Функции в Python

819

Введение

Определение

Вот пример простой функции:

def compute_surface(radius):
    from math import pi
    return pi * radius * radius

Для определения функции нужно всего лишь написать ключевое слово def перед ее именем, а после — поставить двоеточие. Следом идет блок инструкций.

Последняя строка в блоке инструкций может начинаться с return, если нужно вернуть какое-то значение. Если инструкции return нет, тогда по умолчанию функция будет возвращать объект None. Как в этом примере:

i = 0
def increment():
    global i
    i += 1

Функция инкрементирует глобальную переменную i и возвращает None (по умолчанию).

Вызовы

Для вызова функции, которая возвращает переменную, нужно ввести:

surface = compute_surface(1.)

Для вызова функции, которая ничего не возвращает:

increment()

Еще

Функцию можно записать в одну строку, если блок инструкций представляет собой простое выражение:

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

Функции могут быть вложенными:

def func1(a, b):

    def inner_func(x):
        return x*x*x

    return inner_func(a) + inner_func(b)

Функции — это объекты, поэтому их можно присваивать переменным.

Инструкция return

Возврат простого значения

Аргументы можно использовать для изменения ввода и таким образом получать вывод функции. Но куда удобнее использовать инструкцию return, примеры которой уже встречались ранее. Если ее не написать, функция вернет значение None.

Тест на знание python

Как нельзя назвать функцию?
Что выведет этот код?
Функции в Python
Какой будет результат выполнения этого кода?
Функции в Python
Верно ли данное утверждение: "В Python есть два типа данных: числа и строки"?
Какой будет результат выполнения кода — print(abc) ?

Возврат нескольких значений

Пока что функция возвращала только одно значение или не возвращала ничего (объект None). А как насчет нескольких значений? Этого можно добиться с помощью массива. Технически, это все еще один объект. Например:

def stats(data):
    """данные должны быть списком"""
    _sum = sum(data) # обратите внимание на подчеркивание, чтобы избежать переименования встроенной функции sum
    mean = sum / float(len(data)) # обратите внимание на использование функции float, чтобы избежать деления на целое число
    variance = sum([(x-mean(data))**2/len(data) for x in data])
    return mean,variance   # возвращаем x,y — кортеж!

m, v = stats([1, 2, 1])

Аргументы и параметры

В функции можно использовать неограниченное количество параметров, но число аргументов должно точно соответствовать параметрам. Эти параметры представляют собой позиционные аргументы. Также Python предоставляет возможность определять значения по умолчанию, которые можно задавать с помощью аргументов-ключевых слов.

Параметр — это имя в списке параметров в первой строке определения функции. Он получает свое значение при вызове. Аргумент — это реальное значение или ссылка на него, переданное функции при вызове. В этой функции:

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

x и y — это параметры, а в этой:

sum(1, 2)

1 и 2 — аргументы.

При определении функции параметры со значениями по умолчанию нужно указывать до позиционных аргументов:

def compute_surface(radius, pi=3.14159):
    return pi * radius * radius

Если использовать необязательный параметр, тогда все, что указаны справа, должны быть параметрами по умолчанию.

Выходит, что в следующем примере допущена ошибка:

def compute_surface(radius=1, pi):
    return pi * radius * radius

Для вызовов это работает похожим образом. Сначала нужно указывать все позиционные аргументы, а только потом необязательные:

S = compute_surface(10, pi=3.14)

На самом деле, следующий вызов корректен (можно конкретно указывать имя позиционного аргумента), но этот способ не пользуется популярностью:

S = compute_surface(radius=10, pi=3.14)

А этот вызов некорректен:

S = compute_surface(pi=3.14, 10)

При вызове функции с аргументами по умолчанию можно указать один или несколько, и порядок не будет иметь значения:

def compute_surface2(radius=1, pi=3.14159):
    return pi * radius * radius
S = compute_surface2(radius=1, pi=3.14)
S = compute_surface2(pi=3.14, radius=10.)
S = compute_surface2(radius=10.)

Можно не указывать ключевые слова, но тогда порядок имеет значение. Он должен соответствовать порядку параметров в определении:

S = compute_surface2(10., 3.14)
S = compute_surface2(10.)

