Python中的functools模块详解

大家好，我是海鸽。

函数被定义为一段代码，它接受参数，充当输入，执行涉及这些输入的一些处理，并根据处理返回一个值（输出）。当一个函数将另一个函数作为输入或返回另一个函数作为输出时，这些函数称为高阶函数。

map() 、reduce() 和 filter() 都是高阶函数。

函数式编程强调将函数作为头等对象。今天我们解读下 functools 库中用于创建和修改函数的几个高阶函数。

初识 functools 模块

functools模块是Python的标准库的一部分，它是为高阶函数而实现的，用于增强函数功能。

# -*- coding:utf-8 _*-
# __author__：lianhaifeng
# __time__：2024/2/23 22:42import functools
from loguru import loggerlogger.info(functools)
logger.info(functools.__doc__)
logger.info(dir(functools))

这些信息表明 functools 模块提供了一系列用于处理函数和可调用对象的工具。

以下是 functools 模块中包含的主要方法的详细说明：

  1. cached_property: 一个装饰器，用于将方法转换为只读属性，第一次访问时计算值并缓存。

  2. cmp_to_key: 用于在比较函数中将老式比较函数转换为关键字函数的工具。

  3. cache: 一个装饰器，提供了一个带有缓存的函数装饰器，用于缓存函数的结果以提高性能。

  4. lru_cache: 一个装饰器，提供了一个带有最近最少使用（LRU）缓存的函数装饰器，用于缓存函数的结果以提高性能。

  5. partial: 一个函数，用于部分应用一个函数的参数，并返回一个新的函数，使得可以在原函数的基础上预先设置一部分参数。

  6. partialmethod: 与 partial 类似，但专门用于部分应用类方法的参数。

  7. reduce: 一个函数，对序列中的元素进行累积运算，通常与二元函数结合使用。

  8. singledispatch: 一个装饰器，用于创建基于单个分派泛型函数的多分派泛型函数，根据不同的参数类型调用不同的函数实现。

  9. singledispatchmethod: 与 singledispatch 类似，但专门用于类方法。

  10. total_ordering: 一个类装饰器，可以根据一个类的一组方法（__eq__, __lt__, __le__, __gt__, __ge__, __ne__）自动生成所有比较运算。

  11. update_wrapper: 一个函数，用于更新一个函数对象的特性，例如 __doc__、__name__ 和 __module__，以便被包装函数更好地模拟原函数。

  12. wraps: 一个装饰器，用于将一个装饰器应用到一个函数上，并保留原函数的元数据。

这些工具可以帮助 Python 开发者在处理函数时提高效率和灵活性。

functools.cached_property

这个函数将类的方法转换为一个属性，该属性在第一次计算后会被缓存，并在实例的生命周期内作为常规属性使用。

它类似于 property()，但添加了缓存功能，对于高计算资源消耗的实例特性属性来说，这个函数非常有用，因为它们在其他情况下实际上是不可变的。

# -*- coding:utf-8 _*-
# __author__：lianhaifeng
# __time__：2024/2/23 22:42
from functools import cached_propertyfrom loguru import loggerdef fibonacci(n):if n <= 1:return nelse:return fibonacci(n - 1) + fibonacci(n - 2)class MyClass:@cached_propertydef expensive_calculation(self):# 这是一个昂贵的计算，我们只希望它执行一次并进行缓存logger.info('计算 expensive_calculation')return fibonacci(20)# 使用：
obj = MyClass()
logger.info(obj.expensive_calculation)  # 计算结果将被缓存
logger.info(obj.expensive_calculation)  # 计算结果将被缓存

