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装饰器一直以来都是Python中很有用、很经典的一个feature，在工程中的应用也十分广泛，比如日志、缓存等等的任务都会用到。然而，在平常工作生活中，我发现不少人，尤其是初学者，常常因为其相对复杂的表示，对装饰器望而生畏，认为它“too fancy to learn”，实际并不如此。
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今天这节课，我会以前面所讲的函数、闭包为切入点，引出装饰器的概念、表达和基本用法，最后，再通过实际工程中的例子，让你再次加深理解。
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接下来，让我们进入正文一起学习吧！
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## 函数->装饰器
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### 函数核心回顾
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引入装饰器之前，我们首先一起来复习一下，必须掌握的函数的几个核心概念。
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第一点，我们要知道，在Python中，函数是一等公民（first-class citizen），函数也是对象。我们可以把函数赋予变量，比如下面这段代码：
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```
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def func(message):
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print('Got a message: {}'.format(message))
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send_message = func
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send_message('hello world')
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# 输出
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Got a message: hello world
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```
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这个例子中，我们把函数func赋予了变量send\_message，这样之后你调用send\_message，就相当于是调用函数func()。
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第二点，我们可以把函数当作参数，传入另一个函数中，比如下面这段代码：
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```
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def get_message(message):
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return 'Got a message: ' + message
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def root_call(func, message):
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print(func(message))
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root_call(get_message, 'hello world')
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# 输出
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Got a message: hello world
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```
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这个例子中，我们就把函数get\_message以参数的形式，传入了函数root\_call()中然后调用它。
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第三点，我们可以在函数里定义函数，也就是函数的嵌套。这里我同样举了一个例子：
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```
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def func(message):
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def get_message(message):
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print('Got a message: {}'.format(message))
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return get_message(message)
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func('hello world')
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# 输出
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Got a message: hello world
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```
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这段代码中，我们在函数func()里又定义了新的函数get\_message()，调用后作为func()的返回值返回。
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第四点，要知道，函数的返回值也可以是函数对象（闭包），比如下面这个例子：
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```
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def func_closure():
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def get_message(message):
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print('Got a message: {}'.format(message))
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return get_message
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send_message = func_closure()
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send_message('hello world')
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# 输出
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Got a message: hello world
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```
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这里，函数func\_closure()的返回值是函数对象get\_message本身，之后，我们将其赋予变量send\_message，再调用send\_message(‘hello world’)，最后输出了`'Got a message: hello world'`。
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### 简单的装饰器
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简单的复习之后，我们接下来学习今天的新知识——装饰器。按照习惯，我们可以先来看一个装饰器的简单例子：
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```
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def my_decorator(func):
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def wrapper():
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print('wrapper of decorator')
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func()
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return wrapper
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def greet():
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print('hello world')
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greet = my_decorator(greet)
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greet()
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# 输出
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wrapper of decorator
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hello world
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```
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这段代码中，变量greet指向了内部函数wrapper()，而内部函数wrapper()中又会调用原函数greet()，因此，最后调用greet()时，就会先打印`'wrapper of decorator'`，然后输出`'hello world'`。
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这里的函数my\_decorator()就是一个装饰器，它把真正需要执行的函数greet()包裹在其中，并且改变了它的行为，但是原函数greet()不变。
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事实上，上述代码在Python中有更简单、更优雅的表示：
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```
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def my_decorator(func):
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def wrapper():
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print('wrapper of decorator')
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func()
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return wrapper
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@my_decorator
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def greet():
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print('hello world')
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greet()
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```
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这里的`@`，我们称之为语法糖，`@my_decorator`就相当于前面的`greet=my_decorator(greet)`语句，只不过更加简洁。因此，如果你的程序中有其它函数需要做类似的装饰，你只需在它们的上方加上`@decorator`就可以了，这样就大大提高了函数的重复利用和程序的可读性。
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### 带有参数的装饰器
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你或许会想到，如果原函数greet()中，有参数需要传递给装饰器怎么办？
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一个简单的办法，是可以在对应的装饰器函数wrapper()上，加上相应的参数，比如：
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```
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def my_decorator(func):
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def wrapper(message):
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print('wrapper of decorator')
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func(message)
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return wrapper
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@my_decorator
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def greet(message):
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print(message)
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greet('hello world')
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# 输出
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wrapper of decorator
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hello world
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```
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不过，新的问题来了。如果我另外还有一个函数，也需要使用my\_decorator()装饰器，但是这个新的函数有两个参数，又该怎么办呢？比如：
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```
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@my_decorator
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def celebrate(name, message):
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...
