【Python】9.函数用法和底层分析

目录

• 1 函数简介
• • 1.1 函数的基本概念
  • 1.2 Python函数的分类
• 2 函数的定义和调用
• • 2.1 核心要点
  • 2.2 形参和实参
  • 2.3 文档字符串(函数的注释)
  • 2.4 返回值
• 3 函数也是对象，内存底层分析
• 4 变量的作用域(全局变量和局部变量)
• 5 局部变量和全局变量效率测试
• 6 参数的传递
• • 6.1 传递可变对象的引用
  • 6.2 传递不可变对象的引用
  • 6.3 浅拷贝和深拷贝
  • 6.4 传递不可变对象包含的子对象是可变的情况
• 7 参数的几种类型
• • 7.1 位置参数
  • 7.2 默认值参数
  • 7.3 命名参数
  • 7.4 可变参数
  • 7.5 强制命名参数
• 8 lambda表达式和匿名函数
• 9 eval()函数
• 10 递归函数
• 11 嵌套函数(内部函数)
• • 11.1 nonlocal关键字
• 12 LEGB规则

在编写函数时，函数体中的代码写法和我们前面讲述的基本一致，只是对代码实现了封装，并增加了函数调用、传递参数、返回计算结果等内容。
为了让大家更容易理解，掌握的更深刻。我们也要深入内存底层进行分析。绝大多数语言内存底层都是高度相似的，这样大家掌握了这些内容也便于以后学习其他语言。

1 函数简介

1.1 函数的基本概念

1. 一个程序由一个个任务组成；函数就是代表一个任务或者一个功能。
2. 函数是代码复用的通用机制。
3. 函数也是对象，底层机制和变量类似

1.2 Python函数的分类

Python中函数分为如下几类：

1. 内置函数
   我们前面使用的str()、list()、len()等这些都是内置函数，我们可以拿来直接使用。
2. 标准库函数
   我们可以通过import语句导入库，然后使用其中定义的函数
3. 第三方库函数
   Python社区也提供了很多高质量的库。下载安装这些库后，也是通过import语句导入，然后可以使用这些第三方库的函数
4. 用户自定义函数
   用户自己定义的函数，显然也是开发中适应用户自身需求定义的函数。今天我们学习的就是如何自定义函数。

2 函数的定义和调用

2.1 核心要点

Python中，定义函数的语法如下：

def  函数名 ([参数列表]) :
'''文档字符串'''
函数体/若干语句

要点：

1. 我们使用def来定义函数，然后就是一个空格和函数名称；
   (1) Python执行def时，会创建一个函数对象，并绑定到函数名变量上。
2. 参数列表
   (1) 圆括号内是形式参数列表，有多个参数则使用逗号隔开
   (2) 形式参数不需要声明类型，也不需要指定函数返回值类型
   (3) 无参数，也必须保留空的圆括号
   (4) 实参列表必须与形参列表一一对应
3. return返回值
   (1) 如果函数体中包含return语句，则结束函数执行并返回值；
   (2) 如果函数体中不包含return语句，则返回None值。
4. 调用函数之前，必须要先定义函数，即先调用def创建函数对象
   (1) 内置函数对象会自动创建
   (2) 标准库和第三方库函数，通过import导入模块时，会执行模块中的def语句

我们通过实际定义函数来学习函数的定义方式。

2.2 形参和实参

形参和实参的要点，请参考上一节中的总结。在此不再赘述。

【操作】定义一个函数，实现两个数的比较，并返回较大的值。

def  printMax(a,b):
    '''实现两个数的比较，并返回较大的值'''
    if a>b:
        print(a,'较大值')
    else:
        print(b,'较大值')


printMax(10,20)
printMax(30,5)

执行结果：

20 较大值
30 较大值

上面的printMax函数中，在定义时写的printMax(a,b)。a和b称为“形式参数”，简称“形参”。也就是说，形式参数是在定义函数时使用的。 形式参数的命名只要符合“标识符”命名规则即可。
在调用函数时，传递的参数称为“实际参数”，简称“实参”。上面代码中，printMax(10,20)，10和20就是实际参数。

2.3 文档字符串(函数的注释)

程序的可读性最重要，一般建议在函数体开始的部分附上函数定义说明，这就是“文档字符串”，也有人成为“函数的注释”。我们通过三个单引号或者三个双引号来实现，中间可以加入多行文字进行说明。

【操作】测试文档字符串的使用

def print_star(n):
    '''根据传入的n，打印多个星号'''
    print("*"*n)


help(print_star)
help(print_star.__doc__)

我们调用help(函数名.doc)可以打印输出函数的文档字符串。执行结果如下：

Help on function print_star in module __main__:

print_star(n)
    根据传入的n，打印多个星号

No Python documentation found for '根据传入的n，打印多个星号'.