输出结果：

functools.cached_property 在 Python 3.8 及更高版本中可用，允许您缓存类属性。评估属性后，将不会再次评估。

functools.cache

functools.cache用作装饰器，能够根据输入缓存函数的返回值。它在 Python 3.9 及更高版本中可用。

缓存大小是无限制的。

from functools import cache@cache
def fibonacci(n):if n < 2:return nelse:return fibonacci(n-1) + fibonacci(n-2)print(fibonacci(3))
print(fibonacci(10))

functools.lru_cache

functools.lru_cache 允许您将递归函数调用缓存在最近最少使用的缓存中。这可以通过多个递归调用（如斐波那契数列）优化函数。

@lru_cache(maxsize=10) 表示缓存中将只保留 10 个最近使用最少的条目。当新条目到达时，最早的缓存条目将被丢弃。

# -*- coding:utf-8 _*-
# __author__：lianhaifeng
# __time__：2024/2/23 22:42
from loguru import logger
from functools import lru_cache# 定义一个全局变量来记录函数被调用的次数
call_count = 0@lru_cache(maxsize=10)
def fibonacci(n):global call_count  # 使用全局变量call_count += 1  # 每次调用增加计数if n in [0, 1]:return nelse:return fibonacci(n - 1) + fibonacci(n - 2)logger.info(fibonacci(4))
logger.info(f"Total function called {call_count} times.")  # 记录函数被调用的总次数logger.info("第二次调用 fibonacci(1)，此时应该命中缓存")
logger.info(fibonacci(1))
logger.info(f"Total function called {call_count} times.")

输出结果为：

该装饰器会将不同的调用结果缓存在内存中，因此需要注意内存占用问题。

functools.cmp_to_key()

functools.cmp_to_key 是一个函数，用于将比较函数（cmp函数）转换为一个key函数。在Python 2中，比较函数被广泛用于排序和相关操作，但是在Python 3中，由于删除了cmp参数，比较函数的使用受到了限制。为了在Python 3中仍然能够使用比较函数进行排序，可以使用functools.cmp_to_key 来将比较函数转换为key函数，然后将其传递给排序函数。

比较函数是任何接受两个参数，对它们进行比较，并在结果为小于时返回一个负数，相等时返回零，大于时返回一个正数的可调用对象。

以下是一个示例，演示了如何使用 functools.cmp_to_key：

import functools# 定义一个比较函数（在Python 2中可以直接用作排序函数）
def custom_cmp(x, y):return (x > y) - (x < y)# 将比较函数转换为键函数
key_func = functools.cmp_to_key(custom_cmp)# 使用转换后的键函数进行排序
sorted_list = sorted([3, 1, 4, 1, 5, 9], key=key_func)print(sorted_list)  # Output: [1, 1, 3, 4, 5, 9]

在这个示例中，custom_cmp 是一个比较函数，它接受两个参数并返回-1、0或1以表示它们的大小关系。然后，使用functools.cmp_to_key将该比较函数转换为一个key函数key_func。最后，通过将key_func传递给sorted函数，可以使用该key函数对列表进行排序。

也就是说，排序时会先对每个元素调用 key 所指定的函数，然后再排序。cmp_to_key函数就是用来将老式的比较函数转化为key函数。用到key参数的函数还有sorted(), min(), max(), heapq.nlargest(), itertools.groupby()等。

functools.total_ordering

total_ordering 装饰器用于定义能够实现各种比较运算的算子类，适用于 numbers.Number 的子类和半数值型类。

functools.total_ordering 是一个装饰器，它允许您在定义类时只定义一小部分比较方法，然后它会自动为您补全其余的比较方法。这样，您可以轻松地定义一个完整的序列化类，而无需手动实现所有的比较方法。

这个装饰器要求类中至少定义了一个 __lt__、__le__、__gt__ 或 __ge__ 中的一个方法，并且还必须定义 __eq__ 方法。

以下是一个示例，演示了如何使用 functools.total_ordering 装饰器：

# -*- coding:utf-8 _*-
# __author__：lianhaifeng
# __time__：2024/2/23 22:42
from functools import total_orderingfrom loguru import logger@total_ordering
class Student:def __init__(self, name, grade):self.name = nameself.grade = gradedef __eq__(self, other):return self.grade == other.gradedef __lt__(self, other):return self.grade < other.grade# 使用示例
alice = Student("Alice", 85)
bob = Student("Bob", 75)logger.info(alice > bob)  # True，因为 Alice 的成绩更高
logger.info(alice == bob)  # False

