20分鐘搞定Python 函數基礎知識

一、函數基礎

簡單地說，一個函數就是一組Python語句的組合，它們可以在程序中運行一次或多次運行。Python中的函數在其他語言中也叫做過程或子例程，那麼這些被包裝起來的語句通過一個函數名稱來調用。

有了函數，我們可以在很大程度上減少複製及粘貼代碼的次數了（相信很多人在剛開始時都有這樣的體驗）。我們可以把相同的代碼可以提煉出來做成一個函數，在需要的地方只需要調用即可。那麼，這樣就提高了代碼的複用率了，整體代碼看起來比較簡練，沒有那麼臃腫了。

函數在Python中是最基本的程序結構，用來最大化地讓我們的代碼進行復用；與此同時，函數可以把一個錯綜複雜的系統分割爲可管理的多個部分，簡化編程、代碼複用。

接下來我們看看什麼是函數，及函數該如何定義。有兩種方式可以進行函數的定義，分別是def及lambda關鍵字。

1. 函數定義

先總結一下爲什麼要使用函數？

代碼複用最大化及最小化冗餘代碼；

過程分解（拆解）。把一個複雜的任務拆解爲多個小任務。

函數定義的語法爲：

def func_name(arg1, arg2, arg3, ..., argN):
    statement
    return value

根據上面定義，可以簡單地描述爲：Python中的函數是具有0個或多個參數，具有若干行語句並且具有返回值（返回值可有可無）的一個語句塊（注意縮進）。

那麼我們就定義一個比較簡單的函數，該函數沒有參數，進入ipython交互式環境：

In[1]: def hello():
  ...:    print('Leave me alone, the world')
  ...:

調用（執行）該函數：

In[2]: hello()
Leave me alone, the world

我們發現hello()函數並沒有return語句，在Python中，如果沒有顯式的執行return語句，那麼函數的返回值默認爲None。

我們說過，定義函數有兩種形式，另外一種形式是使用lambda來定義。使用lambda定義的函數是匿名函數，這個我們在後面的內容進行講解，這裏暫且不表。

二、函數參數

定義函數的時候，我們把參數的名字和位置確定下來，函數的接口定義就完成了。對於函數的調用者來說，只需要知道如何傳遞正確的參數，以及函數將返回什麼樣的值就夠了，函數內部的複雜的邏輯被封裝起來，調用者無需瞭解。

Python的函數定義非常簡單，但靈活度卻非常大。除了正常定義的必選參數外，還可以使用默認參數、可變參數和關鍵字參數，使得函數定義出來的接口，不但能處理複雜的參數，還可以簡化調用者的代碼。

1. 默認參數

默認參數使得API簡潔，但不失靈活性。當一個參數有默認值時，調用時如果不傳遞此參數時，會使用默認值。

def inc(init, step=1):
    return init + step
# 調用一下這個函數
>>> inc(3)
4
>>> inc(3, 2)
5

默認參數有一個坑，就是非默認參數要放到默認參數的前面（不然Python的解釋器會報語法錯誤）。允許有多個默認參數，但默認參數需要放在參數列表的最後面。

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

此函數有問題。（函數中的形參是全局變量？lst在append函數中叫lst，但在全局作用域中，我們不知道lst具體叫什麼名字。）

修改之後的函數爲：

def append(x, lst=None):
    if lst is None:
        lst = []
    lst.append(x)
    return lst

通常來說，當默認參數是可變的時候，需要特別注意作用域的問題，我們需要上述的技巧（不可變的數據類型是值傳遞，可變的數據類型是引用傳遞。）。目前可變的對象爲list，dict，set，bytearray。

默認參數很有用，但使用不當，也會掉坑裏。默認參數有個最大的坑，演示如下：

先定義一個函數，傳入一個list，添加一個END再返回

def add_end(L=[]):
    L.append('END')
    return L

當我們正常調用時，結果似乎不錯：

>>> add_end([1, 2, 3])
[1, 2, 3, 'END']
>>> add_end(['x', 'y', 'z'])
['x', 'y', 'z', 'END']

當我們使用默認參數調用時，一開始結果也是對的：

>>> add_end()
['END']

但是，再次調用add_end()時，結果就不對了：

>>> add_end()
['END', 'END']
>>> add_end()
['END', 'END', 'END']

原因解釋如下：

Python函數在定義的時候，默認參數L的值就被計算出來了，即[]，因爲默認參數L也是一個變量，它指向對象[]，每次調用該函數，如果改變了L的內容，則下次調用時，默認參數的內容就變了，不再是函數定義時的[]了。

