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新手上路必學(xué)的Python函數(shù)基礎(chǔ)知識，全在這里了（多段代碼舉例）

Four兄 2019-09-03

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導(dǎo)讀：函數(shù)是Python中最重要、最基礎(chǔ)的代碼組織和代碼復(fù)用方式。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，如果你需要多次重復(fù)相同或類似的代碼，就非常值得寫一個(gè)可復(fù)用的函數(shù)。通過給一組Python語句一個(gè)函數(shù)名，形成的函數(shù)可以幫助你的代碼更加可讀。

函數(shù)聲明時(shí)使用def關(guān)鍵字，返回時(shí)使用return關(guān)鍵字：

def my_function(x, y, z=1.5):

if z > 1:

return z * (x + y)

else:

return z / (x + y)

有多條返回語句是沒有問題的。如果Python達(dá)到函數(shù)的尾部時(shí)仍然沒有遇到return語句，就會自動返回None。

每個(gè)函數(shù)都可以有位置參數(shù)和關(guān)鍵字參數(shù)。關(guān)鍵字參數(shù)最常用于指定默認(rèn)值或可選參數(shù)。在前面的函數(shù)中，x和y是位置參數(shù)，z是關(guān)鍵字參數(shù)。這意味著函數(shù)可以通過以下任意一種方式進(jìn)行調(diào)用：

my_function(5, 6, z=0.7)

my_function(3.14, 7, 3.5)

my_function(10, 20)

函數(shù)參數(shù)的主要限制是關(guān)鍵字參數(shù)必須跟在位置參數(shù)后(如果有的話)。你可以按照任意順序指定關(guān)鍵字參數(shù)；這可以讓你不必強(qiáng)行記住函數(shù)參數(shù)的順序，而只需用參數(shù)名指定。

也可以使用關(guān)鍵字參數(shù)向位置參數(shù)傳參。在前面的例子中，我們也可以這樣寫：

my_function(x=5, y=6, z=7)

my_function(y=6, x=5, z=7)

在部分場景中，這樣做有助于代碼可讀性

01 命名空間、作用域和本地函數(shù)

函數(shù)有兩種連接變量的方式：全局、本地。在Python中另一種更貼切地描述變量作用域的名稱是命名空間。在函數(shù)內(nèi)部，任意變量都是默認(rèn)分配到本地命名空間的。本地命名空間是在函數(shù)被調(diào)用時(shí)生成的，并立即由函數(shù)的參數(shù)填充。當(dāng)函數(shù)執(zhí)行結(jié)束后，本地命名空間就會被銷毀(除了一些特殊情況)。考慮以下函數(shù)：

def func():

a = []

for i in range(5):

a.append(i)

當(dāng)func()調(diào)用時(shí)，空的列表會被創(chuàng)建，五個(gè)元素被添加到列表，之后a會在函數(shù)退出時(shí)被銷毀。假設(shè)我們像下面這樣聲明a：

a = []

def func():

for i in range(5):

a.append(i)

在函數(shù)外部給變量賦值是可以的，但是那變量必須使用global關(guān)鍵字聲明為全局變量：

In [168]: a = None

In [169]: def bind_a_variable():

.....: global a

.....: a = []

.....: bind_a_variable()

.....:

In [170]: print(a)

[]

我簡單的講下global關(guān)鍵字的用法。通常全局變量用來存儲系統(tǒng)中的某些狀態(tài)。如果你發(fā)現(xiàn)你大量使用了全局變量，可能表明你需要面向?qū)ο缶幊?使用類)

02 返回多個(gè)值

當(dāng)我在使用Java和C++編程后第一次使用Python編程時(shí)，我最喜歡的特性就是使用簡單語法就可以從函數(shù)中返回多個(gè)值。以下是代碼：

def f():

a = 5

b = 6

c = 7

return a, b, c

a, b, c = f()

在數(shù)據(jù)分析和其他科研應(yīng)用，你可能會發(fā)現(xiàn)經(jīng)常需要返回多個(gè)值。這里實(shí)質(zhì)上是返回了一個(gè)對象，也就是元組，而元組之后又被拆包為多個(gè)結(jié)果變量。在前面的例子中，我們可以用下面的代碼代替：

return_value = f()