在这个示例中，我们定义了一个 Student 类，并使用 total_ordering 装饰器装饰它。我们只定义了 __eq__ 和 __lt__ 方法，而没有定义其他比较方法。然后，total_ordering 装饰器自动为我们补全了 __le__、__gt__ 和 __ge__ 方法。这样，我们就可以使用所有的比较运算符来比较 Student 对象的成绩了。

如果没有定义 __eq__ 方法，那么无法确定两个对象是否相等，这会导致在使用 total_ordering 装饰器时产生意外行为。因此，为了确保类的行为符合预期，必须提供 __eq__ 方法，不等比较方法__ne__()默认基于__eq__()生成。

functools.partial

它的作用是固定这个函数中的一部分参数。

即一般用于：基于旧函数及其部分参数
生成的新函数

举个简单的例子。

# -*- coding:utf-8 _*-
# __author__：lianhaifeng
# __time__：2024/2/23 22:42
from functools import partialfrom loguru import loggerdef power(base, exponent):return base ** exponent# 创建一个新函数，将 exponent 参数预设为 2
square = partial(power, exponent=2)# 使用新函数
result = square(base=3)  # 相当于 power(3, 2)，返回 9
logger.info(result)# 继续创建一个新函数，将 base 参数预设为 2
square_two = partial(power, base=2)# 使用新函数
result_two = square_two(exponent=3)  # 相当于 power(2, 3)，返回 8
logger.info(result_two)

partial() 函数主要用于 “冻结” 函数的部分参数，返回一个参数更少、使用更简单的函数对象。

应用场景：函数在执行时，要带上所有必要的参数进行调用，但是有的参数可以在函数被调用之前提前获知，这种情况下，提前获知的函数参数可以提前用上，以便函数能用更少的参数进行调用。

示例：

urlunquote = functools.partial(urlunquote, encoding='latin1')

当调用 urlunquote(args, *kargs)，相当于 urlunquote(args, *kargs, encoding='latin1')

很实用的例子：

# -*- coding:utf-8 _*-
# __author__：lianhaifeng
# __time__：2024/2/23 22:42
# 导入必要的模块和函数
import json
import datetime
from functools import partial# 定义 json_serial_fallback 函数
from loguru import loggerdef json_serial_fallback(obj):"""JSON serializer for objects not serializable by default json code"""if isinstance(obj, (datetime.datetime, datetime.date)):return str(obj)if isinstance(obj, bytes):return obj.decode("utf-8")raise TypeError(f"{obj} is not JSON serializable")# 定义 json_dumps 函数
json_dumps = partial(json.dumps, default=json_serial_fallback)# 创建一个包含日期时间和字节串的字典
data = {"timestamp": datetime.datetime.now(),"binary_data": b"example binary data"
}# 将字典转换为 JSON 格式的字符串
json_string = json_dumps(data)
logger.info(json_string)  # {"timestamp": "2024-02-24 11:16:25.016089", "binary_data": "example binary data"}

functools.partialmethod

functools.partialmethod 是 Python 标准库中的一个函数，用于创建可部分应用的方法。它与 functools.partial 类似，不同之处在于它用于部分应用方法而不是函数。

部分应用是一种函数式编程的概念，允许你在调用函数时固定一部分参数，从而创建一个新的函数，这个新函数会在后续调用中使用这些固定的参数。functools.partialmethod 在面向对象编程中扮演着同样的角色，但是它是用于部分应用方法的。

以下是 functools.partialmethod 的一个简单示例：

import functoolsclass Greeter:def __init__(self, greeting):self.greeting = greetingdef greet(self, name, *args):return f"{self.greeting}, {name} {''.join(args)}"# 创建一个部分应用的方法greet_hello = functools.partialmethod(greet, 'Hello')# 创建一个 Greeter 实例
greeter = Greeter('Bonjour')# 正确调用部分应用的方法
print(greeter.greet_hello("Alice!"))  # 输出: Bonjour, HelloAlice!