Если ключевые слова не используются, тогда нужно указывать все аргументы:

def f(a=1,b=2, c=3):
    return a + b + c

Второй аргумент можно пропустить:

f(1,,3)

Чтобы обойти эту проблему, можно использовать словарь:

params = {'a':10, 'b':20}
S = f(**params)

Значение по умолчанию оценивается и сохраняется только один раз при определении функции (не при вызове). Следовательно, если значение по умолчанию — это изменяемый объект, например, список или словарь, он будет меняться каждый раз при вызове функции. Чтобы избежать такого поведения, инициализацию нужно проводить внутри функции или использовать неизменяемый объект:

def inplace(x, mutable=[]):
   mutable.append(x)
   return mutable
res = inplace(1)
res = inplace(2)
print(inplace(3))
[1, 2, 3]
def inplace(x, lst=None):
   if lst is None: lst=[]
   lst.append()
   return lst

Еще один пример изменяемого объекта, значение которого поменялось при вызове:

def change_list(seq):
    seq[0] = 100
original = [0, 1, 2]
change_list(lst1)
original
[100, 1, 2]

Дабы не допустить изменения оригинальной последовательности, нужно передать копию изменяемого объекта:

original = [0, 1, 2]
change_list(original[:])
original
[100, 1, 2]

Указание произвольного количества аргументов

Позиционные аргументы

Иногда количество позиционных аргументов может быть переменным. Примерами таких функций могут быть max() и min(). Синтаксис для определения таких функций следующий:

def func(pos_params, *args):
    block statememt

При вызове функции нужно вводить команду следующим образом:

func(pos_params, arg1, arg2, ...)

Python обрабатывает позиционные аргументы следующим образом: подставляет обычные позиционные аргументы слева направо, а затем помещает остальные позиционные аргументы в кортеж (*args), который можно использовать в функции.

Вот так:

def add_mean(x, *data):
    return x + sum(data)/float(len(data))

add_mean(10,0,1,2,-1,0,-1,1,2)
10.5

Если лишние аргументы не указаны, значением по умолчанию будет пустой кортеж.

Произвольное количество аргументов-ключевых слов

Как и в случае с позиционными аргументами можно определять произвольное количество аргументов-ключевых слов следующим образом (в сочетании с произвольным числом необязательных аргументов из прошлого раздела):

def func(pos_params, *args, **kwargs):
    block statememt

При вызове функции нужно писать так:

func(pos_params, kw1=arg1, kw2=arg2, ...)

Python обрабатывает аргументы-ключевые слова следующим образом: подставляет обычные позиционные аргументы слева направо, а затем помещает другие позиционные аргументы в кортеж (*args), который можно использовать в функции (см. предыдущий раздел). В конце концов, он добавляет все лишние аргументы в словарь (**kwargs), который сможет использовать функция.

Есть функция:

def print_mean_sequences(**kwargs):
    def mean(data):
        return sum(data)/float(len(data))
    for k, v in kwargs.items():
        print k, mean(v)

print_mean_sequences(x=[1,2,3], y=[3,3,0])
y 2.0
x 2.0

Важно, что пользователь также может использовать словарь, но перед ним нужно ставить две звездочки (**):

print_mean_sequences(**{'x':[1,2,3], 'y':[3,3,0]})
y 2.0
x 2.0

Порядок вывода также не определен, потому что словарь не отсортирован.

Документирование функции

Определим функцию:

def sum(s,y): return x + y

Если изучить ее, обнаружатся два скрытых метода (которые начинаются с двух знаков нижнего подчеркивания), среди которых есть __doc__. Он нужен для настройки документации функции. Документация в Python называется docstring и может быть объединена с функцией следующим образом:

def sum(x, y):
    """Первая срока - заголовок

    Затем следует необязательная пустая строка и текст 
    документации.
    """
    return x+y

Команда docstring должна быть первой инструкцией после объявления функции. Ее потом можно будет извлекать или дополнять:

print(sum.__doc__)
sum.__doc__ += "some additional text"

Методы, функции и атрибуты, связанные с объектами функции

Если поискать доступные для функции атрибуты, то в списке окажутся следующие методы (в Python все является объектом — даже функция):

sum.func_closure   sum.func_defaults  sum.func_doc       sum.func_name
sum.func_code      sum.func_dict      sum.func_globals

И несколько скрытых методов, функций и атрибутов. Например, можно получить имя функции или модуля, в котором она определена:

>>> sum.__name__
"sum"
>>> sum.__module
"__main__"

