Python開發的入門教程(六)-函式

誰主沉浮oo7發表於2020-09-01
Python函式

介紹

本文主要介紹Python中函式的基本知識和使用

Python之什麼是函式

我們知道圓的面積計算公式為：
S = πr²
當我們知道半徑r的值時，就可以根據公式計算出面積。假設我們需要計算3個不同大小的圓的面積：

r1 = 12.34
r2 = 9.08
r3 = 73.1
s1 = 3.14 * r1 * r1
s2 = 3.14 * r2 * r2
s3 = 3.14 * r3 * r3

當程式碼出現有規律的重複的時候，你就需要當心了，每次寫3.14 * x * x不僅很麻煩，而且，如果要把3.14改成3.14159265359的時候，得全部替換。

有了函式，我們就不再每次寫s = 3.14 * x * x，而是寫成更有意義的函式呼叫 s = area_of_circle(x)，而函式 area_of_circle 本身只需要寫一次，就可以多次呼叫。

抽象是數學中非常常見的概念。舉個例子：

計算數列的和，比如：1 + 2 + 3 + ... + 100，寫起來十分不方便，於是數學家發明了求和符號∑，可以把1 + 2 + 3 + ... + 100記作：

100
∑n
n=1

這種抽象記法非常強大，因為我們看到∑就可以理解成求和，而不是還原成低階的加法運算。

而且，這種抽象記法是可擴充套件的，比如：

100
∑(n²+1)
n=1

還原成加法運算就變成了：

(1 x 1 + 1) + (2 x 2 + 1) + (3 x 3 + 1) + ... + (100 x 100 + 1)

可見，藉助抽象，我們才能不關心底層的具體計算過程，而直接在更高的層次上思考問題。
寫計算機程式也是一樣，函式就是最基本的一種程式碼抽象的方式。
Python不但能非常靈活地定義函式，而且本身內建了很多有用的函式，可以直接呼叫。

Python之呼叫函式

Python內建了很多有用的函式，我們可以直接呼叫。
要呼叫一個函式，需要知道函式的名稱和引數，比如求絕對值的函式 abs，它接收一個引數。
可以直接從Python的官方網站檢視文件：http://docs.python.org/2/library/functions.html#abs
也可以在互動式命令列通過 help(abs) 檢視abs函式的幫助資訊。

呼叫 abs 函式：

>>> abs(100)
100
>>> abs(-20)
20
>>> abs(12.34)
12.34

呼叫函式的時候，如果傳入的引數數量不對，會報TypeError的錯誤，並且Python會明確地告訴你：abs()有且僅有1個引數，但給出了兩個：

>>> abs(1, 2)
Traceback (most recent call last):
  File "<stdin>", line 1, in <module>
TypeError: abs() takes exactly one argument (2 given)

如果傳入的引數數量是對的，但引數型別不能被函式所接受，也會報TypeError的錯誤，並且給出錯誤資訊：str是錯誤的引數型別：

>>> abs('a')
Traceback (most recent call last):
  File "<stdin>", line 1, in <module>
TypeError: bad operand type for abs(): 'str'

而比較函式 cmp(x, y) 就需要兩個引數，如果 x<y，返回 -1，如果 x==y，返回 0，如果 x>y，返回 1：

>>> cmp(1, 2)
-1
>>> cmp(2, 1)
1
>>> cmp(3, 3)
0

Python內建的常用函式還包括資料型別轉換函式，比如 int()函式可以把其他資料型別轉換為整數：

>>> int('123')
123
>>> int(12.34)
12

str()函式把其他型別轉換成 str：

>>> str(123)
'123'
>>> str(1.23)
'1.23'

Python之編寫函式

在Python中，定義一個函式要使用 def 語句，依次寫出函式名、括號、括號中的引數和冒號:，然後，在縮排塊中編寫函式體，函式的返回值用 return 語句返回。

我們以自定義一個求絕對值的 my_abs 函式為例：

def my_abs(x):
    if x >= 0:
        return x
    else:
        return -x

請注意，函式體內部的語句在執行時，一旦執行到return時，函式就執行完畢，並將結果返回。因此，函式內部通過條件判斷和迴圈可以實現非常複雜的邏輯。
如果沒有return語句，函式執行完畢後也會返回結果，只是結果為 None。
return None可以簡寫為return。

Python函式之返回多值

函式可以返回多個值嗎？答案是肯定的。

比如在遊戲中經常需要從一個點移動到另一個點，給出座標、位移和角度，就可以計算出新的座標：

math包提供了sin()和 cos()函式，我們先用import引用它：

import math
def move(x, y, step, angle):
    nx = x + step * math.cos(angle)
    ny = y - step * math.sin(angle)
    return nx, ny

