对于Python编程中一些重用与缩减的建议

2024-04-02 04:39:03 229

返璞归真

许多流行的玩具都以这样一个概念为基础：简单的积木。这些简单的积木可通过多种方式组合在一起构造出全新的作品——有时甚至完全令人出乎意料。这一概念同样适用于现实生活中的建筑领域，将基本原材料组合在一起，形成有用的建筑物。平凡无奇的材料、技术和工具简化了新建筑物的建造过程，同样也简化了对新踏入此领域的人员的培训。

相同的基本概念也适用于计算机程序开发技术，包括以Python编程语言编写的程序。本文介绍了使用Python创建基本构件(buildingblock)的方法，可用于解决更为复杂的问题。这些基本构件可能小而简单，也可能庞大而复杂。无论采用哪种形式，我们这场游戏的目的就是定义基本构件，然后使用它们来创建专属于您的杰作。
函数：封装逻辑

在本系列的前几篇文章中，您通常不得不重复输入所有代码，即便它与上一行代码完全相同。此要求的惟一特例就是变量的使用：一旦初始化了变量的内容，之后就可以随时重用。显而易见，这一用法的普及对我们大有好处。

描述杰出程序员的最流行的箴言之一就是他们很懒惰。这并不表示杰出的程序员不努力工作——而是说他们喜欢灵活的工作方法，除非绝对必要，否则从不反复做任何相同的事情。这也就意味着在您需要编写代码之前，首先考虑如何实现重用。Python中有多种可实现重用的途径，但最简单的技术莫过于使用函数，也称为方法或子例程。

与绝大多数现代编程语言类似，Python支持使用方法将一组语句封装在一起，从而可在必要时重复使用。清单1给出了一段简单的伪代码，为您展示如何在Python中编写方法。
清单1.定义函数的伪代码

defmyFunction(optionalinputdata):
initializeanylocaldata
actualstatementsthatdothework
optionallyreturnanyresults

如您所见，在Python中，函数的基本组成部分是包装器代码，指明将被重用的一系列Python语句。函数可接受输入参数，输入参数在紧接着函数名（在本例中为myFunction）之后的圆括号内提供。函数还可返回值（更为正式的说法是：对象），包括像tuple这样的Python容器。

在真正着手构建函数之前，让我们先来看看关于伪代码的一些简单却重要的要点：

请注意函数名中所用的字符大小写：大多数字符都是小写的，但在使用多个单词连接成一个函数名时，后接的各单词首字母应大写（例如，myFunction中的F）。这就是所谓的驼峰式大小写风格(camelcasing)，是Python和其他编程语言中广泛采用的一种技术，可使函数的名称更易阅读。
函数定义中的程序语句采用了缩进式排版，函数体由Python语句块构成，它们也必须像循环或条件语句那样缩进。
函数定义的第一行也称为方法签名(methodsignature)，以def开头（def是define这个单词的缩写）。
方法签名以冒号结尾，表示下面的代码行是函数体。

至此，您或许已认可了使用方法的好处。那么让我们投入进去，开始编写函数吧。“DiscoverPython,Part6:ProgramminginPython,Forthefunofit”中使用了一个for循环来创建乘法表。清单2展示了同样的概念，但本例中创建的是一个函数，用于封装乘法表计算背后的逻辑。
清单2.第一个函数

>>>deftimesTable():
...forrowinrange(1,6):
...forcolinrange(1,6):
...print"%3d"%(row*col),
...print
...
>>>timesTable()
12345
246810
3691215
48121620
510152025
>>>t=timesTable
>>>type(t)
<type'function'>
>>>t
<functiontimesTableat0x64c30>
>>>t()
12345
246810
3691215
48121620
510152025

timesTable函数定义起来非常简单，它不接受任何输入参数，也不返回任何结果。函数体几乎与“DiscoverPython,Part6”中的语句完全相同（但该文章中的乘法表为从1到10）。为了调用方法，并使其发挥作用，只需输入函数名后接圆括号即可。本例中还输出了乘法表。

在Python中，函数是一类对象，与整型变量和容器对象相同。因而，您可以将函数指派给一个变量（切记，在Python中变量是动态类型化的）。在清单2中，我们将timesTable函数指派给变量t。接下来的两行代码表示变量t确实指向函数。最后，我们使用变量t调用timesTable函数。
函数：动态更改逻辑

清单2中的timesTable函数不复杂，但也不是特别有用。更有用的示例允许您指定用于生成乘法表的行数和列数——换言之，允许您在调用函数时动态地更改函数的操作方式。在函数定义中使用两个输入参数即可实现这一功能，如清单3所示。
清单3.更好的乘法表函数

>>>deftimesTable2(nrows=5,ncols=5):
...forrowinrange(1,nrows+1):
...forcolsinrange(1,ncols+1):
...print"%3d"%(row*cols),
...print
...
>>>timesTable2(4,6)
123456
24681012
369121518
4812162024
>>>timesTable2()
12345
246810
3691215
48121620
510152025
>>>timesTable2(ncols=3)
123
246
369
4812
51015