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```
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事实上，通常情况下，我们会把`*args`和`**kwargs`，作为装饰器内部函数wrapper()的参数。`*args`和`**kwargs`，表示接受任意数量和类型的参数，因此装饰器就可以写成下面的形式：
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```
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def my_decorator(func):
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def wrapper(*args, **kwargs):
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print('wrapper of decorator')
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func(*args, **kwargs)
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return wrapper
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```
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### 带有自定义参数的装饰器
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其实，装饰器还有更大程度的灵活性。刚刚说了，装饰器可以接受原函数任意类型和数量的参数，除此之外，它还可以接受自己定义的参数。
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举个例子，比如我想要定义一个参数，来表示装饰器内部函数被执行的次数，那么就可以写成下面这种形式：
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```
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def repeat(num):
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def my_decorator(func):
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def wrapper(*args, **kwargs):
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for i in range(num):
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print('wrapper of decorator')
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func(*args, **kwargs)
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return wrapper
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return my_decorator
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@repeat(4)
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def greet(message):
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print(message)
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greet('hello world')
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# 输出：
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wrapper of decorator
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hello world
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wrapper of decorator
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hello world
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wrapper of decorator
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hello world
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wrapper of decorator
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hello world
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```
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### 原函数还是原函数吗？
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现在，我们再来看个有趣的现象。还是之前的例子，我们试着打印出greet()函数的一些元信息：
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```
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greet.__name__
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## 输出
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'wrapper'
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help(greet)
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# 输出
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Help on function wrapper in module __main__:
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wrapper(*args, **kwargs)
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```
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你会发现，greet()函数被装饰以后，它的元信息变了。元信息告诉我们“它不再是以前的那个greet()函数，而是被wrapper()函数取代了”。
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为了解决这个问题，我们通常使用内置的装饰器`@functools.wrap`，它会帮助保留原函数的元信息（也就是将原函数的元信息，拷贝到对应的装饰器函数里）。
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```
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import functools
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def my_decorator(func):
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@functools.wraps(func)
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def wrapper(*args, **kwargs):
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print('wrapper of decorator')
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func(*args, **kwargs)
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||
return wrapper
|
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@my_decorator
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def greet(message):
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print(message)
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greet.__name__
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# 输出
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'greet'
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```
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### 类装饰器
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前面我们主要讲了函数作为装饰器的用法，实际上，类也可以作为装饰器。类装饰器主要依赖于函数`__call__()`，每当你调用一个类的示例时，函数`__call__()`就会被执行一次。
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我们来看下面这段代码：
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```
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class Count:
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def __init__(self, func):
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self.func = func
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self.num_calls = 0
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def __call__(self, *args, **kwargs):
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self.num_calls += 1
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print('num of calls is: {}'.format(self.num_calls))
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return self.func(*args, **kwargs)
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@Count
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def example():
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print("hello world")
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example()
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# 输出
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num of calls is: 1
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hello world
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||
example()
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# 输出
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num of calls is: 2
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hello world
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...
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```
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这里，我们定义了类Count，初始化时传入原函数func()，而`__call__()`函数表示让变量num\_calls自增1，然后打印，并且调用原函数。因此，在我们第一次调用函数example()时，num\_calls的值是1，而在第二次调用时，它的值变成了2。
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### 装饰器的嵌套
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回顾刚刚讲的例子，基本都是一个装饰器的情况，但实际上，Python也支持多个装饰器，比如写成下面这样的形式：
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```
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@decorator1
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@decorator2
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@decorator3
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def func():
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...
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```
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它的执行顺序从里到外，所以上面的语句也等效于下面这行代码：
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```
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decorator1(decorator2(decorator3(func)))
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```
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这样，`'hello world'`这个例子，就可以改写成下面这样：
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```
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import functools
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def my_decorator1(func):
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@functools.wraps(func)
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def wrapper(*args, **kwargs):
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print('execute decorator1')
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func(*args, **kwargs)
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||
return wrapper
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def my_decorator2(func):
|
||
@functools.wraps(func)
|
||
def wrapper(*args, **kwargs):
|
||
print('execute decorator2')
|
||
func(*args, **kwargs)
|
||
return wrapper
|
||
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||
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||
@my_decorator1
|
||
@my_decorator2
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def greet(message):
|
||
print(message)
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||
greet('hello world')
|
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# 输出
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execute decorator1
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||
execute decorator2
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hello world
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```
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## 装饰器用法实例
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到此，装饰器的基本概念及用法我就讲完了，接下来，我将结合实际工作中的几个例子，带你加深对它的理解。
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### 身份认证
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首先是最常见的身份认证的应用。这个很容易理解，举个最常见的例子，你登录微信，需要输入用户名密码，然后点击确认，这样，服务器端便会查询你的用户名是否存在、是否和密码匹配等等。如果认证通过，你就可以顺利登录；如果不通过，就抛出异常并提示你登录失败。
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再比如一些网站，你不登录也可以浏览内容，但如果你想要发布文章或留言，在点击发布时，服务器端便会查询你是否登录。如果没有登录，就不允许这项操作等等。
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我们来看一个大概的代码示例：
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```
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import functools
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def authenticate(func):
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@functools.wraps(func)
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def wrapper(*args, **kwargs):
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request = args[0]
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if check_user_logged_in(request): # 如果用户处于登录状态
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return func(*args, **kwargs) # 执行函数post_comment()
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else:
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raise Exception('Authentication failed')
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return wrapper
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@authenticate
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def post_comment(request, ...)
