专栏地址：每周一个 Python 模块

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functools 是 Python 中很简单但也很重要的模块，主要是一些 Python 高阶函数相关的函数。 该模块的内容并不多，看 官方文档 也就知道了。

说到高阶函数，这是函数式编程范式中很重要的一个概念，简单地说， 就是一个可以接受函数作为参数或者以函数作为返回值的函数，因为 Python 中函数是一类对象， 因此很容易支持这样的函数式特性。

functools 模块中函数只有 ​​cmp_to_key​​、​​partial​​、​​reduce​​、​​total_ordering​​、​​update_wrapper​​、​​wraps​​、​​lru_cache​​ 这几个：

被发配边疆的 ​​reduce​​

这个 ​​functools.reduce​​ 就是 Python 2 内建库中的 ​​reduce​​，它之所以出现在这里就是因为 Guido 的独裁，他并不喜欢函数式编程中的“map-reduce”概念，因此打算将 ​​map​​ 和 ​​reduce​​ 两个函数移出内建函数库，最后在社区的强烈反对中将 ​​map​​ 函数保留在了内建库中， 但是 Python 3 内建的 ​​map​​ 函数返回的是一个迭代器对象，而 Python 2 中会 eagerly 生成一个 list，使用时要多加注意。

该函数的作用是将一个序列归纳为一个输出，其原型如下：

reduce(function, sequence, startValue)

使用示例：

>>> def foo(x, y):
...     return x + y
...
>>> l = range(1, 10)
>>> reduce(foo, l)
45
>>> reduce(foo, l, 10)
55

偏函数 ​​partial​​ 和 ​​partialmethod​​

用于创建一个偏函数，它用一些默认参数包装一个可调用对象，返回结果是可调用对象，并且可以像原始对象一样对待，这样可以简化函数调用。

一个简单的使用示例：

from functools import partial

def add(x, y):
    return x + y

add_y = partial(add, 3)  # add_y 是一个新的函数
add_y(4) # 7

一个很实用的例子：

def 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 ("%s is not JSON serializable" % obj)

json_dumps = partial(json.dumps, default=json_serial_fallback)

可以在 ​​json_serial_fallback​​ 函数中添加类型判断来指定如何 json 序列化一个 Python 对象

​partialmethod​ 是 Python 3.4 中新引入的装饰器，作用基本类似于 ​​partial​​， 不过仅作用于方法。举个例子就很容易明白：

class Cell(object):
    def __init__(self):
        self._alive = False
    @property
    def alive(self):
        return self._alive
    def set_state(self, state):
        self._alive = bool(state)
        
    set_alive = partialmethod(set_state, True)
    set_dead = partialmethod(set_state, False)

c = Cell()
c.alive         # False
c.set_alive()
c.alive         # True

在 Python 2 中使用 partialmethod 可以这样定义：

# Code from https://gist.github.com/carymrobbins/8940382
from functools import partial

class partialmethod(partial):
    def __get__(self, instance, owner):
        if instance is None:
            return self
        return partial(self.func, instance,
                       *(self.args or ()), **(self.keywords or {}))

装饰器相关

说到“接受函数为参数，以函数为返回值”，在 Python 中最常用的当属装饰器了。 functools 库中装饰器相关的函数是 ​​update_wrapper​​、​​wraps​​，还搭配 ​​WRAPPER_ASSIGNMENTS​​ 和 ​​WRAPPER_UPDATES​​ 两个常量使用，作用就是消除 Python 装饰器的一些负面作用。

​​wraps​​

例：

def decorator(func):
    def wrapper(*args, **kwargs):
        return func(*args, **kwargs)
    return wrapper

@decorator
def add(x, y):
    return x + y

add     # <function __main__.wrapper>

可以看到被装饰的函数的名称，也就是函数的 ​​__name__​​ 属性变成了 ​​wrapper​​， 这就是装饰器带来的副作用，实际上​​add​​ 函数整个变成了 ​​decorator(add)​​，而 ​​wraps​​ 装饰器能消除这些副作用：

def decorator(func):
    @wraps(func)
    def wrapper(*args, **kwargs):
        return func(*args, **kwargs)
    return wrapper

@decorator
def add(x, y):
    return x + y

add     # <function __main__.add>

更正的属性定义在 ​​WRAPPER_ASSIGNMENTS​​ 中：

>>> functools.WRAPPER_ASSIGNMENTS
('__module__', '__name__', '__doc__')
>>> functools.WRAPPER_UPDATES
('__dict__',)