這樣我們就可以同時獲得返回值：

>>> x, y = move(100, 100, 60, math.pi / 6)
>>> print x, y
151.961524227 70.0

但其實這只是一種假象，Python函式返回的仍然是單一值：

>>> r = move(100, 100, 60, math.pi / 6)
>>> print r
(151.96152422706632, 70.0)

用print列印返回結果，原來返回值是一個tuple！

但是，在語法上，返回一個tuple可以省略括號，而多個變數可以同時接收一個tuple，按位置賦給對應的值，所以，Python的函式返回多值其實就是返回一個tuple，但寫起來更方便。

Python之遞迴函式

在函式內部，可以呼叫其他函式。如果一個函式在內部呼叫自身本身，這個函式就是遞迴函式。

舉個例子，我們來計算階乘 n! = 1 * 2 * 3 * ... * n，用函式 fact(n)表示，可以看出：

fact(n) = n! = 1 * 2 * 3 * ... * (n-1) * n = (n-1)! * n = fact(n-1) * n

所以，fact(n)可以表示為 n * fact(n-1)，只有n=1時需要特殊處理。

於是，fact(n)用遞迴的方式寫出來就是：

def fact(n):
    if n==1:
        return 1
    return n * fact(n - 1)

上面就是一個遞迴函式。可以試試：

>>> fact(1)
1
>>> fact(5)
120
>>> fact(100)
93326215443944152681699238856266700490715968264381621468592963895217599993229915608941463976156518286253697920827223758251185210916864000000000000000000000000L

如果我們計算fact(5)，可以根據函式定義看到計算過程如下：

===> fact(5)
===> 5 * fact(4)
===> 5 * (4 * fact(3))
===> 5 * (4 * (3 * fact(2)))
===> 5 * (4 * (3 * (2 * fact(1))))
===> 5 * (4 * (3 * (2 * 1)))
===> 5 * (4 * (3 * 2))
===> 5 * (4 * 6)
===> 5 * 24
===> 120

遞迴函式的優點是定義簡單，邏輯清晰。理論上，所有的遞迴函式都可以寫成迴圈的方式，但迴圈的邏輯不如遞迴清晰。

使用遞迴函式需要注意防止棧溢位。在計算機中，函式呼叫是通過棧（stack）這種資料結構實現的，每當進入一個函式呼叫，棧就會加一層棧幀，每當函式返回，棧就會減一層棧幀。由於棧的大小不是無限的，所以，遞迴呼叫的次數過多，會導致棧溢位。可以試試計算 fact(10000)。
注：測試題可以再研究一下。

Python之定義預設引數

定義函式的時候，還可以有預設引數。

例如Python自帶的 int() 函式，其實就有兩個引數，我們既可以傳一個引數，又可以傳兩個引數：

>>> int('123')
123
>>> int('123', 8)
83

int()函式的第二個引數是轉換進位制，如果不傳，預設是十進位制 (base=10)，如果傳了，就用傳入的引數。

可見，函式的預設引數的作用是簡化呼叫，你只需要把必須的引數傳進去。但是在需要的時候，又可以傳入額外的引數來覆蓋預設引數值。

我們來定義一個計算 x 的N次方的函式:

def power(x, n):
    s = 1
    while n > 0:
        n = n - 1
        s = s * x
    return s

假設計算平方的次數最多，我們就可以把 n 的預設值設定為 2：

def power(x, n=2):
    s = 1
    while n > 0:
        n = n - 1
        s = s * x
    return s

這樣一來，計算平方就不需要傳入兩個引數了：

>>> power(5)
25

由於函式的引數按從左到右的順序匹配，所以預設引數只能定義在必需引數的後面：

# OK:
def fn1(a, b=1, c=2):
    pass
# Error:
def fn2(a=1, b):
    pass

Python之定義可變引數

如果想讓一個函式能接受任意個引數，我們就可以定義一個可變引數：

def fn(*args):
    print args

可變引數的名字前面有個 * 號，我們可以傳入0個、1個或多個引數給可變引數：

>>> fn()
()
>>> fn('a')
('a',)
>>> fn('a', 'b')
('a', 'b')
>>> fn('a', 'b', 'c')
('a', 'b', 'c')

可變引數也不是很神祕，Python直譯器會把傳入的一組引數組裝成一個tuple傳遞給可變引數，因此，在函式內部，直接把變數 args 看成一個 tuple 就好了。

定義可變引數的目的也是為了簡化呼叫。假設我們要計算任意個數的平均值，就可以定義一個可變引數：

def average(*args):
    ...

這樣，在呼叫的時候，可以這樣寫：

>>> average()
0
>>> average(1, 2)
1.5
>>> average(1, 2, 2, 3, 4)
2.4

結語

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