從零開始學Python：第八課-函式和模組

在講解本章節的內容之前，我們先來研究一道數學題，請說出下面的方程有多少組正整數解。

你可能已經想到了，這個問題其實等同於將8個蘋果分成四組且每組至少一個蘋果有多少種方案，因此該問題還可以進一步等價於在分隔8個蘋果的7個空隙之間插入三個隔板將蘋果分成四組有多少種方案，也就是從7個空隙選出3個空隙放入隔板的組合數，所以答案是

組合數的計算公式如下所示：

根據我們前面學習的知識，可以用迴圈做累乘來計算階乘，那麼透過下面的Python程式碼我們就可以計算出組合數

的值，程式碼如下所示：

"""


輸入M和N計算C(M,N)




Version: 0.1


Author: 駱昊


"""

m = int(input(
'm = '))

n = int(input(
'n = '))


# 計算m的階乘


fm = 1


for num in range(1, m + 1):


    fm *= num


# 計算n的階乘


fn = 1


for num in range(1, n + 1):


    fn *= num


# 計算m-n的階乘


fm_n = 1


for num in range(1, m - n + 1):


    fm_n *= num


# 計算C(M,N)的值


print(fm // fn // fm_n)

函式的作用

不知大家是否注意到，上面的程式碼中我們做了三次求階乘，雖然m、n、m - n的值各不相同，但是三段程式碼並沒有實質性的區別，屬於重複程式碼。世界級的程式設計大師Martin Fowler先生曾經說過：“ 程式碼有很多種壞味道，重複是最壞的一種！”。要寫出高質量的程式碼首先要解決的就是重複程式碼的問題。對於上面的程式碼來說，我們可以將計算階乘的功能封裝到一個稱為“函式”的程式碼塊中，在需要計算階乘的地方，我們只需要“呼叫函式”就可以了。

定義函式

在Python中可以使用def關鍵字來定義函式，和變數一樣每個函式也應該有一個漂亮的名字，命名規則跟變數的命名規則是一致的。在函式名後面的圓括號中可以放置傳遞給函式的引數，就是我們剛才說到的函式的自變數，而函式執行完成後我們會透過return關鍵字來返回函式的執行結果，就是我們剛才說的函式的因變數。一個函式要執行的程式碼塊（要做的事情）也是透過縮排的方式來表示的，跟之前分支和迴圈結構的程式碼塊是一樣的。大家不要忘了def那一行的最後面還有一個:，之前提醒過大家，那是在英文輸入法狀態下輸入的冒號。

我們可以透過函式對上面的程式碼進行重構。 所謂重構，是在不影響程式碼執行結果的前提下對程式碼的結構進行調整。重構之後的程式碼如下所示。

""
"


輸入M和N計算C(M,N)




Version: 0.1


Author: 駱昊


"
""





# 定義函式：def是定義函式的關鍵字、fac是函式名，num是引數（自變數）

def fac(num):

    
""
"求階乘"
""

    result = 
1

    
for n in 
range(
1, num + 
1):

        result *= n

    # 返回num的階乘（因變數）

    
return result





m = 
int(input(
'm = '))

n = 
int(input(
'n = '))

# 當需要計算階乘的時候不用再寫重複程式碼而是直接呼叫函式fac

# 呼叫函式的語法是在函式名後面跟上圓括號並傳入引數


print(fac(m) 
// fac(n) // fac(m - n))

函式的引數

引數的預設值

如果函式中沒有return語句，那麼函式預設返回代表空值的None。另外，在定義函式時，函式也可以沒有自變數，但是函式名後面的圓括號是必須有的。Python中還允許函式的引數擁有預設值，我們可以把上一課“CRAPSdubo遊戲”的搖篩子獲得點數的功能封裝成函式，程式碼如下所示。

"""


引數的預設值1




Version: 0.1


Author: 駱昊


"""


from random 
import randint






# 定義搖篩子的函式，n表示篩子的個數，預設值為2


def roll_dice(n=2):


    """搖篩子返回總的點數"""


    total = 0


    for _ in range(n):


        total += randint(1, 6)


    return total






# 如果沒有指定引數，那麼n使用預設值2，表示搖兩顆篩子


print(roll_dice())


# 傳入引數3，變數n被賦值為3，表示搖三顆篩子獲得點數


print(roll_dice(3))

我們再來看一個更為簡單的例子。

"""


引數的預設值2




Version: 0.1


Author: 駱昊


"""







def 
add
(a=
0, b=
0, c=
0):

    
"""三個數相加求和"""

    
return a + b + c






# 呼叫add函式，沒有傳入引數，那麼a、b、c都使用預設值0


print(add())         # 0


# 呼叫add函式，傳入一個引數，那麼該引數賦值給變數a, 變數b和c使用預設值0


print(add(1))        # 1


# 呼叫add函式，傳入兩個引數，1和2分別賦值給變數a和b，變數c使用預設值0


print(add(1, 2))     # 3


# 呼叫add函式，傳入三個引數，分別賦值給a、b、c三個變數


print(add(1, 2, 3))  # 6


# 傳遞引數時可以不按照設定的順序進行傳遞，但是要用“引數名=引數值”的形式


print(add(c=50, a=100, b=200))    # 350

注意：帶預設值的引數必須放在不帶預設值的引數之後，否則將產生SyntaxError錯誤，錯誤訊息是：non-default argument follows default argument，翻譯成中文的意思是“沒有預設值的引數放在了帶預設值的引數後面”。

