Python：函数（一）

python函数相关的知识点

1. 函数定义与调用

定义 ：使用 def 关键字，后接函数名和参数列表。

def greet(name):
    """打印问候语（文档字符串）"""
    print(f"Hello, {name}!")

调用：

greet("Alice")  # 输出：Hello, Alice!

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2. 参数与返回值

• 位置参数：按顺序传递参数。
• 默认参数：为参数提供默认值。

def power(base, exponent=2):
    return base ​** exponent

print(power(3))      # 输出：9（使用默认exponent=2）
print(power(2, 4))   # 输出：16

• 返回值 ：使用 return 返回结果，无返回值时默认返回 None。

def add(a, b):
    return a + b

result = add(3, 5)  # result = 8

1. ​参数传递的基本机制

Python中所有参数的传递都是 ​对象引用的传递：

• ​不可变对象（如整数、字符串、元组）：函数内对形参的修改会创建新对象，不影响实参。

• 可变对象​（如列表、字典）：函数内对形参的修改会影响实参（因为它们指向同一对象）。解决：传副本

示例

def modify(a, b,c):
    a = 2       # 修改不可变对象（创建新对象）
    b.append(3) # 修改可变对象
    c.append(4)

x = 1          # 不可变
y = [1, 2]     # 可变
c=[1,2,3]
modify(x, y,c.copy())

print(x)       # 输出：1（未改变）
print(y)       # 输出：[1, 2, 3]（已改变）
print(c)       # 输出：[1, 2, 3]（不改变）

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2. ​参数传递的方式

Python支持多种参数传递方式，具体取决于函数定义和调用时的语法。

(1) ​位置参数（Positional Arguments）​

按参数定义顺序传递，最常见的方式。

def add(a, b):
    return a + b

print(add(3, 5))  # 输出：8

(2) ​关键字参数（Keyword Arguments）​

通过参数名指定值，顺序可以打乱。

print(add(b=5, a=3))  # 输出：8

(3) ​默认参数（Default Arguments）​

为参数提供默认值，调用时可省略。

def greet(name, msg="Hello"):
    print(f"{msg}, {name}!")

greet("Alice")          # 输出：Hello, Alice!
greet("Bob", "Hi")      # 输出：Hi, Bob!

(4) ​可变参数（*args 和 ​kwargs）​**

• *args：接收任意数量的位置参数（元组形式）(写最后）。

• **kwargs：接收任意数量的关键字参数（字典形式）（写最后）。

def print_all(*args, ​**kwargs):
    print("位置参数:", args)
    print("关键字参数:", kwargs)

print_all(1, 2, name="Alice", age=25)
# 输出：
# 位置参数: (1, 2)
# 关键字参数: {'name': 'Alice', 'age': 25}

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3. ​参数解包（Unpacking）​

在调用函数时，可以使用 * 和 ** 解包序列或字典作为参数。

示例

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

# 解包列表/元组（按位置传递）
args = [1, 2, 3]
func(*args)  # 输出：1 2 3

# 解包字典（按关键字传递）
kwargs = {"a": 1, "b": 2, "c": 3}
func(**kwargs)  # 输出：1 2 3

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4. ​注意事项

(1) ​默认参数的陷阱

默认参数的值在函数定义时计算一次，若默认值是可变对象，多次调用会共享该对象。

def append_to(item, lst=[]):
    lst.append(item)
    return lst

# 第一次调用
print(append_to(1))  # 输出：[1]
# 第二次调用
print(append_to(2))  # 输出：[1, 2]（而不是预期的[2]）

​原因分析

• Python 在函数定义时（即代码加载时）就创建了默认参数 lst=[]，并将其存储在函数对象的 __defaults__ 属性中。
• 所有未显式传递 lst 参数的调用，都会共享同一个列表对象。
• 每次调用 append_to 时，修改的是同一个列表，而不是创建新列表。

修正方法 ：使用不可变对象（如 None）占位。

def append_to(item, lst=None):
    if lst is None:
        lst = []  # 每次调用时创建新列表
    lst.append(item)
    return lst

# 第一次调用
print(append_to(1))  # 输出：[1]
# 第二次调用
print(append_to(2))  # 输出：[2]（符合预期）

​关键点

• 默认参数设为 None（不可变对象）。
• 在函数内部检查 lst is None，若为真则创建一个新的空列表。
• 每次调用都会生成新的列表对象，避免共享问题。

