关于我
一个有思想的程序猿，终身学习实践者，目前在一个创业团队任team lead，技术栈涉及Android、Python、Java和Go，这个也是我们团队的主要技术栈。
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谈谈装饰器(Decorator)的实现原理
熟悉Java编程的程序猿对装饰器模式一定不陌生，它是能够动态的给一个类添加新的行为的一种设计模式。相对于通过继承的方式使用装饰器会更加灵活。
在Python里面装饰器(Decorator)也是一个非常重要的概念。跟装饰器模式类似，它能够动态为一个函数、方法或者类添加新的行为，而不需要通过子类继承或直接修改函数的代码来获取新的行为能力，使用Decorator的方式会更加Pythonic。
要理解装饰器我们就要从函数说起。
0x00 函数
在Python中函数是作为一级对象存在的（一切都是对象），它拥有自己的属性，函数名可以赋值给一个变量，也可以作为另一个函数的参数进行传递。
1、定义函数
def fib(n):
"""打印小于 n 的 fibonacci 数列"""
a, b = 0, 1
while a < n:
print(a, end=' ')
a, b = b, a + b
print()
def call_fib(func):
"""函数名作为函数的参数进行传递"""
func(1000)
if __name__ == '__main__':
print(fib) # <function fib at 0x103e66378>
print(isinstance(fib, object)) # 函数是一级对象：True
print(fib.__name__) # 函数名称：fib
print(fib.__code__.co_varnames) # __code__属性是函数中的'代码对象'，co_varnames是函数中的本地变量，以元组的方式展现：('n', 'a', 'b')
print(fib.__doc__) # 函数中的注释
print(fib.__globals__) # 全局变量
f = fib # 函数赋值给一个变量f
f(1000) # 通过变量f对函数fib调用
call_fib(fib) # 函数名作为参数
2、嵌套函数
在定义函数时，在函数内部定义一个函数。
def outer_func():
# 在函数内部定义一个函数
def inner_func():
print('inner func')
inner_func()
print('outer func')
嵌套函数对我们理解装饰器非常重要，也是闭包实现的基础，这里先引出了本地变量和全局变量的概念，后文会详细说明闭包的概念。
3、全局变量(globals)和本地变量(locals)
根据作用域的不同，变量可以分成全局变量和本地变量，这其实是相对的概念。例如在下面的模块中gvar是一个全局变量，而在函数outer_func()定义的是本地变量。
gvar = 'global var' # 全局变量
def outer_func():
gvar = 'outer var' # outer_func 本地变量
# 在函数内部定义一个函数
def inner_func():
gvar = 'inner var' # inner_func 本地变量
print('inner: {}'.format(gvar))
inner_func()
print('outer: {}'.format(gvar))
outer_func()
print('gvar in global : {}'.format(gvar))
# 输出结果
# inner: inner var
# outer: outer var
# gvar in global : global var
在函数外定义了全局变量gvar，同时在outer_func()函数中也定义了gvar，而这个是本地变量。
从示例代码中可以看到，outer_func()并没有改变全局变量的值。
在函数中定义的变量都存储在本地符号表(local symbol table)里，同样inner_func()中的gvar也存在它自己的本地符号表中，而全局变量gvar是则存储在全局符号表(global symbol table)。
变量的查找路是：首先从本地符号表中查找，然后是外部函数（在嵌套函数中）的本地符号表中查找，再到全局符号表，最后是内置符号表
graph TD
A[本地符号表]-->B[外部函数的本地符号表]
B[函数外的本地符号表]-->C[全局符号表]
C[全局符号表]-->D[内置符号表]
如果把上面代码中的inner_func()中的gvar = 'inner var'注释掉，那么输出的结果将是
# inner: outer gvar # inner_func中引用的gvar变量是outer_func中定义的
# outer: outer gvar
# gvar in global : global var
变量查找逻辑可以简单理解为：就近查找。
如果在以上路径中都没有找到，Python解析器将抛出NameError: name 'gvar' is not defined。
若在函数中要使用全局变量，那么就需要用到global关键字。
对上文的代码修改如下
gvar = 'global var'
def outer_func():
global gvar # 声明gvar是全局变量