两个乘法表函数的定义非常相近，但清单3中的函数有用得多（通过清单3中的3次调用即可看出这一点）。为函数添加此附加功能的方法非常简单：提供名为nrows和ncols的两个输入参数，允许在调用函数时更改乘法表的大小。这两个参数随后会被提供给生成乘法表的两个for循环。

关于timesTable2函数的另一要点就是两个输入参数有默认值。在函数签名中为参数提供默认值，方法是在参数名后添加等号和值，例如nrows=5。默认参数使程序获得了更高的灵活性，因为在您调用函数时，可以包含两个输入参数，也可以仅包含一个输入参数，甚至可以一个参数都不包含。但这种方法可能会导致某些问题。如果您在函数调用期间未指定全部参数，则必须显式地写出您所指定的参数的名称，以使Python解释器能够正确地调用函数。最后一个函数调用正体现了这一点，它显式地调用了带有ncols=3的timesTable2函数，函数创建了一个5行（默认值）3列（所提供的值）的乘法表。
函数：返回数据

使用方法时，人们最希望获得的结果并非总是乘法表。您可能希望完成一次计算，并将计算结果值返回给调用代码。有时要实现这两个目的，需要分别调用不返回任何数据的调用方法（子例程）和返回值的方法（函数）。但在Python中，您无需担心这些语义问题，因为通过使用return语句，几乎可以相同的方式实现这两个目的（参见清单4）。
清单4.在函数中返回一个值

>>>defstats(data):
...sum=0.0
...forvalueindata:
...sum+=value
...return(sum/len(data))
...
>>>stats([1,2,3,4,5])#Findthemeanvaluefromalist
3.0
>>>stats((1,2,3,4,5))#Findthemeanvaluefromatuple
3.0
>>>stats()
Traceback(mostrecentcalllast):
File"<stdin>",line1,in?
TypeError:stats()takesexactly1argument(0given)
>>>stats("12345")
Traceback(mostrecentcalllast):
File"<stdin>",line1,in?
File"<stdin>",line4,instats
TypeError:unsupportedoperandtype(s)for+=:'float'and'str'

这个简单的函数遍历data（假设data为一个容纳有数字数据的Python容器），计算一组数据的平均值，然后返回值。函数定义接受一个输入参数。平均值通过return语句传回。当您调用带有包含数字1到5的list或tuple的函数时，返回值会显示在屏幕上。如果调用不带任何参数的函数、带非容器数据类型的函数或带内含非数字数据的容器的函数，就会导致出错。（在此类情况下抛出错误是很有意义的。更高级的处理方法应包含恰当的错误检查和处理，以应对这些情况，但这不在本文讨论范围内。）

此示例已经非常有用，但还可使它更强大，如清单5所示。在Python中，函数可返回任何有效的对象类型，包括容器类型在内。因此，您可以计算多个数量，并轻松地将多个结果返回给调用语句。
清单5.返回复合值

>>>defstats(data):
...sum=0.0
...forvalueindata:
...sum+=value
...mean=sum/len(data)
...sum=0.0
...forvalueindata:
...sum+=(value-mean)**2
...variance=sum/(len(data)-1)
...return(mean,variance)
...
>>>stats([1,2,3,4,5])
(3.0,2.5)
>>>(m,v)=stats([1,2,3,4,5,6,7,8,9])
>>>printm,v
5.07.5

为了从一个函数中返回多个值，要将其括在一个括号中并以逗号分隔——换句话说，创建并返回一个tuple。新stats函数的函数体要略加修改，以计算数字序列的样本方差。最后，正如stats函数的两次调用所示，tuple值可作为一个tuple存取，也可将其解包为各自的分量。

模块：简化代码重用

至此，您或许已相信了代码重用的价值。但即便是使用函数，您依然需要在打算使用函数时重新输入函数体。例如，当您打开一个新的Python解释器时，必须键入之前所创建的所有函数。幸运的是，您可以使用模块将相关函数（和其他Python对象）封装在一起，将其保存在一个文件中，然后将这些已定义好的函数导入到新Python代码内，包含于Python解释器之中。

为介绍在Python中使用模块的方法，我们将重用清单5中的stats方法。有两个选择：您可以从与本文相关的压缩文件中提取名为test.py的文件，也可以在编辑器中键入函数，然后将文件保存为test.py。完成上一步后，在您保存test.py的目录中启动一个新的Python解释器，然后输入如清单6所示的语句。
清单6.使用模块

>>>importtest
>>>test.stats([1,2,3,4,5,6,7,8,9])
(5.0,7.5)
>>>fromtestimportstats
>>>(m,v)=stats([1,2,3,4,5,6,7,8,9])
>>>printm,v
5.07.5

第一行importtest打开文件test.py并处理文件中的各条语句。这里仅定义了stats函数，但若需要，您还可定义更多的函数。调用stats函数时，应以模块名test作为函数前缀。之所以使用这种复杂的名称，是出于作用域方面的考虑，作用域表示一个程序内名称的有效范围。为告知Python您要调用的是哪个stats方法，就必须提供完整的名称。这一点非常重要，因为您可能拥有多个名称相同的对象。作用域规则可帮助Python判断您想使用的对象。