默认参数是字典、集合等可变对象时，同样需要警惕：

# 错误示例：默认值为空字典
def update_dict(key, value, d={}):
    d[key] = value
    return d

print(update_dict("a", 1))  # {'a': 1}
print(update_dict("b", 2))  # {'a': 1, 'b': 2}

# 正确写法
def update_dict(key, value, d=None):
    if d is None:
        d = {}
    d[key] = value
    return d

通过 __defaults__ 属性查看函数的默认参数值：

def func(a, lst=[]):
    pass

print(func.__defaults__)  # 输出：([],)

# 调用函数后，默认列表被修改
func(1)
print(func.__defaults__)  # 输出：([1],)

• 规则：默认参数的值在函数定义时被计算一次，并存储在函数对象中。
• 陷阱：若默认值是可变对象（列表、字典等），所有未显式传递该参数的调用会共享同一个对象。
• 解决 ：用 None 作为默认值，在函数内部初始化可变对象。

# 错误写法 ❌
def func(arg=[]):
    pass

# 正确写法 ✅
def func(arg=None):
    if arg is None:
        arg = []

(2) ​避免意外修改可变对象

若函数需要处理可变对象但不希望影响原始数据，应创建副本。

def process_list(lst):
    lst = lst.copy()  # 创建副本
    lst.append(100)
    return lst

original = [1, 2, 3]
modified = process_list(original)
print(original)  # [1, 2, 3]（未被修改）
print(modified)   # [1, 2, 3, 100]

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5. ​总结

参数类型	特点
位置参数	按顺序传递，简单直接
关键字参数	按参数名指定，提高可读性
默认参数	提供默认值，简化调用
可变参数（*args）	接收任意数量的位置参数
可变参数（**kwargs）	接收任意数量的关键字参数
参数解包	使用 * 和 ** 将序列或字典解包为参数

返回值

1. ​基本返回值

使用 return 语句返回结果。如果没有 return 或 return 后无值，函数默认返回 None。

def add(a, b):
    return a + b

result = add(3, 5)
print(result)  # 输出：8

# 无返回值的函数
def greet(name):
    print(f"Hello, {name}!")

result = greet("Alice")  # 输出：Hello, Alice!
print(result)            # 输出：None

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2. ​返回多个值

Python 允许通过 ​返回元组 实现多值返回，调用时可以直接解包。

def min_max(numbers):
    return min(numbers), max(numbers)

values = [4, 2, 9, 7]
min_val, max_val = min_max(values)#解包
print(f"最小值: {min_val}, 最大值: {max_val}")  # 输出：最小值: 2, 最大值: 9

本质

函数返回的多个值实际上是一个元组，解包是隐式操作：

result = min_max(values)
print(result)  # 输出：(2, 9)

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3. ​返回复杂对象

函数可以返回列表、字典、类实例等任意对象。

示例 1：返回字典

def create_person(name, age):
    return {"name": name, "age": age}

person = create_person("Bob", 30)
print(person)  # 输出：{'name': 'Bob', 'age': 30}

示例 2：返回函数（闭包）

def outer():
    def inner():
        print("内部函数被调用")
    return inner

func = outer()
func()  # 输出：内部函数被调用

4. ​返回生成器（yield）​

使用 yield 关键字定义生成器函数，返回一个生成器对象，支持迭代。

def count_up_to(max):
    count = 1
    while count <= max:
        yield count
        count += 1

generator = count_up_to(3)
for num in generator:
    print(num)  # 依次输出：1, 2, 3

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5. ​返回 None 的情况

以下情况函数返回 None：

1. 没有 return 语句。

2. return 语句没有指定返回值。

3. return 后仅写 None。

def func1():
    pass

def func2():
    return

def func3():
    return None

print(func1())  # None
print(func2())  # None
print(func3())  # None

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6. ​提前返回与多条件返回

函数中可以存在多个 return 语句，执行到第一个 return 时函数终止。

示例：根据条件返回不同结果

def check_number(num):
    if num < 0:
        return "负数"
    elif num == 0:
        return "零"
    else:
        return "正数"

print(check_number(-5))  # 输出：负数
print(check_number(0))   # 输出：零
print(check_number(10))  # 输出：正数

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7. ​注意事项

(1) ​返回值与可变对象

如果返回的是可变对象（如列表、字典），多次调用可能共享同一对象（需谨慎）。

def get_list():
    return []

list1 = get_list()
list2 = get_list()
list1.append(1)
print(list2)  # 输出：[]（安全，因为每次返回新列表）