2.4 返回值

return返回值要点：

1. 如果函数体中包含return语句，则结束函数执行并返回值；
2. 如果函数体中不包含return语句，则返回None值。
3. 要返回多个返回值，使用列表、元组、字典、集合将多个值“存起来”即可。

【操作】定义一个打印n个星号的无返回值的函数

def print_star(n):
    print("*"*n)

print_star(5)

【操作】定义一个返回两个数平均值的函数

def my_avg(a,b):
    return (a+b)/2

#如下是函数的调用
c = my_avg(20,30)
print(c)

3 函数也是对象，内存底层分析

Python中，“一切都是对象”。实际上，执行def定义函数后，系统就创建了相应的函数对象。我们执行如下程序，然后进行解释：

def test01():
    print("sxtsxt")

test01()    # 函数后面加括号，代表调用这个函数

c=test01
c()

print(id(test01))
print(id(c))
print(type(c))

执行结果：

sxtsxt
sxtsxt
2296084655984
2296084655984
<class 'function'>

上面代码执行def时，系统中会创建函数对象，并通过test01这个变量进行引用：

我们执行“c=test01”后，显然将test01变量的值赋给了变量c，内存图变成了：

显然，我们可以看出变量c和test01都是指向了同一个函数对象。因此，执行c()和执行test01()的效果是完全一致的。 Python中，圆括号意味着调用函数。在没有圆括号的情况下，Python会把函数当做普通对象。

与此核心原理类似，我们也可以做如下操作：

zhengshu = int
zhengshu("234")

显然，我们将内置函数对象int()赋值给了变量zhengshu，这样zhengshu和int都是指向了同一个内置函数对象。当然，此处仅限于原理性讲解，实际开发中没必要这么做。

4 变量的作用域(全局变量和局部变量)

变量起作用的范围称为变量的作用域，不同作用域内同名变量之间互不影响。变量分为：全局变量、局部变量。

全局变量：

1. 在函数和类定义之外声明的变量。作用域为定义的模块，从定义位置开始直到模块结束。
2. 全局变量降低了函数的通用性和可读性。应尽量避免全局变量的使用。
3. 全局变量一般做常量使用。
4. 函数内要改变全局变量的值，使用global声明一下
5. 储存在栈中

局部变量：

5. 在函数体中（包含形式参数）声明的变量。
6. 局部变量的引用比全局变量快，优先考虑使用。
7. 如果局部变量和全局变量同名，则在函数内隐藏全局变量，只使用同名的局部变量
8. 储存在栈帧（stark frame）中，函数运行结束，栈帧销毁

【操作】全局变量的作用域测试

a = 100         #全局变量
def f1():
    global a    #如果要在函数内改变全局变量的值，增加global关键字声明
    print(a)    #打印全局变量a的值    
    a = 300      
    
f1()    
print(a)

执行结果：

100
300

【操作】全局变量和局部变量同名测试

a=100
def f1():
    a = 3      #同名的局部变量
    print(a)
    
f1()    
print(a)    #a仍然是100，没有变化

执行结果：

3
100

【操作】 输出局部变量和全局变量

a = 100

def f1(a,b,c):
    print(a,b,c)
    print(locals())            #打印输出的局部变量
    print("#"*20)
    print(globals())           #打印输出的全局变量

f1(2,3,4)

执行结果：

2 3 4
{'a': 2, 'b': 3, 'c': 4}
####################
{'__name__': '__main__', '__doc__': None, '__package__': None, '__loader__': <_frozen_importlib_external.SourceFileLoader object at 0x0000021EAA7B0910>, '__spec__': None, '__annotations__': {}, '__builtins__': <module 'builtins' (built-in)>, '__file__': 'C:/Users/dell/PycharmProjects/mystudypy400/func_04.py', '__cached__': None, 'a': 100, 'f1': <function f1 at 0x0000021EAA8F6F70>}