所以，定義默認參數要牢記一點：默認參數必須指向不變對象！

要修改上面的例子，我們可以用None這個不變對象來實現：

def add_end(L=None):
    if L is None:
        L = []
    L.append('END')
    return L

爲什麼要設計str、None這樣的不變對象呢？因爲不變對象一旦創建，對象內部的數據就不能修改，這樣就減少了由於修改數據導致的錯誤。此外，由於對象不變，多任務環境下同時讀取對象不需要加鎖，同時讀一點問題都沒有。我們在編寫程序時，如果可以設計一個不變對象，那就儘量設計成不變對象。

2. 位置參數

我們先寫一個計算x^2的函數：

def power(x):
    return x * x
對於power(x)函數，參數x就是一個位置參數。當我們調用power函數時，必須傳入有且僅有的一個參數x：

>>> power(5)
25
>>> power(15)
225

現在，如果我們要計算x3怎麼辦呢？可以再定義一個power3函數，但是如果要計算x4、x5、xn，怎麼辦？我們不可能定義無限多個函數，我們可以把power(x)修改爲power(x, n)，用來計算x^n，說寫就寫：

def power(x, n):
    s = 1
    while n > 0:
        n = n - 1
        s = s * x
    return s

3. 關鍵字參數

可變參數允許我們傳入0個或任意個參數，這些可變參數在函數調用時自動組裝爲一個tuple。而關鍵字參數允許你傳入0個或任意個含參數名的參數，這些關鍵字參數在函數內部自動組裝爲一個dict。示例如下：

def person(name, age, **kwargs):
    print('name:', name, 'age:', age, 'other:', kwargs)

函數person除了必選參數name和age外，還接受關鍵字參數kwargs。在調用該函數時，可以只傳入必選參數：

>>> person('LavenLiu', 25)
name: LavenLiu age: 25 other: {}

也可以傳入任意個數的關鍵字參數：

>>> person('LavenLiu', 25)
name: LavenLiu age: 25 other: {}

>>> person('Taoqi', 25, city='Hebei')
name: Taoqi age: 25 other: {'city': 'Hebei'}

>>> person('James', 31, gender='M', job='NBA player')
name: James age: 31 other: {'gender': 'M', 'job': 'NBA player'}

關鍵字參數有什麼用？它可以擴展函數的功能。比如，在person函數裏，我們保證能接收到name和age這兩個參數，但是，如果調用者願意提供更多的參數，我們也能收到。試想你正在做一個用戶註冊的功能，除了用戶名和年齡是必填項外，其他都是可選項，利用關鍵字參數來定義這個函數就能滿足註冊的需求。

和可變參數類似，也可以先組裝出一個dict，然後，把該dict轉換爲關鍵字參數傳進去：

>>> kwargs = {'city': 'Hebei', 'job': 'Test'}

>>> person('Taoqi', 25, **kwargs)
name: Taoqi age: 25 other: {'city': 'Hebei', 'job': 'Test'}

4. 位置參數和關鍵字參數

位置參數和關鍵字參數是函數調用時的概念。

當默認參數和關鍵字參數結合起來用的時候，很有用。

關鍵字參數必須寫在位置參數之後，否則會拋出語法錯誤。

def minus(x, y):
    return x - y

minus(3, 5) # 位置參數，位置傳參
minus(5, 3) # 位置參數，位置傳參
minus(x=5, y=3) # 關鍵字參數，關鍵字傳參
minus(y=3, x=5) # 關鍵字參數，關鍵字傳參

位置參數和關鍵字參數可以共存，但是關鍵字參數必須寫到位置參數之後。

5. 可變位置參數

可變位置參數用*定義，在函數體內，可變位置參數是一個元組。

可變位置參數。

In[1]: def fn(*args):
   ...:     print(args)
   ...:     

In[2]: fn((1, 2, 3, 4))
((1, 2, 3, 4),)

In[3]: tup01 = (1, 2, 3, 4)

In[4]: fn(tup01)
((1, 2, 3, 4),)

In[5]: fn(*tup01)
(1, 2, 3, 4)

在python的函數中，還可以定義可變參數。可變參數就是傳入的參數個數是可變的。

In[6]: def cacl(*numbers):
   ...:     sum = 0
   ...:     for n in numbers:
   ...:         sum = sum + n * n
   ...:     return sum
   ...: 

In[7]: nums = [1, 2, 3]

