從零開始學Python：20課-函式使用進階

在之前的課程中，我們講到過關於函式的知識，我們還講到過Python中常用的資料型別，這些型別的變數都可以作為函式的引數或返回值；透過前幾節課的學習，我們又知道了寫在類中的函式通常稱之為方法，它代表了類或者物件可以接收的訊息。如果我們把這些知識彙總一下，我們的函式就可以做更多的事情。

關鍵字引數

下面是一個判斷傳入的三條邊長能否構成三角形的函式，在呼叫函式傳入引數時，我們可以指定引數名，也可以不指定引數名，程式碼如下所示。

def can_form_triangle(a, b, 
c):

    
print(f'a = {a}, b = {b}, 
c = {
c}')

    
return a + b > 
c and b + 
c > a and a + 
c > b





# 呼叫函式傳入引數不指定引數名按位置對號入座


print(can_form_triangle(
1, 
2, 
3))

# 呼叫函式透過“引數名=引數值”的形式按順序傳入引數


print(can_form_triangle(a=
1, b=
2, 
c=
3))

# 呼叫函式透過“引數名=引數值”的形式不按順序傳入引數


print(can_form_triangle(
c=
3, a=
1, b=
2))

在沒有特殊處理的情況下，函式的引數都是 位置引數，也就意味著傳入引數的時候對號入座即可，如上面程式碼的第7行所示，傳入的引數值1、2、3會依次賦值給引數a、b、c。當然，也可以透過引數名=引數值的方式傳入函式所需的引數，因為指定了引數名，傳入引數的順序可以進行調整，如上面程式碼的第9行和第11行所示。

呼叫函式時，如果希望函式的呼叫者必須以引數名=引數值的方式傳參，可以用 命名關鍵字引數取代位置引數。所謂命名關鍵字引數，是在函式的引數列表中，寫在*之後的引數，程式碼如下所示。

def 
can_form_triangle
(*, a, b, c):

    print(
f'a = 
{a}, b = 
{b}, c = 
{c}')

    
return a + b > c 
and b + c > a 
and a + c > b






# TypeError: can_form_triangle() takes 0 positional arguments but 3 were given


# print(is_valid_for_triangle(3, 4, 5))


# 傳參時必須使用“引數名=引數值”的方式，位置不重要


print(can_form_triangle(a=3, b=4, c=5))


print(can_form_triangle(c=5, b=4, a=3))

注意：上面的can_form_triangle函式，引數列表中的*是一個分隔符，*前面的引數都是位置引數，而*後面的引數就是命名關鍵字引數。

我們之前講過在函式的引數列表中可以使用 可變引數*args來接收任意數量的引數，但是我們需要看看，*args是否能夠接收帶引數名的引數。

def 
calc
(*args):

    result = 
0

    
for arg 
in args:

        result += arg

    
return result





print(calc(a=
1, b=
2, c=
3))

執行上面的程式碼會引發TypeError錯誤，錯誤訊息為calc() got an unexpected keyword argument 'a'，由此可見，*args並不能處理帶引數名的引數。我們在設計函式時，如果既不知道呼叫者會傳入的引數個數，也不知道呼叫者會不會指定引數名，那麼同時使用可變引數和 關鍵字引數。關鍵字引數會將傳入的帶引數名的引數組裝成一個字典，引數名就是字典中鍵值對的鍵，而引數值就是字典中鍵值對的值，程式碼如下所示。

def calc(*args, **kwargs):

    result = 
0

    
for 
arg 
in args:

        result += 
arg

    
for value 
in kwargs.values():

        result += value

    
return total





print(calc())                  # 
0


print(calc(
1, 
2, 
3))           # 
6


print(calc(a=
1, b=
2, c=
3))     # 
6


print(calc(
1, 
2, c=
3, d=
4))    # 
10

提示： 不帶引數名的引數（位置引數）必須出現在帶引數名的引數（關鍵字引數）之前，否則將會引發異常。例如，執行calc(1, 2, c=3, d=4, 5)將會引發SyntaxError錯誤，錯誤訊息為positional argument follows keyword argument，翻譯成中文意思是“位置引數出現在關鍵字引數之後”。

高階函式的用法

在前面幾節課中，我們講到了物件導向程式設計，在物件導向的世界中，一切皆為物件，所以類和函式也是物件。函式的引數和返回值可以是任意型別的物件，這就意味著 函式本身也可以作為函式的引數或返回值，這就是所謂的 高階函式。

如果我們希望上面的calc函式不僅僅可以做多個引數求和，還可以做多個引數求乘積甚至更多的二元運算，我們就可以使用高階函式的方式來改寫上面的程式碼，將加法運算從函式中移除掉，具體的做法如下所示。

def 
calc(
*args, init_value, op, **kwargs):


    result = init_value

    
for arg 
in args:

        result = op(result, arg)

    
for 
value 
in kwargs.values():

        result = op(result, 
value)

    
return result

注意，上面的函式增加了兩個引數，其中init_value代表運算的初始值，op代表二元運算函式。經過改造的calc函式不僅僅可以實現多個引數的累加求和，也可以實現多個引數的累乘運算，程式碼如下所示。

def 
add
(x, y):

    
return x + y





def mul(x, y):

    
return x * y





print(calc(
1, 
2, 
3, x=
4, y=
5, init_value=
0, op=add))      
# 15


print(calc(1, 2, init_value=1, op=mul, x=3, y=4, z=5))    # 120

透過對高階函式的運用，calc函式不再和加法運算耦合，所以靈活性和通用性會變強，這是程式設計中一種常用的技巧，但是最初學者來說可能會稍微有點難以理解。需要注意的是，將函式作為引數和呼叫函式是有顯著的區別的， 呼叫函式需要在函式名後面跟上圓括號，而把函式作為引數時只需要函式名即可。上面的程式碼也可以不用定義add和mul函式，因為Python標準庫中的operator模組提供了代表加法運算的add和代表乘法運算的mul函式，我們直接使用即可，程式碼如下所示。