5 局部变量和全局变量效率测试

局部变量的查询和访问速度比全局变量快，优先考虑使用，尤其是在循环的时候。
在特别强调效率的地方或者循环次数较多的地方，可以通过将全局变量转为局部变量提高运行速度。
【操作】测试局部变量和全局变量效率

#测试局部变量、全局变量的效率

import math
import time

def test01():
    start = time.time()
    for i in range(10000000):
        math.sqrt(30)
    end = time.time()
    print("耗时{0}".format((end-start)))

def test02():
    b = math.sqrt
    start = time.time()
    for i in range(10000000):
        b(30)
    end = time.time()
    print("耗时{0}".format((end-start)))

test01()
test02()

运行结果：

耗时2.3589999675750732
耗时1.6410000324249268

6 参数的传递

函数的参数传递本质上就是：从实参到形参的赋值操作。 Python中“一切皆对象”，所有的赋值操作都是“引用的赋值”。所以，Python中参数的传递都是“引用传递”，不是“值传递”。具体操作时分为两类：

1. 对“可变对象”进行“写操作”，直接作用于原对象本身。
2. 对“不可变对象”进行“写操作”，会产生一个新的“对象空间”，并用新的值填充这块空间。（起到其他语言的“值传递”效果，但不是“值传递”）

可变对象有：
字典、列表、集合、自定义的对象等
不可变对象有：
数字、字符串、元组、function等

6.1 传递可变对象的引用

传递参数是可变对象（例如：列表、字典、自定义的其他可变对象等），实际传递的还是对象的引用。在函数体中不创建新的对象拷贝，而是可以直接修改所传递的对象。

【操作】参数传递：传递可变对象的引用

b = [10,20]
def f2(m):
    print("m:",id(m))       #b和m是同一个对象
    m.append(30)    #由于m是可变对象，不创建对象拷贝，直接修改这个对象

f2(b)
print("b:",id(b))
print(b)    # b被改变

执行结果：

m: 1618097404800
b: 1618097404800
[10, 20, 30]

6.2 传递不可变对象的引用

传递参数是不可变对象（例如：int、float、字符串、元组、布尔值），实际传递的还是对象的引用。在”赋值操作”时，由于不可变对象无法修改，系统会新创建一个对象。
【操作】参数传递：传递不可变对象的引用

a = 100
def f1(n):
    print("n:",id(n))        #传递进来的是a对象的地址
    n = n+200            #由于a是不可变对象，因此创建新的对象n，这里对n进行修改
    print("n:",id(n))    #n已经变成了新的对象
    print(n)
f1(a)
print("a:",id(a))
print(a)    # a不能被改变

执行结果：

n: 140714268680960
n: 1853089016240
300
a: 140714268680960
100

显然，通过id值我们可以看到n和a一开始是同一个对象。给n赋值后，n是新的对象。

6.3 浅拷贝和深拷贝

为了更深入的了解参数传递的底层原理，我们需要讲解一下“浅拷贝和深拷贝”。我们可以使用内置函数：copy(浅拷贝)、deepcopy(深拷贝)。

浅拷贝：不拷贝子对象的内容，只是拷贝子对象的引用。（克隆个体）
深拷贝：会连子对象的内存也全部拷贝一份，对子对象的修改不会影响源对象。（克隆家体）

源码：

#测试浅拷贝和深拷贝

import copy

def testCopy():
    '''测试浅拷贝'''
    a = [10, 20, [5, 6]]
    b = copy.copy(a)

    print("a", a)
    print("b", b)
    b.append(30)
    b[2].append(7)
    print("浅拷贝......")
    print("a", a)
    print("b", b)

def testDeepCopy():
    '''测试深拷贝'''
    a = [10, 20, [5, 6]]
    b = copy.deepcopy(a)

    print("a", a)
    print("b", b)
    b.append(30)
    b[2].append(7)
    print("深拷贝......")
    print("a", a)
    print("b", b)

testCopy()
print("*************")
testDeepCopy()

运行结果：

a [10, 20, [5, 6]]
b [10, 20, [5, 6]]
浅拷贝......
a [10, 20, [5, 6, 7]]
b [10, 20, [5, 6, 7], 30]
*************
a [10, 20, [5, 6]]
b [10, 20, [5, 6]]
深拷贝......
a [10, 20, [5, 6]]
b [10, 20, [5, 6, 7], 30]