gvar = 'outer gvar'
# 在函数内部定义一个函数
def inner_func():
gvar = 'inner gvar' # 这个依然是本地变量
print('inner: {}'.format(gvar))
inner_func()
print('outer: {}'.format(gvar))
outer_func()
print('gvar in global : {}'.format(gvar))
# 输出结果
# inner: inner gvar
# outer: outer gvar
# gvar in global : outer gvar
除了global还有一个nonlocal的关键字，它的作用是在函数中使用外部函数的变量定义（注意：不能是全局变量）
gvar = 'global var' # 全局变量
def outer_func():
gvar = 'outer gvar' # 本地变量
# 在函数内部定义一个函数
def inner_func():
nonlocal gvar # nonlocal的含义是让gvar使用外部函数的变量，
# 如果外部函数没有定义该变量，那么运行时将抛出SyntaxError: no binding for nonlocal 'gvar' found
gvar = 'inner gvar' # 这个依然是本地变量
print('inner: {}'.format(gvar))
inner_func()
print('outer: {}'.format(gvar))
# 输出结果
# inner: inner gvar
# outer: inner gvar
# gvar in global : global var
在inner_func()中使用nonlocal关键字声明的gvar必须在外部函数（即outer_func()函数）定义，否则将抛出SyntaxError: no binding for nonlocal 'gvar' found
0x01 什么是闭包
首先结合前文的嵌套函数定义的例子，修改一下代码，返回内部函数的对象。
# 普通的嵌套函数
def outer_func():
# 在函数内部定义一个函数
def inner_func():
print('inner func')
inner_func()
print('outer func')
# 闭包
def closure_func():
local_var = 100
def inner_func():
print('inner func call : {}'.format(local_var))
return inner_func # 这里将形成一个闭包
f = closure_func()
print(f)
print(f.__closure__)
print(outer_func)
print(outer_func.__closure__)
# 输出结果
# <function closure_func.<locals>.inner_func at 0x104f8a8c8>
# (<cell at 0x104f6fa68: int object at 0x104d23910>,)
# <function outer_func at 0x1070ea268>
# None # 普通函数的__closure__属性为空
可以看出变量f就是闭包，它是一个函数对象，这个函数可以持有本地变量local_var，而这个本地变量可以脱离定义它的作用域而存在。
现在来维基百科关于闭包的定义
在计算机科学中，闭包（英语：Closure），又称词法闭包（Lexical Closure）或函数闭包（function closures），是引用了自由变量的函数。这个被引用的自由变量将和这个函数一同存在，即使已经离开了创造它的环境也不例外。--引用自维基百科
0x02 实现装饰器
有了前面的铺垫，理解装饰器就非常简单啦。
一个函数返回另外一个函数，通常会使用@wrapper的语法形式，而装饰器其实就是一种语法糖(syntactic sugar)。
我们还是看代码
# 定义一个logger函数，在函数执行前打印log信息
def logger(func):
def log_func(*args):
print('Running "{}" with arguments {}'.format(func.__name__, args))
return func(*args)
return log_func # 形成闭包
# 定义加法函数
def add(x, y):
return x + y
# 以下两种方式的使用是等价的，当然使用@logger更加Pythonic
@logger
def add(x, y):
return x + y
# add = logger(add)
print(add(1,4))
# 输出结果
# Running "add" with arguments (1, 4)
# 5
这样的通过自定义装饰器，我们就可以动态地给函数添加新的功能。
除了自定义的装饰器，还有常见的如classmethod()和staticmethod()内置的装饰器。
0x03 总结
本文重点说明函数和嵌套函数的定义，还说明了全局变量和本地变量的作用域，在Python中变量索引的路径是就近查找，同时引出闭包是一个持有自由变量的函数对象的概念，而通过闭包可以实现装饰器，在使用使用装饰器时，可以使用@wrapper形式的语法糖。