Python笔记(二):高级特性之高阶函数

0x00. 概述

在熟悉了Python基础知识后,我们已经可以做一些脚本开发,或者简单的程序。然而,当我们开发较为复杂的程序时,仅使用基础知识内容就会显得比较吃力。这时,了解Python中的一些高级特性会使我们的开发过程变得简单和快乐。

阅读本篇文章,笔者默认您已经掌握Python基础知识。如果您对Python还不了解,请参考Python笔记(一):基础知识

PS:本打算把几个高级特性都写到一篇文章里,但是后来想了想如果真这样的话文章就太长了,索性分开来讲,独自成文,也可以讲的更细一点。

0x01. 介绍

在数学和计算机科学中,高阶函数是至少满足下列一个条件的函数:

接受一个或多个函数作为输入

输出一个函数

——摘自百度百科

已经不记得数学中的高阶函数是个什么鬼了(请原谅我是个学渣~)。但是在Python中高阶函数几乎随处可见。最经典的莫过于map/reduce两个函数了,这两个函数后面讲,我们先看一个简单的例子:

def f(x):
    return x * x

def h(func, x):
    return func(x) * func(x)
    
print(h(f, 2)) # 打印结果是: 16 

这段代码中函数h就是一个高阶函数,因为它的第一个参数是一个函数(即接受一个函数作为输入,满足高阶函数的第一个条件)。

再来看一个:

def m(x):
    def n():
        return x * x
    return n
    
print(m(2)()) # 打印结果是: 4

是的,你没有看错!在函数m内部定义了一个子函数n,并且将该函数作为返回值返回。

当我们调用m(2)时,返回值是函数n,那么m(2)()就是对函数n的调用。
如果还不理解,可以将print(m(2)())拆成两行:

sub_func = m(2)
print(sub_func())

这里还涉及了一个知识点:

在Python中,对象和方法都是变量。

举例说明:

def say_hello(name):
    print('Hello, %s' % name)
 
sh = say_hello # 将函数变量赋值给sh变量
sh('lovexiaov') # 打印结果是: Hello, lovexiaov

say_hello = 3 # 给函数变量赋值
say_hello('lovexiaov') # TypeError: 'int' object is not callable

闭包

说到高阶函数,就不得不提闭包,先来看一下Python中闭包的定义:

如果在一个内部函数里,对在外部作用域(但不是在全局作用域)的变量进行引用,那么内部函数就被认为是闭包(closure)。

我们还是举个例子:

def closure():
    x = 5

    def sub():
        return x * x

    return sub

如上,在内部函数sub中包含了对函数closure中局部变量x的引用,这就是闭包。

匿名函数/lambda

在介绍高阶函数的用处之前,还需要了解另一个概念,没错,就是匿名函数。Python语言支持使用�lambda 表达式作为匿名函数。

国际惯例,代码奉上:

def use_lambda():
    return lambda x: x * x

print(use_lambda()(5)) # 打印结果是25

来看重点代码lambda x: x * x,这行代码就是一个完整的函数。使用lambda声明该行代码是一个lambda表达式,紧跟在后面的是函数的参数,多个参数用逗号,分割;然后使用冒号:分割开参数和函数体。该表达式拆解成普通的函数是这样的:

def func(x):
    return x * x

怎么样,使用lambda表达式是不是让代码看起来整洁了许多,有强迫症的同学们?

map函数

前面举了很多高阶函数的例子,那么使用高阶函数到底有什么好处呢?是为了让自己显得高大上?这个问题可以先留着,等看完下面的例子后自己找答案。

map函数是Python中的内置函数,官方文档定义(Python 3.5版本,不适合2.x版本)为:

map(function, iterable, ...)

Return an iterator that applies function to every item of iterable, yielding the results.

咳咳,是时候展示我粗大的英语了。大致的意思是“function函数会作用于可迭代对象的每一个元素,生成结果,并返回一个迭代器”。至于yield,我们可以暂时形象的理解为噎住,下面会进行讲解。

现在假设我们要对一个数组中的每个元素求平方,并生成一个新数组返回,看代码:

iter = map(lambda x: x * x, [1, 2, 3, 4])
for i in iter:
    print('i : %d' % i)

代码依然这么简洁,而且意思很明确,虽然我们可以自己写函数实现:

def get_square(l):
    L = []
    for i in l:
        L.append(i * i)
    return L

但是可读性就差很多了,在上一篇文章中我们就提到了Python的设计原则就是优雅,明确,简单,这里是不是一个很好的体现?

迭代器有一个特点,就是所有的迭代器对象都可以作为next()内置函数的参数调用,每调用一次,就按角标顺序返回一个值,还是用代码讲吧:

iter = map(lambda x: x * x, [1, 2, 3, 4])
print(next(iter)) # 打印值为:1
print(next(iter)) # 打印值为:4
print(next(iter)) # 打印值为:9
print(next(iter)) # 打印值为:16
print(next(iter)) # 抛出StopIteration 异常

怎么样,是不是有种被“噎住”的感觉啊,哈哈。

话说回来,我们的Python语言也是一个“明明可以靠脸吃饭,却偏要靠实力吃饭”的主,光优雅,明确,简单不够,还必须得实用。下面我们来个更高级的:

r = map(lambda x, y: x + y, [1, 2, 3, 4], [5, 6, 7, 8])
print(r) # 打印结果:[6, 8, 10, 12]

0x02. 总结

在Python内置函数和标准库中,有不少都是高阶函数,合理利用这些函数可以使我们更便捷的开发出功能强大的应用。同时,在我们的日常开发中,合理使用高阶函数会使我们的代码更易于维护和有更高的可读性。不要再犹豫了,开始体验把!

0x03. 参考资料

廖雪峰Python教程

高阶函数百科

闭包百科

lambda百科

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