内存图:
浅拷贝：

深拷贝：

6.4 传递不可变对象包含的子对象是可变的情况

# 传递不可变对象时，不可变对象里面包含的子对象是可变的，则方法内修改了这个可变对象，源对象也发生了变化

a = (10, 20, [5,6])    # 元组对象(指向地址)不可变，但是列表(指向地址)可变，可以改变其中的列表
print("a:",id(a))

def test01(m):
    print("m:", id(m))
    m[2][0]=888
    print(m)
    print("m", id(m))

test01(a)
print(a)

运行结果：

a: 2394584171584
m: 2394584171584
(10, 20, [888, 6])
m 2394584171584
(10, 20, [888, 6])

7 参数的几种类型

7.1 位置参数

函数调用时，实参默认按位置顺序传递，需要个数和形参匹配。按位置传递的参数，称为：“位置参数”。

【操作】测试位置参数

def f1(a,b,c):
    print(a,b,c)

f1(2,3,4)
f1(2,3)     #报错，位置参数不匹配

执行结果：

Traceback (most recent call last):
  File "C:/Users/dell/PycharmProjects/mystudypy400/func_09.py", line 5, in <module>
    f1(2,3)     #报错，位置参数不匹配
TypeError: f1() missing 1 required positional argument: 'c'
2 3 4

7.2 默认值参数

我们可以为某些参数设置默认值，这样这些参数在传递时就是可选的。称为“默认值参数”。默认值参数放到位置参数后面。

【操作】测试默认值参数

def f1(a,b,c=10,d=20):   #默认值参数必须位于普通位置参数后面，放前面无法识别
    print(a,b,c,d)

f1(8,9)
f1(8,9,19)
f1(8,9,19,29)

执行结果：

8 9 10 20
8 9 19 20
8 9 19 29

7.3 命名参数

我们也可以按照形参的名称传递参数，称为“命名参数”，也称“关键字参数”。

【操作】测试命名参数

def f1(a,b,c):
    print(a,b,c)

f1(8,9,19)          #位置参数
f1(c=10,a=20,b=30)  #命名参数

执行结果：

8 9 19
20 30 10

7.4 可变参数

可变参数指的是“可变数量的参数”。分两种情况：

1. *param（一个星号），将多个参数收集到一个“元组”对象中。
2. **param（两个星号），将多个参数收集到一个“字典”对象中。

【操作】测试可变参数处理（元组、字典两种方式）

def f1(a,b,*c):
    print(a,b,c)

f1(8,9,19,20)


def f2(a,b,**c):
    print(a,b,c)

f2(8,9,name='gaoqi',age=18)


def  f3(a,b,*c,**d):
    print(a,b,c,d)

f3(8,9,20,30,name='gaoqi',age=18)

执行结果：

8 9 (19, 20)
8 9 {'name': 'gaoqi', 'age': 18}
8 9 (20, 30) {'name': 'gaoqi', 'age': 18}

7.5 强制命名参数

在带星号的“可变参数”后面增加新的参数，必须在调用的时候“强制命名参数”。

【操作】强制命名参数的使用

def f1(*a,b,c):
    print(a,b,c)


#f1(2,3,4)   #会报错。由于a是可变参数，将2,3,4全部收集。造成b和c没有赋值。

f1(2,b=3,c=4) 

执行结果：(元组只有一个元素时，后面有逗号才是元组)

(2,) 3 4

8 lambda表达式和匿名函数

lambda表达式可以用来声明匿名函数。lambda函数是一种简单的、在同一行中定义函数的方法。lambda函数实际生成了一个函数对象。
lambda表达式只允许包含一个表达式，不能包含复杂语句，该表达式的计算结果就是函数的返回值。
lambda表达式的基本语法如下：

lambda  arg1,arg2,arg3...  :  <表达式>

arg1/arg2/arg3为函数的参数。<表达式>相当于函数体。运算结果是：表达式的运算结果。

【操作】lambda表达式使用

f = lambda a,b,c:a+b+c
print(f)
print(f(2,3,4))

g = [lambda a:a*2,lambda b:b*3,lambda c:c*4]
print(g[0](6),g[1](7),g[2](8))

执行结果：

<function <lambda> at 0x000001ECA97D6EE0>
9
12 21 32

9 eval()函数

功能：将字符串str当成有效的表达式来求值并返回计算结果。

语法：

eval(source[, globals[, locals]]) -> value

参数：
　　　　source：一个Python表达式或函数compile()返回的代码对象
　　　　globals：可选。必须是dictionary
　　　　locals：可选。任意映射对象