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...
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```
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这段代码中，我们定义了装饰器authenticate；而函数post\_comment()，则表示发表用户对某篇文章的评论。每次调用这个函数前，都会先检查用户是否处于登录状态，如果是登录状态，则允许这项操作；如果没有登录，则不允许。
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### 日志记录
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日志记录同样是很常见的一个案例。在实际工作中，如果你怀疑某些函数的耗时过长，导致整个系统的latency（延迟）增加，所以想在线上测试某些函数的执行时间，那么，装饰器就是一种很常用的手段。
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我们通常用下面的方法来表示：
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```
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import time
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import functools
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def log_execution_time(func):
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@functools.wraps(func)
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def wrapper(*args, **kwargs):
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start = time.perf_counter()
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res = func(*args, **kwargs)
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end = time.perf_counter()
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print('{} took {} ms'.format(func.__name__, (end - start) * 1000))
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return res
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return wrapper
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@log_execution_time
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def calculate_similarity(items):
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...
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```
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这里，装饰器log\_execution\_time记录某个函数的运行时间，并返回其执行结果。如果你想计算任何函数的执行时间，在这个函数上方加上`@log_execution_time`即可。
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### 输入合理性检查
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再来看今天要讲的第三个应用，输入合理性检查。
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在大型公司的机器学习框架中，我们调用机器集群进行模型训练前，往往会用装饰器对其输入（往往是很长的JSON文件）进行合理性检查。这样就可以大大避免，输入不正确对机器造成的巨大开销。
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它的写法往往是下面的格式：
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```
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import functools
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def validation_check(input):
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@functools.wraps(func)
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def wrapper(*args, **kwargs):
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... # 检查输入是否合法
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@validation_check
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def neural_network_training(param1, param2, ...):
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||
...
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```
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其实在工作中，很多情况下都会出现输入不合理的现象。因为我们调用的训练模型往往很复杂，输入的文件有成千上万行，很多时候确实也很难发现。
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试想一下，如果没有输入的合理性检查，很容易出现“模型训练了好几个小时后，系统却报错说输入的一个参数不对，成果付之一炬”的现象。这样的“惨案”，大大减缓了开发效率，也对机器资源造成了巨大浪费。
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### 缓存
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最后，我们来看缓存方面的应用。关于缓存装饰器的用法，其实十分常见，这里我以Python内置的LRU cache为例来说明（如果你不了解 [LRU cache](https://en.wikipedia.org/wiki/Cache_replacement_policies#Examples)，可以点击链接自行查阅）。
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LRU cache，在Python中的表示形式是`@lru_cache`。`@lru_cache`会缓存进程中的函数参数和结果，当缓存满了以后，会删除least recenly used 的数据。
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正确使用缓存装饰器，往往能极大地提高程序运行效率。为什么呢？我举一个常见的例子来说明。
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大型公司服务器端的代码中往往存在很多关于设备的检查，比如你使用的设备是安卓还是iPhone，版本号是多少。这其中的一个原因，就是一些新的feature，往往只在某些特定的手机系统或版本上才有（比如Android v200+）。
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这样一来，我们通常使用缓存装饰器，来包裹这些检查函数，避免其被反复调用，进而提高程序运行效率，比如写成下面这样：
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```
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@lru_cache
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def check(param1, param2, ...) # 检查用户设备类型，版本号等等
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...
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```
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## 总结
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这节课，我们一起学习了装饰器的概念及用法。**所谓的装饰器，其实就是通过装饰器函数，来修改原函数的一些功能，使得原函数不需要修改。**
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> Decorators is to modify the behavior of the function through a wrapper so we don’t have to actually modify the function.
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而实际工作中，装饰器通常运用在身份认证、日志记录、输入合理性检查以及缓存等多个领域中。合理使用装饰器，往往能极大地提高程序的可读性以及运行效率。
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## 思考题
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那么，你平时工作中，通常会在哪些情况下使用装饰器呢？欢迎留言和我讨论，也欢迎你把这篇文章分享给你的同事、朋友，一起在交流中进步。
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