Есть и другие. Вот те, которые не обсуждались:

sum.__call__          sum.__delattr__       sum.__getattribute__     sum.__setattr__
sum.__class__         sum.__dict__          sum.__globals__       sum.__new__           sum.__sizeof__
sum.__closure__       sum.__hash__          sum.__reduce__        sum.__str__
sum.__code__          sum.__format__        sum.__init__          sum.__reduce_ex__     sum.__subclasshook__
sum.__defaults__      sum.__get__           sum.__repr__

Рекурсивные функции

Рекурсия — это не особенность Python. Это общепринятая и часто используемая техника в Computer Science, когда функция вызывает сама себя. Самый известный пример — вычисление факториала n! = n * n — 1 * n -2 * … 2 *1. Зная, что 0! = 1, факториал можно записать следующим образом:

def factorial(n):
    if n != 0:
        return n * factorial(n-1)
    else:
        return 1

Другой распространенный пример — определение последовательности Фибоначчи:

f(0) = 1
f(1) = 1
f(n) = f(n-1) + f(n-2)

Рекурсивную функцию можно записать так:

def fibbonacci(n):
    if n >= 2:
        else:
    return 1

Важно, чтобы в ней было была конечная инструкция, иначе она никогда не закончится. Реализация вычисления факториала выше, например, не является надежной. Если указать отрицательное значение, функция будет вызывать себя бесконечно. Нужно написать так:

def factorial(n):
    assert n > 0
    if n != 0:
        return n * factorial(n-1)
    else:
        return 1

Важно!
Рекурсия позволяет писать простые и элегантные функции, но это не гарантирует эффективность и высокую скорость исполнения.

Если рекурсия содержит баги (например, длится бесконечно), функции может не хватить памяти. Задать максимальное значение рекурсий можно с помощью модуля sys.

Глобальная переменная

Вот уже знакомый пример с глобальной переменной:

i = 0
def increment():
    global i
    i += 1

Здесь функция увеличивает на 1 значение глобальной переменной i. Это способ изменять глобальную переменную, определенную вне функции. Без него функция не будет знать, что такое переменная i. Ключевое слово global можно вводить в любом месте, но переменную разрешается использовать только после ее объявления.

За редкими исключениями глобальные переменные лучше вообще не использовать.

Присвоение функции переменной

С существующей функцией func синтаксис максимально простой:

variable = func

Переменным также можно присваивать встроенные функции. Таким образом позже есть возможность вызывать функцию другим именем. Такой подход называется непрямым вызовом функции.

Менять название переменной также разрешается:

def func(x): return x
a1 = func
a1(10)
10
a2 = a1
a2()
10

В этом примере a1, a2 и func имеют один и тот же id. Они ссылаются на один объект.

Практический пример — рефакторинг существующего кода. Например, есть функция sq, которая вычисляет квадрат значения:

def sq(x): return x*x

Позже ее можно переименовать, используя более осмысленное имя. Первый вариант — просто сменить имя. Проблема в том, что если в другом месте кода используется sq, то этот участок не будет работать. Лучше просто добавить следующее выражение:

square = sq

Последний пример. Предположим, встроенная функция была переназначена:

dir = 3

Теперь к ней нельзя получить доступ, а это может стать проблемой. Чтобы вернуть ее обратно, нужно просто удалить переменную:

del dir
dir()

Анонимная функция: лямбда

Лямбда-функция — это короткая однострочная функция, которой даже не нужно имя давать. Такие выражения содержат лишь одну инструкцию, поэтому, например, if, for и while использовать нельзя. Их также можно присваивать переменным:

product = lambda x,y: x*y

В отличие от функций, здесь не используется ключевое слово return. Результат работы и так возвращается.

С помощью type() можно проверить тип:

>>> type(product)
function

На практике эти функции редко используются. Это всего лишь элегантный способ записи, когда она содержит одну инструкцию.

power = lambda x=1, y=2: x**y
square = power
square(5.)
25
power = lambda x,y,pow=2: x**pow + y
[power(x,2, 3) for x in [0,1,2]]
[2, 3, 10]

Изменяемые аргументы по умолчанию

>>> def foo(x=[]):
...     x.append(1)
...     print x
...
>>> foo()
[1]
>>> foo()
[1, 1]
>>> foo()
[1, 1, 1]

Вместо этого нужно использовать значение «не указано» и заменить на изменяемый объект по умолчанию:

>>> def foo(x=None):
...     if x is None:
...         x = []
...     x.append(1)
...     print x
>>> foo()
[1]
>>> foo()
[1]