在這個(gè)例子中，return_value是一個(gè)3個(gè)元素的元組。像之前那樣一次返回多個(gè)值還有一種潛在的、更有吸引力的實(shí)現(xiàn)：

def f():

a = 5

b = 6

c = 7

return {'a' : a, 'b' : b, 'c' : c}

具體用哪種技術(shù)取決于你需要做什么的事。

03 函數(shù)是對象

由于Python的函數(shù)是對象，很多在其他語言中比較難的構(gòu)造在Python中非常容易實(shí)現(xiàn)。假設(shè)我們正在做數(shù)據(jù)清洗，需要將一些變形應(yīng)用到下列字符串列表中:

In [171]: states = [' Alabama ', 'Georgia!', 'Georgia', 'georgia', 'FlOrIda',

.....: 'south carolina##', 'West virginia?']

任何處理過用戶提交數(shù)據(jù)的人都對這樣的數(shù)據(jù)感到凌亂。為了使這些數(shù)據(jù)整齊、可用于分析，有很多是事情需要去做：去除空格、移除標(biāo)點(diǎn)符號、調(diào)整適當(dāng)?shù)拇笮憽Ｒ环N方式是使用內(nèi)建的字符串方法，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)庫中的正則表達(dá)式模塊re：

import re

def clean_strings(strings):

result = []

for value in strings:

value = value.strip()

value = re.sub('[!#?]', '', value)

value = value.title()

result.append(value)

return result

結(jié)果如下：

In [173]: clean_strings(states)

Out[173]:

['Alabama',

'Georgia',

'Florida',

'South Carolina',

'West Virginia']

另一種會讓你覺得有用的實(shí)現(xiàn)就是將特定的列表操作應(yīng)用到某個(gè)字符串的集合上：

def remove_punctuation(value):

return re.sub('[!#?]', '', value)

clean_ops = [str.strip, remove_punctuation, str.title]

def clean_strings(strings, ops):

result = []

for value in strings:

for function in ops:

value = function(value)

result.append(value)

return result

結(jié)果如下：

In [175]: clean_strings(states, clean_ops)

Out[175]:

['Alabama',

'Georgia',

'Florida',

'South Carolina',

'West Virginia']

像這種更為函數(shù)化的模式可以使你在更高層次上方便地修改字符串變換方法。clean_strings函數(shù)現(xiàn)在也具有更強(qiáng)的復(fù)用性、通用性。

你可以將函數(shù)作為一個(gè)參數(shù)傳給其他的函數(shù)，比如內(nèi)建的map函數(shù)，可以將一個(gè)函數(shù)應(yīng)用到一個(gè)序列上：

In [176]: for x in map(remove_punctuation, states):

.....: print(x)

Alabama

Georgia

georgia

FlOrIda

south carolina

West virginia

04 匿名(Lambda)函數(shù)

Python支持所謂的匿名或lambda函數(shù)。匿名函數(shù)是一種通過單個(gè)語句生成函數(shù)的方式，其結(jié)果是返回值。匿名函數(shù)使用lambda關(guān)鍵字定義，該關(guān)鍵字僅表達(dá)“我們聲明一個(gè)匿名函數(shù)”的意思：

def short_function(x):

return x * 2

equiv_anon = lambda x: x * 2

匿名函數(shù)在數(shù)據(jù)分析中非常方便，因?yàn)樵诤芏喟咐袛?shù)據(jù)變形函數(shù)都可以作為函數(shù)的參數(shù)。匿名函數(shù)代碼量小(也更為清晰)，將它作為參數(shù)進(jìn)行傳值，比寫一個(gè)完整的函數(shù)或者將匿名函數(shù)賦值給局部變量更好。舉個(gè)例子，考慮下面的不佳示例：

def apply_to_list(some_list, f):

return [f(x) for x in some_list]

ints = [4, 0, 1, 5, 6]

apply_to_list(ints, lambda x: x * 2)