在这个示例中，Greeter 类定义了一个 greet 方法，用于向给定的名字打招呼。然后使用 functools.partialmethod 创建了一个部分应用的方法 greet_hello，将 'Hello' 作为固定参数传递给 greet 方法，从而创建了一个新的方法。当调用 greeter.greet_hello('Alice') 时，实际上是调用了 greeter.greet('Hello', "Alice!")，因此会输出 Bonjour, Hello Alice!。

functools.reduce

函数的作用是将一个序列归纳为一个输出reduce(function, sequence, startValue)

from loguru import loggerfrom functools import reducealist = range(1, 50)
logger.info(reduce(lambda x, y: x + y, alist))  # 1225

注意functools.reduce方法初始值的重要性

设置初始值的方式对于 map()函数和
reduce()函数都非常重要。

初始值在使用 functools.reduce 函数时具有重要性，特别是在处理空序列时。让我们通过一个例子来说明其重要性：

假设我们有一个列表，我们想计算列表中所有元素的累积乘积。

from functools import reducenumbers = [1, 2, 3, 4, 5]# 计算累积乘积
result = reduce(lambda x, y: x * y, numbers)
print(result)

在这个例子中，我们没有提供初始值，reduce 函数将使用列表的第一个元素作为初始累积值。因此，计算过程如下：

  1. 初始化累积值为列表的第一个元素：accumulator = 1
  2. 对于列表中的每个元素，将其乘以累积值：accumulator = 1 * 2 = 2
  3. 继续对剩余元素进行累积乘积：accumulator = 2 * 3 = 6，accumulator = 6 * 4 = 24，accumulator = 24 * 5 = 120

因此，最终的结果为 120。

现在，让我们考虑一个情况，当我们有一个空列表时会发生什么。

from functools import reducenumbers = []# 计算累积乘积
result = reduce(lambda x, y: x * y, numbers)
print(result)

在这个例子中，由于列表为空，reduce 函数将无法确定初始累积值。如果没有提供初始值，将会导致 TypeError: reduce() of empty sequence with no initial value 错误。

为了避免这个错误，我们可以提供一个初始值，例如 1，以确保在处理空列表时也能够正常工作：

from functools import reducenumbers = []# 计算累积乘积，初始值为 1
result = reduce(lambda x, y: x * y, numbers, 1)
print(result)  # 输出：1

在这个例子中，我们提供了初始值 1，即使列表为空，reduce 函数也可以正确地返回初始值作为结果。这说明了在使用 reduce 函数时提供初始值的重要性，特别是在处理空序列时。

如果不设置初始值， reduce()函数使用序列的第一个值作为初始值，这个值就不会传递给卷积函数，导致计算错误。

下面通过 reduce()高阶函数定义一些内置的归约函数。

# -*- coding:utf-8 _*-
# __author__：lianhaifeng
# __time__：2024/2/23 22:42
from typing import Callable, Any, Unionfrom loguru import loggerfrom functools import reduce# 示例数据列表
data = [1, 2, 3, 4, 5]
data2 = []# 计算平方和
sum_of_squares: Callable[[Any], int] = lambda iterable: reduce(lambda x, y: x + y ** 2, iterable, 0)
logger.info(f"Sum of squares: {sum_of_squares(data)}")  # 输出: Sum of squares: 55
logger.info(f"Sum of squares: {sum_of_squares(data2)}")  # 输出: Sum of squares: 0# 计算总和
total_sum: Callable[[Any], int] = lambda iterable: reduce(lambda x, y: x + y, iterable, 0)
logger.info(f"Total sum: {total_sum(data)}")  # 输出: Total sum: 15
logger.info(f"Total sum: {total_sum(data2)}")  # 输出: Total sum: 0# 计数
count_elements: Callable[[Any], Union[int, Any]] = lambda iterable: reduce(lambda x, y: x + 1, iterable, 0)
logger.info(f"Count of elements: {count_elements(data)}")  # 输出: Count of elements: 5
logger.info(f"Count of elements: {count_elements(data2)}")  # 输出: Count of elements: 0# 找出最小值
minimum_value: Callable[[Any], Any] = lambda iterable: reduce(lambda x, y: x if x < y else y,iterable) if iterable else Nonelogger.info(f"Minimum value: {minimum_value(data)}")  # 输出: Minimum value: 1
logger.info(f"Minimum value: {minimum_value(data2)}")  # 输出: Minimum value: None# 找出最大值
maximum_value: Callable[[Any], Any] = lambda iterable: reduce(lambda x, y: x if x > y else y,iterable) if iterable else None
logger.info(f"Maximum value: {maximum_value(data)}")  # 输出: Maximum value: 5
logger.info(f"Maximum value: {maximum_value(data2)}")  # 输出: Maximum value: None