可變引數

接下來，我們還可以實現一個對任意多個數求和的add函式，因為Python語言中的函式可以透過星號表示式語法來支援可變引數。所謂可變引數指的是在呼叫函式時，可以向函式傳入0個或任意多個引數。將來我們以團隊協作的方式開發商業專案時，很有可能要設計函式給其他人使用，但有的時候我們並不知道函式的呼叫者會向該函式傳入多少個引數，這個時候可變引數就可以派上用場。下面的程式碼演示了用可變引數實現對任意多個數求和的add函式。

"""


可變引數




Version: 0.1


Author: 駱昊


"""






# 用星號表示式來表示args可以接收0個或任意多個引數


def add(*args):


    total = 0


    # 可變引數可以放在for迴圈中取出每個引數的值


    for val in args:


        total += val


    return total






# 在呼叫add函式時可以傳入0個或任意多個引數


print(add())


print(add(1))


print(add(1, 2))


print(add(1, 2, 3))


print(add(1, 3, 5, 7, 9))

用模組管理函式

不管用什麼樣的程式語言來寫程式碼，給變數、函式起名字都是一個讓人頭疼的問題，因為我們會遇到 命名衝突這種尷尬的情況。最簡單的場景就是在同一個.py檔案中定義了兩個同名的函式，如下所示。

def 
foo
():

    print(
'hello, world!')







def 
foo
():

    print(
'goodbye, world!')





foo()    
# 大家猜猜呼叫foo函式會輸出什麼

當然上面的這種情況我們很容易就能避免，但是如果專案是團隊協作多人開發的時候，團隊中可能有多個程式設計師都定義了名為foo的函式，這種情況下怎麼解決命名衝突呢？答案其實很簡單，Python中每個檔案就代表了一個模組（module），我們在不同的模組中可以有同名的函式，在使用函式的時候我們透過import關鍵字匯入指定的模組再使用 完全限定名的呼叫方式就可以區分到底要使用的是哪個模組中的foo函式，程式碼如下所示。

module1.py

def 
foo
():

    print(
'hello, world!')

module2.py

def 
foo
():

    print(
'goodbye, world!')

test.py

import module1

import module2




# 用“模組名.函式名”的方式（完全限定名）呼叫函式，


module1.foo()    # hello, world!


module2.foo()    # goodbye, world!

在匯入模組時，還可以使用as關鍵字對模組進行別名，這樣我們可以使用更為簡短的完全限定名。

test.py

import module1 
as m1

import module2 
as m2



m1.foo()    
# hello, world!


m2.foo()    # goodbye, world!

上面的程式碼我們匯入了定義函式的模組，我們也可以使用from...import...語法從模組中直接匯入需要使用的函式，程式碼如下所示。

test.py

from module1 
import foo



foo()    # hello, world!




from module2 
import foo



foo()    # goodbye, world!

但是，如果我們如果從兩個不同的模組中匯入了同名的函式，後匯入的函式會覆蓋掉先前的匯入，就像下面的程式碼中，呼叫foo會輸出hello, world!，因為我們先匯入了module2的foo，後匯入了module1的foo 。如果兩個from...import...反過來寫，就是另外一番光景了。

test.py

from module2 
import foo

from module1 
import foo



foo()    
# hello, world!

如果想在上面的程式碼中同時使用來自兩個模組中的foo函式也是有辦法的，大家可能已經猜到了，還是用as關鍵字對匯入的函式進行別名，程式碼如下所示。

test.py

from module1 
import foo 
as f1

from module2 
import foo 
as f2



f1()    
# hello, world!


f2()    # goodbye, world!

標準庫中的模組和函式

Python標準庫中提供了大量的模組和函式來簡化我們的開發工作，我們之前用過的random模組就為我們提供了生成隨機數和進行隨機抽樣的函式；而time模組則提供了和時間操作相關的函式；上面求階乘的函式在Python標準庫中的math模組中已經有了，實際開發中並不需要我們自己編寫，而math模組中還包括了計算正弦、餘弦、指數、對數等一系列的數學函式。隨著我們進一步的學習Python程式設計知識，我們還會用到更多的模組和函式。

Python標準庫中還有一類函式是不需要import就能夠直接使用的，我們將其稱之為內建函式，這些內建函式都是很有用也是最常用的，下面的表格列出了一部分的內建函式。

簡單的總結

函式是功能相對獨立且會重複使用的程式碼的封裝。學會使用定義和使用函式，就能夠寫出更為優質的程式碼。當然，Python語言的標準庫中已經為我們提供了大量的模組和常用的函式，用好這些模組和函式就能夠用更少的程式碼做更多的事情。

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