#测试eval()函数

s = "print('abcde')"

eval(s)

a = 10
b = 20
c = eval("a+b")
print(c)

dict1 = dict(a=100,b=200)

d=eval("a+b")
print(d)
e=eval("a+b",dict1)
print(e)

运行结果

abcde
30
30
300

eval函数会将字符串当做语句来执行，因此会被注入安全隐患。比如：字符串中含有删除文件的语句。那就麻烦大了。因此，使用时候，要慎重！！！

10 递归函数

递归函数指的是：自己调用自己的函数，在函数体内部直接或间接的自己调用自己。递归类似于大家中学数学学习过的“数学归纳法”。 每个递归函数必须包含两个部分：

1. 终止条件
   表示递归什么时候结束。一般用于返回值，不再调用自己。
2. 递归步骤
   把第n步的值和第n-1步相关联。
   【操作】 测试递归函数基本原理

def test01(n):
    print("test01:",n)
    if n == 0:
        print("over")
    else:
        test01(n-1)

    print("test01***", n)

def test02():
    print("test02")

test01(4)

运行结果（先进后出，后进先出）：

test01: 4
test01: 3
test01: 2
test01: 1
test01: 0
over
test01*** 0
test01*** 1
test01*** 2
test01*** 3
test01*** 4

内存图

递归函数由于会创建大量的函数对象、过量的消耗内存和运算能力。在处理大量数据时，谨慎使用。

【操作】 使用递归函数计算阶乘(factorial)

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

for i in range(1,6):
    print(i,'!=',factorial(i))

执行结果：

1 != 1
2 != 2
3 != 6
4 != 24
5！=120

11 嵌套函数(内部函数)

嵌套函数：
在函数内部定义的函数！

【操作】嵌套函数定义

def outer():
    print("outer running")

    def inner01():
        print("inner01 running")

    inner01()

outer()

执行结果：

outer running
inner01 running

上面程序中，inner01()就是定义在outer 函数内部的函数。inner01()的定义和调用都在outer ()函数内部。

一般在什么情况下使用嵌套函数？

1. 封装 – 数据隐藏
   外部无法访问“嵌套函数”。
2. 贯彻 DRY(Don’t Repeat Yourself) 原则
   嵌套函数，可以让我们在函数内部避免重复代码。
3. 闭包
   后面会详细讲解。

【操作】使用嵌套函数避免重复代码

def printChineseName(name,familyName):
    print("{0} {1}".format(familyName,name))

def printEnglishName(name,familyName):
    print("{0} {1}".format(name, familyName))

#使用1个函数代替上面的两个函数
def printName(isChinese,name,familyName):
    def inner_print(a, b):
        print("{0} {1}".format(a,b))

    if isChinese:
        inner_print(familyName, name)
    else:
        inner_print(name, familyName)

printName(True,"小七","高")
printName(False,"George","Bush")

运行结果

高 小七
George Bush

11.1 nonlocal关键字

```python
nonlocal	用来声明外层的局部变量。
global		用来声明全局变量。

【操作】使用nonlocal声明外层局部变量

```python
#测试nonlocal、global关键字的用法
a = 100

def outer():
    b = 10

    def inner():
        nonlocal  b         #声明外部函数的局部变量
        print("inner b:",b)
        b = 20

        global a            #声明全局变量
        a = 1000

    inner()
    print("outer b:",b)

outer()
print("a：",a)

12 LEGB规则

Python在查找“名称”时，是按照LEGB规则查找的：

Local-->Enclosed-->Global-->Built in 

Local 指的就是函数或者类的方法内部
Enclosed 指的是嵌套函数（一个函数包裹另一个函数，闭包）
Global 指的是模块中的全局变量
Built in 指的是Python为自己保留的特殊名称。

如果某个name映射在局部(local)命名空间中没有找到，接下来就会在闭包作用域(enclosed)进行搜索，如果闭包作用域也没有找到，Python就会到全局(global)命名空间中进行查找，最后会在内建(built-in)命名空间搜索 （如果一个名称在所有命名空间中都没有找到，就会产生一个NameError）。

#测试LEGB

print(type(str))
# str = "global str"
def outer():

    # str = "outer"

    def inner():
        # str = "inner"
        print(str)

    inner()

outer()

我们依次将几个str注释掉，观察控制台打印的内容，体会LEBG的搜索顺序。