In[8]: cacl(*nums) # 這裏如果不在nums前面加*，有問題嗎？
Out[8]: 14

6. 可變關鍵字參數

可變關鍵字參數使用**定義，在函數體內，可變關鍵字參數是一個字典。可變關鍵字參數的key都是字符串，並且符合標識符定義規範。

def fn(**kwargs):
    print(kwargs)

dict01 = {'name': 'Laven Liu', 'age': 29}
fn(**dict01)
# fn(dict01)
fn(name='Laven Liu', age=29)

{'name': 'Laven Liu', 'age': 29}
{'name': 'Laven Liu', 'age': 29}

可變位置參數只能以位置參數的形式調用

可變關鍵字參數只能以關鍵字參數的形式調用

可變位置參數必須在可變關鍵字參數之前

In[18]: def fn(*args, **kwargs):
    ...:     print(args)
    ...:     print(kwargs)
    ...:     

In[19]: fn(1, 2, 3, a=1, b=2)
(1, 2, 3)
{'a': 1, 'b': 2}

In[20]: def fn(*args, x, y):
    ...:     print(args)
    ...:     print(x, y)
    ...:     

In[21]: fn(1, 2, 3, 4)
---------------------------------------------------------------------------
TypeError                                 Traceback (most recent call last)
<ipython-input-21-0ab4fbc96a17> in <module>()
----> 1 fn(1, 2, 3, 4)

TypeError: fn() missing 2 required keyword-only arguments: 'x' and 'y'

In[22]: fn(1, 2, x=3, y=4)
(1, 2)
3 4

可變參數後置

可變參數不和默認參數一起出現

7. 參數組合

在Python中定義函數，可以用必選參數、默認參數、可變參數和關鍵字參數，這4種參數都可以一起使用，或者只用其中某些，但是請注意，參數定義的順序必須是： 必選參數、默認參數、可變參數和關鍵字參數

比如定義一個函數，包含上述4種參數：

>>> def func(a, b, c=0, *args, **kwargs):
...    print('a =', a, 'b =', b, 'c =', c, 'args = ', args, 'kwargs = ', kwargs)

在函數調用的時候，Python解釋器自動按照參數位置和參數名把對應的參數傳進去。

>>> func(1, 2)
a = 1 b = 2 c = 0 args =  () kwargs =  {}
>>> func(1, 2, c=3)
a = 1 b = 2 c = 3 args =  () kwargs =  {}
>>> func(1, 2, 3, 'a', 'b')
a = 1 b = 2 c = 3 args =  ('a', 'b') kwargs =  {}
>>> func(1, 2, 3, 'a', 'b', x=99)
a = 1 b = 2 c = 3 args =  ('a', 'b') kwargs =  {'x': 99}
>>>

最神奇的是通過一個tuple和dict，我們也可以調用該函數：

>>> args = (1, 2, 3, 4)
>>> kwargs = {'x': 99}
>>> func(*args, **kwargs)
a = 1 b = 2 c = 3 args =  (4,) kwargs =  {'x': 99}

所以，對於任意函數，都可以通過類似func(*args, **kwargs)的形式調用它，無論它的參數是如何定義的。

8. 參數解構

參數解構發生在函數調用時，可變參數發生函數定義的時候。參數解構分爲兩種形式，一種是位置參數解構，另一種是關鍵字參數解構。

參數結構的兩種形式：

位置參數解構，使用一個星號。解構的對象爲可迭代對象，解構的結果爲位置參數。

關鍵字參數解構，使用兩個星號。解構的對象爲字典，解構的結果爲關鍵字參數。

位置參數解構的一個例子：

In[23]: def fn(a, b, c):
    ...:     print(a, b, c)
    ...:     

In[24]: lst = [1, 2, 3]

In[25]: fn(lst[0], lst[1], lst[2])
1 2 3
# 也可以進行如下形式的調用
In[26]: fn(*lst)  # 這種做法就叫參數解構
1 2 3
# *號可以把線性結構解包成位置參數
lst = [1, 2, 3, 4]
fn(*lst) # -> fn(lst[0], lst[1], lst[2], lst[3])
TypeError: fn() takes 3 positional arguments but 4 were given
# 這裏就報錯了，本來這個函數只能接收3個位置參數，lst有四個元素，通過參數解構之後，就變成了4個參數，所以就報錯了。