functools.update_wrapper

functools.update_wrapper 是一个函数，用于手动更新一个包装器函数的特性以匹配被包装函数的特性。它通常与自定义装饰器一起使用，以确保包装器函数与原始函数的行为和元数据一致。

下面是一个示例，演示了 functools.update_wrapper 的用法：

# -*- coding:utf-8 _*-
# __author__：lianhaifeng
# __time__：2024/2/23 22:42
import functoolsdef another_decorator(func):def wrapper(*args, **kwargs):print("Another thing is happening before the function is called.")result = func(*args, **kwargs)print("Another thing is happening after the function is called.")return result# 使用 update_wrapper 来更新 wrapper 函数的特性以匹配 func 函数的特性functools.update_wrapper(wrapper, func)return wrapper@another_decorator
def say_hello():"""一个简单的打招呼函数。"""print("你好！")say_hello()
print(say_hello.__name__)  # 输出：say_hello
print(say_hello.__doc__)  # 输出：一个简单的打招呼函数。say_hello()
print(say_hello.__name__)  # Output: say_hello
print(say_hello.__doc__)  # Output: 一个简单的打招呼函数。

在这个示例中，another_decorator 是一个装饰器，它没有使用 functools.wraps 装饰器来保留原始函数的元数据。相反，它使用了 functools.update_wrapper 函数来手动更新 wrapper 函数的属性以匹配 func 函数的属性，从而保留了原始函数的元数据。

wraps 函数是为了在装饰器中方便的拷贝被装饰函数的签名，而对 update_wrapper 做的一个包装

functools.wraps

functools.wraps 是 Python 的 functools 模块中的一个装饰器，用于创建行为良好的装饰器。装饰器是用来修改其他函数或方法行为的函数。当你将装饰器应用到一个函数或方法时，原始函数的元数据，比如名称、文档字符串和参数列表，可能会丢失或被修改。functools.wraps 帮助保留了这些元数据。

以下是 functools.wraps 的使用示例：

import functoolsdef my_decorator(func):@functools.wraps(func)def wrapper(*args, **kwargs):print("在调用函数之前做一些事情。")result = func(*args, **kwargs)print("在调用函数之后做一些事情。")return resultreturn wrapper@my_decorator
def say_hello():"""一个简单的打招呼函数。"""print("你好！")say_hello()
print(say_hello.__name__)  # 输出：say_hello
print(say_hello.__doc__)   # 输出：一个简单的打招呼函数。

在这个示例中，my_decorator 是一个装饰器，用来装饰函数 say_hello。如果没有使用 functools.wraps，访问 say_hello.__name__ 或 say_hello.__doc__ 将不会得到预期的结果，因为它们会反映 wrapper 函数的元数据，而不是 say_hello 的元数据。但是，通过使用 @functools.wraps(func)，原始函数 say_hello 的元数据被保留下来，使得装饰器的行为符合预期。

functools.singledispatch

singledispatch 装饰器用于函数重载，装饰器将函数转换为单调度泛型函数。

调度发生在第一个参数的类型上

from functools import singledispatch
from loguru import logger@singledispatch
def func(arg1, arg2):logger.info(f"default implementation of func - {arg1, arg2}")@func.register
def func_impl_1(arg1: str, arg2):logger.info(f"【func_impl_1】with first argument as string - {arg1, arg2}")@func.register
def func_impl_2(arg1: int, arg2):logger.info(f"【func_impl_2】with first argument as int - {arg1, arg2}")func(1.34, "hi")
func("test", "hello")
func(1, "hello")logger.info(func.registry)
logger.info(func.registry.keys())