你也可以寫成[x * 2 for x in ints] ，但是在這里我們能夠簡單地將一個(gè)自定義操作符傳遞給apply_to_list函數(shù)。

另一個(gè)例子，假設(shè)你想要根據(jù)字符串中不同字母的數(shù)量對一個(gè)字符串集合進(jìn)行排序：

In [177]: strings = ['foo', 'card', 'bar', 'aaaa', 'abab']

這里我們可以將一個(gè)匿名函數(shù)傳給列表的sort方法：

In [178]: strings.sort(key=lambda x: len(set(list(x))))

In [179]: strings

Out[179]: ['aaaa', 'foo', 'abab', 'bar', 'card']

和def關(guān)鍵字聲明的函數(shù)不同，匿名函數(shù)對象自身并沒有一個(gè)顯式的__name__ 屬性，這是lambda函數(shù)被稱為匿名函數(shù)的一個(gè)原因。

05 柯里化：部分函數(shù)應(yīng)用

柯里化是計(jì)算機(jī)科學(xué)術(shù)語(以數(shù)學(xué)家Haskell Curry命名)，它表示通過部分參數(shù)應(yīng)用的方式從已有的函數(shù)中衍生出新的函數(shù)。例如，假設(shè)我們有一個(gè)不重要的函數(shù)，其功能是將兩個(gè)數(shù)加一起：

def add_numbers(x, y):

return x + y

使用這個(gè)函數(shù)，我們可以衍生出一個(gè)只有一個(gè)變量的新函數(shù)，add_five，可以給參數(shù)加上5：

add_five = lambda y: add_numbers(5, y)

第二個(gè)參數(shù)對于函數(shù)add_numers就是柯里化了。這里并沒有什么神奇的地方，我們真正做的事只是定義了一個(gè)新函數(shù)，這個(gè)新函數(shù)調(diào)用了已經(jīng)存在的函數(shù)。內(nèi)建的functools模塊可以使用pratial函數(shù)簡化這種處理：

from functools import partial

add_five = partial(add_numbers, 5)

06 生成器

通過一致的方式遍歷序列，例如列表中的對象或者文件中的一行行內(nèi)容，這是Python的一個(gè)重要特性。這個(gè)特性是通過迭代器協(xié)議來實(shí)現(xiàn)的，迭代器協(xié)議是一種令對象可遍歷的通用方式。例如，遍歷一個(gè)字典，獲得字典的鍵：

In [180]: some_dict = {'a': 1, 'b': 2, 'c': 3}

In [181]: for key in some_dict:

.....: print(key)

當(dāng)你寫下for key in some_dict 的語句時(shí)，Python解釋器首先嘗試根據(jù)some_dict生成一個(gè)迭代器：

In [182]: dict_iterator = iter(some_dict)

In [183]: dict_iterator

Out[183]: <dict_keyiterator at 0x7fbbd5a9f908>

迭代器就是一種用于在上下文中(比如for循環(huán))向Python解釋器生成對象的對象。大部分以列表或列表型對象為參數(shù)的方法都可以接收任意的迭代器對象。包括內(nèi)建方法比如min、max和sum，以及類型構(gòu)造函數(shù)比如list和tuple：

In [184]: list(dict_iterator)

Out[184]: ['a', 'b', 'c']

用迭代器構(gòu)造新的可遍歷對象是一種非常簡潔的方式。普通函數(shù)執(zhí)行并一次返回單個(gè)結(jié)果，而生成器則“惰性”地返回一個(gè)多結(jié)果序列，在每一個(gè)元素產(chǎn)生之后暫停，直到下一個(gè)請求。如需創(chuàng)建一個(gè)生成器，只需要在函數(shù)中將返回關(guān)鍵字return替換為yield關(guān)鍵字：

def squares(n=10):

print('Generating squares from 1 to {0}'.format(n ** 2))

for i in range(1, n + 1):

yield i ** 2

當(dāng)你實(shí)際調(diào)用生成器時(shí)，代碼并不會立即執(zhí)行：

In [186]: gen = squares()