第三行fromtestimportstats也打开了文件test.py，但它隐式地将stats方法置入当前文件的作用域内，以使您能够直接调用stats函数（无需使用模块名）。明智地使用from...import...语法可使您的程序更简洁，但过度的使用也会导致混淆，甚至出现更糟糕的作用域冲突错误。不要滥用您的新武器！
模块库

使用Python编程语言的一个主要好处就是大型的内置式标准库，可作为Python模块访问。常用模块示例如下：

math包含有用的数学函数。
sys包含用于与Python解释器交互的数据和方法。
array包含数组数据类型和相关函数。
datetime包含有用的日期和时间处理函数。

由于这些都是内置模块，因此您可以通过帮助解释器来了解更多相关内容，如清单7所示。
清单7.获得关于math模块的帮助信息

>>>help(math)
Traceback(mostrecentcalllast):
File"<stdin>",line1,in?
NameError:name'math'isnotdefined
>>>importmath#Needtoimportmathmoduleinordertouseit
>>>help(math)
Helponmodulemath:
NAME
math
FILE
/System/Library/Frameworks/Python.framework/Versions/2.4/lib/
python2.4/lib-dynload/math.so
DESCRIPTION
Thismoduleisalwaysavailable.Itprovidesaccesstothe
mathematicalfunctionsdefinedbytheCstandard.
FUNCTIONS
acos(...)
acos(x)

Returnthearccosine(measuredinradians)ofx.

asin(...)
asin(x)

Returnthearcsine(measuredinradians)ofx.
...

math模块的帮助输出展示了所支持的大量数学函数，包括sqrt函数在内。您可以利用此函数将您的样本方差计算转换为样本标准差计算，如清单8所示。
清单8.使用多个模块

>>>frommathimportsqrt
>>>fromtestimportstats
>>>(m,v)=stats([1,2,3,4,5,6,7,8,9])
>>>printm,sqrt(v)
5.02.73861278753

如您所见，您可以将多个模块导入到一个Python程序中。在大型、内置的模块库与更大量的公用库（其中许多都是开放源码的）的共同协助下，您很快也会成为一名懒惰——也就是杰出——的程序员。

可执行文件

导入一个模块时，Python解释器会处理模块文件内的各行。实际上，您可以调用Python解释器使其仅处理包含于一个文件中的一个Python程序。在基于UNIX?的操作系统中，您可以轻松创建可执行的文件，如清单9所示。
清单9.一个完整的Python程序

#!/usr/bin/envpython
defstats(data):
sum=0.0
forvalueindata:
sum+=value
mean=sum/len(data)
sum=0
forvalueindata:
sum+=(value-mean)**2
variance=sum/(len(data)-1)
return(mean,variance)
(m,v)=stats([1,2,3,4,5,6,7,8,9])
print"Themeanandvarianceofthevalues"\
"from1to9inclusiveare",m,v

观察上例，您应该会产生几分好感，将Python程序置于文件内，并使其运行是如此简单。本例与test.py文件中的代码之间惟一的差异就是包含了第一行。在基于UNIX的操作系统中，本行会使Python解释器自动启动，并在终止前处理文件中的语句。本示例中的其他行定义了stats函数、调用了函数，并输出了结果。

要运行本文件中的语句，您需要启动一个Python解释器，并让它去读取和处理文件的内容。为实现这一目的，您必须首先将清单9中的示例输入到一个名为mystats.py的文件中，也可从与本文相关的压缩文件中提取文件。进入包含此文件的目录，然后按清单10中所示命令执行。注意对于Microsoft?Windows?操作系统而言，仅应使用第一条命令；其他命令是供UNIX系统（如Linux?或MacOSX）使用的。
清单10.执行Python程序

rb%pythonmystats.py
Themeanandvarianceofthevaluesfrom1to9inclusiveare5.07.5
rb%chmod+xmystats.py
rb%./mystats.py
Themeanandvarianceofthevaluesfrom1to9inclusiveare5.07.5

清单10中的命令展示了运行一个包含于文件之中的Python程序的方法。第一条命令以文件名调用Python解释器，无论使用哪种系统安装Python、Python解释器位于哪个目录下，这种方法都有效。第二条命令chmod使包含Python程序的文件成为可执行文件。第三条命令告诉操作系统运行程序。这是通过使用env程序实现的，这是一种独立于操作系统的技术，用于定位和运行程序——本例中是Python解释器。

重用与缩减

本文介绍了如何在Python中编写可重用代码。讨论了如何在Python程序中使用方法或可重用块。方法可接受输入参数，也可返回数据，包括容器数据类型在内。这种功能使方法成为一种可处理大量问题的强大途径。本文还介绍了模块，模块可使您将相关方法及数据合并入一个有组织的层次结构中，而此结构可方便地在其他Python程序中重用。最后还介绍了如何将所有这些内容组合在一起以创建一个功能完整、独立的Python程序。您已经看到，代码的重用也就意味着您的工作量缩减。对于程序员而言，懒惰是一种优势而非陋习。

对于Python编程中一些重用与缩减的建议

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