​​update_wrapper​​

​​update_wrapper​​ 的作用与 ​​wraps​​ 类似，不过功能更加强大，换句话说，​​wraps​​ 其实是 ​​update_wrapper​​ 的特殊化，实际上 ​​wraps(wrapped)​​ 相当于 ​​partial(update_wrapper, wrapped=wrapped, **kwargs)​​。

因此，上面的代码可以用 ​​update_wrapper​​ 重写如下：

def decorator(func):
    def wrapper(*args, **kwargs):
        return func(*args, **kwargs)
    return update_wrapper(wrapper, func)

用于比较的 ​​cmp_to_key​​ 和 ​​total_ordering​​

​​cmp_to_key​​

在 ​​list.sort​​ 和 内建函数 ​​sorted​​ 中都有一个 key 参数，这个参数用来指定取元素的什么值进行比较，例如按字符串元素的长度进行比较：

>>> x = ['hello','abc','iplaypython.com']
>>> x.sort(key=len)
>>> x
['abc', 'hello', 'iplaypython.com']

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。同时，​​sorted​​ 和 ​​list.sort​​ 还提供了 cmp 参数来指定如何比较两个元素，但是在 Python 3 中该参数被去掉了。

​​cmp_to_key​​ 是 Python 2.7 中新增的函数，用于将比较函数转换为 key 函数， 这样就可以应用在接受 key 函数为参数的函数中。比如 ​​sorted()​​、​​min()​​、 ​​max()​​、 ​​heapq.nlargest()​​、 ​​itertools.groupby()​​ 等。

sorted(range(5), key=cmp_to_key(lambda x, y: y-x))      # [4, 3, 2, 1, 0]

​​total_ordering​​

​​total_ordering​​ 同样是 Python 2.7 中新增函数，用于简化比较函数的写法。如果你已经定义了​​__eq__​​ 方法，以及 ​​__lt__​​、​​__le__​​、​​__gt__​​ 或者 ​​__ge__()​​ 其中之一， 即可自动生成其它比较方法。官方示例：

@total_ordering
class Student:
    def __eq__(self, other):
        return ((self.lastname.lower(), self.firstname.lower()) ==
                (other.lastname.lower(), other.firstname.lower()))
    def __lt__(self, other):
        return ((self.lastname.lower(), self.firstname.lower()) <
                (other.lastname.lower(), other.firstname.lower()))

dir(Student)    # ['__doc__', '__eq__', '__ge__', '__gt__', '__le__', '__lt__', '__module__']

再看一个示例：

from functools import total_ordering

@total_ordering
class Student:
    def __init__(self, firstname, lastname):
        self.firstname = firstname
        self.lastname = lastname

    def __eq__(self, other):
        return ((self.lastname.lower(), self.firstname.lower()) ==
                (other.lastname.lower(), other.firstname.lower()))

    def __lt__(self, other):
        return ((self.lastname.lower(), self.firstname.lower()) <
                (other.lastname.lower(), other.firstname.lower()))

print dir(Student)

stu = Student("Huoty", "Kong")
stu2 = Student("Huoty", "Kong")
stu3 = Student("Qing", "Lu")

print stu == stu2
print stu > stu3

输出结果：

['__doc__', '__eq__', '__ge__', '__gt__', '__init__', '__le__', '__lt__', '__module__']
True
False

用于缓存的​​lru_cache​​

这个装饰器是在 Python3 中新加的，在 Python2 中如果想要使用可以安装第三方库 ​​functools32​​。该装饰器用于缓存函数的调用结果，对于需要多次调用的函数，而且每次调用参数都相同，则可以用该装饰器缓存调用结果，从而加快程序运行。示例：

from functools import lru_cache

@lru_cache(None)
def add(x, y):
    print("calculating: %s + %s" % (x, y))
    return x + y

print(add(1, 2))
print(add(1, 2))  # 直接返回缓存信息
print(add(2, 3))

输出结果：

calculating: 1 + 2
3
3
calculating: 2 + 3
5

由于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，避免占用过多内存，从而影响系统性能。

相关文档：

blog.windrunner.me/python/func…

kuanghy.github.io/2016/10/26/…

pymotw.com/3/