In [187]: gen

Out[187]: <generator object squares at 0x7fbbd5ab4570>

直到你請求生成器中的元素時(shí)，它才會執(zhí)行它的代碼：

In [188]: for x in gen:

.....: print(x, end=' ')

Generating squares from 1 to 100

1 4 9 16 25 36 49 64 81 100

1. 生成器表達(dá)式

生成器表達(dá)式來創(chuàng)建生成器更為簡單。生成器表達(dá)式與列表、字典、集合的推導(dǎo)式很類似，創(chuàng)建一個(gè)生成器表達(dá)式，只需要將列表推導(dǎo)式的中括號替換為小括號即可：

In [189]: gen = (x ** 2 for x in range(100))

In [190]: gen

Out[190]: <generator object <genexpr> at 0x7fbbd5ab29e8>

上面的代碼與下面更為復(fù)雜的生成器是等價(jià)的：

def _make_gen():

for x in range(100):

yield x ** 2

gen = _make_gen()

在很多情況下，生成器表達(dá)式可以作為函數(shù)參數(shù)用于替代列表推導(dǎo)式：

In [191]: sum(x ** 2 for x in range(100))

Out[191]: 328350

In [192]: dict((i, i **2) for i in range(5))

Out[192]: {0: 0, 1: 1, 2: 4, 3: 9, 4: 16}

2. itertools模塊

標(biāo)準(zhǔn)庫中的itertools模塊是適用于大多數(shù)數(shù)據(jù)算法的生成器集合。例如，groupby可以根據(jù)任意的序列和一個(gè)函數(shù)，通過函數(shù)的返回值對序列中連續(xù)的元素進(jìn)行分組，參見下面的例子：

In [193]: import itertools

In [194]: first_letter = lambda x: x[0]

In [195]: names = ['Alan', 'Adam', 'Wes', 'Will', 'Albert', 'Steven']

In [196]: for letter, names in itertools.groupby(names, first_letter):

.....: print(letter, list(names)) # names是一個(gè)生成器

A ['Alan', 'Adam']

W ['Wes', 'Will']

A ['Albert']

S ['Steven']

下表是一些我認(rèn)為經(jīng)常用到的itertools函數(shù)的列表。你可以通過查詢Python官方文檔來獲得更多關(guān)于內(nèi)建工具庫的信息。

函數(shù)	描述
combinations(iterable, k)	根據(jù)iterable參數(shù)中的所有元素生成一個(gè)包含所有可能K元組的序列，忽略元素的順序，也不進(jìn)行替代(需要替代請參考函數(shù) combinations_with_replacement )
permutations(iterable, k)	根據(jù)itrable參數(shù)中的按順序生成包含所有可能K元組的序列
groupby(iterable[, keyfunc])	根據(jù)每一個(gè)獨(dú)一的Key生成 (key, sub-iterator) 元組
product(*iterables, repeat=1)	以元組的形式，根據(jù)輸入的可遍歷對象們生成笛卡爾積，與嵌套的for循環(huán)類似

07 錯(cuò)誤和異常處理

優(yōu)雅地處理Python的錯(cuò)誤或異常是構(gòu)建穩(wěn)定程序的重要組成部分。在數(shù)據(jù)分析應(yīng)用中，很多函數(shù)只能處理特定的輸入。例如，Python的float函數(shù)可以將字符串轉(zhuǎn)換為浮點(diǎn)數(shù)字，但是對不正確的輸入會產(chǎn)生ValueError:

In [197]: float('1.2345')

Out[197]: 1.2345

In [198]: float('something')

---------------------------------------------------------------------------

ValueError Traceback (most recent call last)

<ipython-input-198-439904410854> in <module>()

----> 1 float('something')

ValueError: could not convert string to float: 'something'

假設(shè)我們想要在float函數(shù)運(yùn)行失敗時(shí)可以優(yōu)雅地返回輸入?yún)?shù)。我們可以通過將float函數(shù)寫入一個(gè)try/except代碼段來實(shí)現(xiàn)：

def attempt_float(x):

try:

return float(x)

except:

return x

如果float(x)執(zhí)行時(shí)拋出了異常，則代碼段中的except部分代碼將會被執(zhí)行：

In [200]: attempt_float('1.2345')