import 
operator




print(calc(init_value=0, 
op=operator.add, 
1
, 
2
, 
3
, 
x=4, 
y=5))      
# 15


print(calc(init_value=1, op=operator.mul, 1, 2, x=3, y=4, z=5))    # 120

Python內建函式中有不少高階函式，我們前面提到過的filter和map函式就是高階函式，前者可以實現對序列中元素的過濾，後者可以實現對序列中元素的對映，例如我們要去掉一個整數列表中的奇數，並對所有的偶數求平方得到一個新的列表，就可以直接使用這兩個函式來做到，具體的做法是如下所示。

def 
is_even
(num):

    
return num % 
2 == 
0






def square(num):

    
return num ** 
2





numbers1 = [
35, 
12, 
8, 
99, 
60, 
52]

numbers2 = list(map(square, filter(is_even, numbers1)))

print(numbers2)    
# [144, 64, 3600, 2704]

當然，要完成上面程式碼的功能，也可以使用列表生成式，列表生成式的做法更為簡單優雅。

numbers1 
= 
[35, 
12
, 
8
, 
99
, 
60
, 
52
]


numbers2 
= 
[num 
** 
2 
for 
num 
in 
numbers1 
if 
num 
% 
2 
== 
0
]


print(numbers2)    
# [144, 64, 3600, 2704]

Lambda函式

在使用高階函式的時候，如果作為引數或者返回值的函式本身非常簡單，一行程式碼就能夠完成，那麼我們可以使用 Lambda函式來表示。Python中的Lambda函式是沒有的名字函式，所以很多人也把它叫做 匿名函式，匿名函式只能有一行程式碼，程式碼中的表示式產生的運算結果就是這個匿名函式的返回值。上面程式碼中的is_even和square函式都只有一行程式碼，我們可以用Lambda函式來替換掉它們，程式碼如下所示。

numbers1 
= 
[35, 
12
, 
8
, 
99
, 
60
, 
52
]


numbers2 
= 
list(map(lambda 
x: 
x 
** 
2
, 
filter(lambda 
x: 
x 
% 
2 
== 
0
, 
numbers1)))


print(numbers2)    
# [144, 64, 3600, 2704]

透過上面的程式碼可以看出，定義Lambda函式的關鍵字是lambda，後面跟函式的引數，如果有多個引數用逗號進行分隔；冒號後面的部分就是函式的執行體，通常是一個表示式，表示式的運算結果就是Lambda函式的返回值，不需要寫return 關鍵字。

如果需要使用加減乘除這種簡單的二元函式，也可以用Lambda函式來書寫，例如呼叫上面的calc函式時，可以透過傳入Lambda函式來作為op引數的引數值。當然，op引數也可以有預設值，例如我們可以用一個代表加法運算的Lambda函式來作為op引數的預設值。

def 
calc(
*args, init_value=
0, op=lambda x, y: x + y, **kwargs):


    result = init_value

    
for arg 
in args:

        result = op(result, arg)

    
for 
value 
in kwargs.values():

        result = op(result, 
value)

    
return result






# 呼叫calc函式，使用init_value和op的預設值


print(calc(1, 2, 3, x=4, y=5))    # 15


# 呼叫calc函式，透過lambda函式給op引數賦值


print(calc(1, 2, 3, x=4, y=5, init_value=1, op=lambda x, y: x * y))    # 120

提示：注意上面的程式碼中的calc函式，它同時使用了可變引數、關鍵字引數、命名關鍵字引數，其中命名關鍵字引數要放在可變引數和關鍵字引數之間，傳參時先傳入可變引數，關鍵字引數和命名關鍵字引數的先後順序並不重要。

有很多函式在Python中用一行程式碼就能實現，我們可以用Lambda函式來定義這些函式，呼叫Lambda函式就跟呼叫普通函式一樣，程式碼如下所示。

import 
operator, 
functools




# 
一行程式碼定義求階乘的函式


fac 
= 
lambda num: 
functools.reduce(operator.mul, 
range(1, 
num 
+ 
1
), 
1
)


# 
一行程式碼定義判斷素數的函式


is_prime 
= 
lambda x: 
x 
> 
1 
and 
all(map(lambda 
f: 
x 
% 
f, 
range(2, 
int(x 
** 
0.5
) 
+ 
1
)))




# 
呼叫Lambda函式


print(fac(10))        
# 3628800


print(is_prime(9))    # False

提示1：上面使用的reduce函式是Python標準庫functools模組中的函式，它可以實現對資料的歸約操作，通常情況下， 過濾（filter）、 對映（map）和 歸約（reduce）是處理資料中非常關鍵的三個步驟，而Python的標準庫也提供了對這三個操作的支援。
提示2：上面使用的all函式是Python內建函式，如果傳入的序列中所有布林值都是True，all函式就返回True，否則all函式就返回False。

簡單的總結

Python中的函式可以使用可變引數*args和關鍵字引數**kwargs來接收任意數量的引數，而且傳入引數時可以帶上引數名也可以沒有引數名，可變引數會被處理成一個元組，而關鍵字引數會被處理成一個字典。Python中的函式也是物件，所以函式可以作為函式的引數和返回值，也就是說，在Python中我們可以使用高階函式。如果我們要定義的函式非常簡單，只有一行程式碼且不需要名字，可以將函式寫成Lambda函式（匿名函式）的形式。