# 但若函数内部缓存了可变对象：
def get_cached_list(lst=[]):
    return lst

list3 = get_cached_list()
list4 = get_cached_list()
list3.append(1)
print(list4)  # 输出：[1]（危险！共享同一列表）

(2) ​类型提示（Python 3+）​

可以为返回值添加类型注解，提高代码可读性。

def add(a: int, b: int) -> int:
    return a + b

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8. ​总结

返回类型	示例	说明
单个值	return 10	直接返回数据
多个值（元组解包）	return a, b	返回元组，调用时可解包
复杂对象	return {"data": [...]}	返回字典、列表、实例等
函数或闭包	return inner	返回内部函数，形成闭包
生成器	yield value	返回生成器，支持惰性计算
None	return 或 return None	默认返回值

合理使用返回值可以让函数更灵活，例如：

• 通过返回生成器处理大数据集（节省内存）。

• 返回函数实现装饰器或策略模式。

• 返回元组简化多值传递。

3. 作用域与 global

• 函数内部默认不能修改全局变量，需使用 global 声明。

x = 10

def modify_global():
    global x
    x = 20

modify_global()
print(x)  # 输出：20

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5. 嵌套函数、闭包与装饰器

• 嵌套函数：在函数内部定义另一个函数。
• 闭包：内部函数记住外部作用域的变量。

def outer(msg):
    def inner():
        print(msg)  # 闭包保留外部变量msg
    return inner

closure = outer("Hello")
closure()  # 输出：Hello

装饰器用于增强函数功能，不修改原函数代码。

def my_decorator(func):
    def wrapper():
        print("装饰器：函数执行前")
        func()
        print("装饰器：函数执行后")
    return wrapper

@my_decorator
def say_hello():
    print("Hello!")

say_hello()
# 输出：
# 装饰器：函数执行前
# Hello!
# 装饰器：函数执行后

在 Python 中，​闭包（Closure）​ 和 ​装饰器（Decorator）​ 是两个紧密关联且强大的概念，它们通过函数的高阶特性实现代码复用和动态扩展功能。

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一、闭包（Closure）

1. ​定义

闭包是 ​一个函数与其外部作用域变量的绑定关系。即使外部函数已执行完毕，内部函数仍能访问和修改外部函数的变量。

2. ​核心机制

• ​捕获变量：内部函数会"记住"外部函数的作用域（即闭包环境）。

• ​延迟绑定：闭包中的变量引用在函数调用时才解析，可能导致意外行为（需注意循环变量问题）。

3. ​示例

def outer(msg):
    def inner():
        print(msg)  # inner捕获了外部变量msg
    return inner

closure = outer("Hello")
closure()  # 输出：Hello（即使outer函数已执行完毕，msg仍被保留）

4. ​实际应用

• ​工厂函数：动态生成不同行为的函数。

def power_factory(exponent):
    def power(base):
        return base ​** exponent  # 捕获exponent
    return power

square = power_factory(2)
print(square(3))  # 9（3^2）

• ​延迟绑定问题与解决：

# 错误示例：所有闭包共享循环变量i的最终值
def create_buttons():
    buttons = []
    for i in range(3):
        def button():
            print(f"Button {i} clicked")
        buttons.append(button)
    return buttons

# 解决：通过默认参数或嵌套函数绑定当前值
def create_buttons_fixed():
    buttons = []
    for i in range(3):
        def wrapper(x):  # 捕获当前x的值
            def button():
                print(f"Button {x} clicked")
            return button
        buttons.append(wrapper(i))
    return buttons

1. ​状态保持计数器

def counter(start=0):
    count = start  # 闭包保存状态
    def increment():
        nonlocal count  # 声明为非局部变量
        count += 1
        return count
    return increment

c = counter(10)
print(c())  # 11
print(c())  # 12（闭包记住count的值）

2. ​动态配置函数

def configure_printer(prefix):
    def printer(message):
        print(f"[{prefix}] {message}")  # 闭包捕获prefix
    return printer

error_log = configure_printer("ERROR")
info_log = configure_printer("INFO")

error_log("File not found!")  # [ERROR] File not found!
info_log("Process started.")  # [INFO] Process started.