Out[200]: 1.2345

In [201]: attempt_float('something')

Out[201]: 'something

你可能會注意到，除了ValueError，float函數(shù)還會拋出其他的異常：

In [202]: float((1, 2))

---------------------------------------------------------------------------

TypeError Traceback (most recent call last)

<ipython-input-202-842079ebb635> in <module>()

----> 1 float((1, 2))

TypeError: float() argument must be a string or a number, not 'tuple'

你可能只想處理ValueError，因?yàn)門ypeError(輸入的不是字符串或數(shù)值)可能表明你的程序中有個(gè)合乎語法的錯(cuò)誤。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的，在except后面寫下異常類型：

def attempt_float(x):

try:

return float(x)

except ValueError:

return x

然后我們可以得到：

In [204]: attempt_float((1, 2))

---------------------------------------------------------------------------

TypeError Traceback (most recent call last)

<ipython-input-204-9bdfd730cead> in <module>()

----> 1 attempt_float((1, 2))

<ipython-input-203-3e06b8379b6b> in attempt_float(x)

1 def attempt_float(x):

2 try:

----> 3 return float(x)

4 except ValueError:

5 return x

TypeError: float() argument must be a string or a number, not 'tuple'

你可以通過將多個(gè)異常類型寫成元組的方式同事捕獲多個(gè)異常(小括號是必不可少的)：

def attempt_float(x):

try:

return float(x)

except (TypeError, ValueError):

return x

某些情況下，你可能想要處理一個(gè)異常，但是你希望一部分代碼無論try代碼塊是否報(bào)錯(cuò)都要執(zhí)行。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的，使用finally關(guān)鍵字：

f = open(path, 'w')

try:

write_to_file(f)

finally:

f.close()

這樣，我們可以讓f在程序結(jié)束后總是關(guān)閉。類似的，你可以使用else來執(zhí)行當(dāng)try代碼塊成功執(zhí)行時(shí)才會執(zhí)行的代碼：

f = open(path, 'w')

try:

write_to_file(f)

except:

print('Failed')

else:

print('Succeeded')

finally:

f.close()

IPython中的異常

如果當(dāng)你正在%run一個(gè)腳本或執(zhí)行任何語句報(bào)錯(cuò)時(shí)，IPython將會默認(rèn)打印出完整的調(diào)用堆棧跟蹤(報(bào)錯(cuò)追溯)，會將堆棧中每個(gè)錯(cuò)誤點(diǎn)附近的幾行上下文代碼打印出：

In [10]: %run examples/ipython_bug.py

---------------------------------------------------------------------------

AssertionError Traceback (most recent call last)

/home/wesm/code/pydata-book/examples/ipython_bug.py in <module>()

13 throws_an_exception()

---> 15 calling_things()

/home/wesm/code/pydata-book/examples/ipython_bug.py in calling_things()

11 def calling_things():

12 works_fine()

---> 13 throws_an_exception()

15 calling_things()

/home/wesm/code/pydata-book/examples/ipython_bug.py in throws_an_exception()

7 a = 5

8 b = 6

----> 9 assert(a + b == 10)

11 def calling_things():

AssertionError:

比標(biāo)準(zhǔn)Python解釋器提供更多額外的上下文是IPython的一大進(jìn)步(標(biāo)準(zhǔn)Python解釋器不提供任何額外的上下文)。你可以使用%xmode命令來控制上下文的數(shù)量，可以從Plain(普通)模式(與標(biāo)準(zhǔn)Python解釋器一致)切換到Verbose(復(fù)雜)模式(可以顯示函數(shù)的參數(shù)值以及更多有用信息)。

關(guān)于作者：韋斯·麥金尼（Wes McKinney）是流行的Python開源數(shù)據(jù)分析庫pandas的創(chuàng)始人。他是一名活躍的演講者，也是Python數(shù)據(jù)社區(qū)和Apache軟件基金會的Python/C++開源開發(fā)者。目前他在紐約從事軟件架構(gòu)師工作。

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