接下來看字典解構的例子：

In[27]: d = {'a': 1, 'b': 2, 'c': 3}

In[28]: fn(**d)
1 2 3

可以把字典解構成關鍵字參數

參數解構發生在函數調用時。解構的時候，線性結構的解構是位置參數，字典解構是關鍵字參數。

傳參的順序：位置參數，線性結構解構；關鍵字參數，字典解構。儘量的少的同時使用兩種解構，除非你真的知道在做什麼。

In[29]: def fn(a, b, c, d):
    ...:     print(a, b, c, d)
    ...:     

In[30]: fn(0, *[2], c=1, **{'d': 3})
0 2 1 3
9. 參數槽(keyword-only參數)
Python3中引入的。

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

fn(a=1, b=2, c=3)

如果要強制傳入的參數爲關鍵字參數：

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

>>> fn(1, 2, 3)
Traceback (most recent call last):
  File "<pyshell#17>", line 1, in <module>
    fn(1, 2, 3)
TypeError: fn() takes 0 positional arguments but 3 were given

>>> fn(a=1, b=2, c=3)
1 2 3

之後的參數，必須以關鍵字參數的形式傳遞，稱之爲參數槽。

參數槽通常和默認參數搭配使用。

>>> def fn(a, b, *, x, y):
    print(a, b)
    print(x, y)
>>> fn(1, 2, 3, 4)
Traceback (most recent call last):
  File "<pyshell#23>", line 1, in <module>
    fn(1, 2, 3, 4)
TypeError: fn() takes 2 positional arguments but 4 were given
>>> fn(1, 2, x=3, y=4)
1 2
3 4
>>> fn(1, 2, **{'x': 3, 'y': 4})
1 2
3 4

def fn(a, b, *):
    print(a, b)

def fn(a, b, *):
...    print(a, b)
File "<stdin>", line 1
SyntaxError: named arguments must follow bare *

幾個例子：

def fn01(*, x=1, y=5):
    print(x)
    print(y)
>>> fn01()
1
5

def fn02(x=1, *, y):
    print(x)
    print(y)
>>> fn02(y=3)
1
3

參數槽之坑：

之後必須有參數

非命名參數有默認值時，命名參數可以沒有默認值

默認參數應該在每段參數的最後

使用參數槽時，不能使用可變位置參數，可變關鍵之參數必須放在命名參數之後

三、高級用法

1. 遞歸函數

在函數內部，可以調用其他函數。如果一個函數在內部調用自身本身，這個函數就是遞歸函數。

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

使用遞歸函數的優點是邏輯簡單清晰，缺點是過深的調用會導致棧溢出。

針對尾遞歸優化的語言可以通過尾遞歸防止棧溢出。尾遞歸事實上和循環是等價的，沒有循環語句的編程語言只能通過尾遞歸實現循環。

2. 匿名函數 lambda

python 使用 lambda 來創建匿名函數。

lambda只是一個表達式，函數體比def簡單很多。

lambda的主體是一個表達式，而不是一個代碼塊。僅僅能在lambda表達式中封裝有限的邏輯進去。

lambda函數擁有自己的名字空間，且不能訪問自有參數列表之外或全局名字空間裏的參數。

雖然lambda函數看起來只能寫一行，卻不等同於C或C++的內聯函數，後者的目的是調用小函數時不佔用棧內存從而增加運行效率。

fib = lambda n,x=0,y=1:x if not n else fib(n-1,y,x+y)
print(fib(20))

3. Python函數中的多態

一個操作的意義取決於被操作對象的類型：

def times(x,y):
  return x*y

>>>times(2,4)
>>>8

times('Python',4) # 傳遞了與上不同的數據類型 'PythonPythonPythonPython'

四、總結

Python的函數具有非常靈活的參數形態，既可以實現簡單的調用，又可以傳入非常複雜的參數。

默認參數一定要用不可變對象，如果是可變對象，運行會有邏輯錯誤！

要注意定義可變參數和關鍵字參數的語法：

args是可變參數，args接收的是一個tuple；

kwargs是關鍵字參數，kwargs接收的是一個dict。

以及調用函數時如何傳入可變參數和關鍵字參數的語法：

可變參數既可以直接傳入：func(1, 2, 3)，又可以先組裝list或tuple，再通過args傳入：func((1, 2, 3))；

關鍵字參數既可以直接傳入：func(a=1, b=2)，又可以先組裝dict，再通過kwargs傳入：func({'a': 1, 'b': 2})。

使用args和*kwargs是Python的習慣寫法，當然也可以用其他參數名，但最好使用習慣用法。