3. ​缓存机制

def cached(func):
    cache = {}  # 闭包保存缓存数据
    def wrapper(*args):
        if args not in cache:
            cache[args] = func(*args)
        return cache[args]
    return wrapper

@cached
def factorial(n):
    return 1 if n <= 1 else n * factorial(n-1)

print(factorial(5))  # 120（后续调用直接返回缓存结果）

二、装饰器（Decorator）

1. ​定义

装饰器是 ​一个修改其他函数行为的函数，通过接受目标函数作为参数，返回增强后的新函数，而无需修改原函数代码。

2. ​核心机制

• ​高阶函数：装饰器本身是一个返回函数的函数。

• ​语法糖 ：使用 @decorator 简化装饰器调用。

3. ​基本示例

def logger(func):
    def wrapper(*args, ​**kwargs):
        print(f"调用函数: {func.__name__}")
        return func(*args, ​**kwargs)
    return wrapper

@logger
def add(a, b):
    return a + b

print(add(3, 5))  
# 输出：
# 调用函数: add
# 8

4. ​带参数的装饰器

需三层嵌套函数：

def repeat(n):
    def decorator(func):
        def wrapper(*args, ​**kwargs):
            result = None
            for _ in range(n):
                result = func(*args, ​**kwargs)
            return result
        return wrapper
    return decorator

@repeat(3)
def greet(name):
    print(f"Hello, {name}!")

greet("Alice")
# 输出：
# Hello, Alice!
# Hello, Alice!
# Hello, Alice!

5. ​类装饰器

通过实现 __call__ 方法：

class Timer:
    def __init__(self, func):
        self.func = func

    def __call__(self, *args, ​**kwargs):
        import time
        start = time.time()
        result = self.func(*args, ​**kwargs)
        end = time.time()
        print(f"{self.func.__name__} 执行时间: {end - start:.2f}s")
        return result

@Timer
def slow_func():
    time.sleep(1)

slow_func()  # 输出：slow_func 执行时间: 1.00s

6. ​实际应用

• ​缓存（Memoization）​：

def memoize(func):
    cache = {}
    def wrapper(*args):
        if args not in cache:
            cache[args] = func(*args)
        return cache[args]
    return wrapper

@memoize
def fibonacci(n):
    return n if n <= 1 else fibonacci(n-1) + fibonacci(n-2)

• ​权限验证：

def login_required(func):
    def wrapper(user, *args, ​**kwargs):
        if user.is_authenticated:
            return func(user, *args, ​**kwargs)
        else:
            raise PermissionError("用户未登录")
    return wrapper

7. ​注意事项

• ​多个装饰器的顺序：装饰器从下往上应用，但执行顺序从上到下。

  @decorator1
  @decorator2
  def func(): pass
  # 等效于 func = decorator1(decorator2(func))

• ​保留原函数元信息 ：使用 functools.wraps 保留原函数名和文档。

  from functools import wraps
  def logger(func):
      @wraps(func)
      def wrapper(*args, ​**kwargs):
          print(f"调用函数: {func.__name__}")
          return func(*args, ​**kwargs)
      return wrapper

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三、闭包与装饰器的关系

• ​装饰器依赖闭包：装饰器通常通过闭包保存目标函数和装饰器参数。

• ​闭包是装饰器的基础：装饰器返回的增强函数本质上是一个闭包，捕获了原函数和装饰逻辑。

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四、总结

概念	特点	应用场景
闭包	内部函数捕获外部变量，保留状态	工厂函数、延迟计算、回调
装饰器	动态扩展函数功能，不修改原代码，支持多层装饰	日志、缓存、权限、性能测试

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7. Lambda 函数

匿名函数，适用于简单操作。

square = lambda x: x ​** 2
print(square(4))  # 输出：16

# 结合map使用
numbers = [1, 2, 3]
squared = list(map(lambda x: x**2, numbers))  # [1, 4, 9]

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8. 生成器函数

使用 yield 逐个返回值，节省内存。

def count_up_to(max):
    count = 1
    while count <= max:
        yield count
        count += 1

for num in count_up_to(3):
    print(num)  # 输出：1 2 3

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9. 递归函数

函数调用自身，需设置终止条件。

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

print(factorial(5))  # 输出：120

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10. 参数传递的注意事项

• 可变对象（如列表）作为参数时，函数内修改会影响原始对象。

def append_item(lst, item):
    lst.append(item)

my_list = [1, 2]
append_item(my_list, 3)
print(my_list)  # 输出：[1, 2, 3]

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11. 函数注解

提供类型提示（Python 3+）。

def greet(name: str, age: int) -> str:
    return f"{name} is {age} years old."