我们看些执行结果：

functools.singleDispatchMethod

将方法转换为单个调度泛型函数。

使用 @singledispatchmethod 定义函数时，请注意，调度发生在第一个 non-self 或 non-cls 参数的类型上

from functools import singledispatchmethodclass Sum:@singledispatchmethoddef sum_method(self, arg1, arg2):print("Default implementation with arg1 = %s and arg2 = %s" % (arg1, arg2))@sum_method.registerdef sum_method_int(self, arg1: int, arg2: int):print("Sum with arg1 as integer. %s + %s = %s" % (arg1, arg2, arg1 + arg2))@sum_method.registerdef sum_method_float(self, arg1: float, arg2: float):print("Sum with arg1 as float. %s + %s = %s" % (arg1, arg2, arg1 + arg2))s = Sum()
s.sum_method(2, 3)
s.sum_method(2.1, 3.4)
s.sum_method("hi", 3.4)"""
输出：
Sum with arg1 as integer. 2 + 3 = 5
Sum with arg1 as float. 2.1 + 3.4 = 5.5
Default implementation with arg1 = hi and arg2 = 3.4
"""

重载类方法：

from functools import singledispatchmethodclass Educative:@singledispatchmethod@classmethoddef new_print(cls, arg):print("Default implementation. arg - %s" % (arg,))@new_print.register(int)@classmethoddef int_impl(cls, arg: int):print("Integer implementation. arg - %s" % (arg,))@new_print.register(bool)@classmethoddef bool_impl(cls, arg):print("Boolean implementation. arg - %s" % (arg,))Educative.new_print(4)
Educative.new_print(True)
Educative.new_print("hi")"""
Integer implementation. arg - 4
Boolean implementation. arg - True
Default implementation. arg - hi
"""

最后

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参考

更多functools知识请阅读官方文档！

https://docs.python.org/3/library/functools.html

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R-B Tree 简介特性B树特性m阶B树的性质&#xff08;这些性质是B树规定的&#xff09; B树的搜索B树的添加B树的删除——非叶子结点 简介 R-B Tree又称为Red-Black Tree&#xff0c;红黑树。是一种特殊的二叉查找树&#xff0c;红黑树的每个节点上都有存储为表示结点的颜色&…
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第四章：初阶试炼（三）---类和对象（下）

第四章：初阶试炼（三）---类和对象（下）

目录 前言&#x1f34f; 1. 再谈构造函数&#x1f34e; 1.1 构造函数体赋值 1.2 初始化列表 1.3 explicit关键字 2. Static成员&#x1f34a; 2.1 概念 2.2 特性 3. 友元&#x1f350; 3.1 友元函数 3.1.1 实现自定义类型流插入 3.1.2 实现多组流插入 3.1.3 实现自…
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HC595级联原理及实例 - STM32

HC595级联原理及实例 - STM32

74HC595的最重要的功能就是&#xff1a;串行输入&#xff0c;并行输出。其次&#xff0c;74HC595里面有2个8位寄存器&#xff1a;移位寄存器、存储寄存器。74HC595的数据来源只有一个口&#xff0c;一次只能输入一个位&#xff0c;那么连续输入8次&#xff0c;就可以积攒为一个…
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Guitar Pro8.2吉他乐谱软件功能测评评价

Guitar Pro8.2吉他乐谱软件功能测评评价

Guitar Pro 8.2吉他乐谱软件全面评价 Guitar Pro 8.2作为一款吉他乐谱软件&#xff0c;已经得到了广大吉他手和音乐制作人的认可。作为软件评价专家&#xff0c;我对这款软件进行了全面的体验和分析&#xff0c;以下是我在易用性、功能丰富性、用户界面设计、稳定性以及性价比…
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