如何写出更好的 Python 函数 （翻译-转载）

前言

Python 简洁灵活，但是要想用好，并不简单，那么如何写出一个好的Python函数呢？《Writing Idiomatic Python》一书的作者在 Medium 上发表了一篇文章，给出了 6 个建议。

0. 怎样算是一个好的函数？

“好”的 Python 函数和“差”的 Python 函数之间有什么差别呢？每个人都有自己的理解。基于我的理解，如果一个 Python 函数能够符合下面的大部分条件，我会认为它是一个“好”函数：

• 命名合理
• 单一功能
• 包括文档字符串
• 返回一个值
• 不超过 50 行
• 是幂等函数或纯函数

对许多人来说，这些要求可能显得过于苛刻了。

不过，如果你的函数遵循这些规则，你的代码会非常漂亮。

下面，我将一一讨论这些规则，然后总结它们是如何创造“好”函数的。

1. 命名（Naming）

在这个问题上，我最喜欢的一句话是：

计算机科学中只有两件事很让人头疼：缓存失效和命名。

尽管这听起来很莫名其妙，但给一个事情命名太难了。下面是一个反面案例：

def get_knn_from_df(df):

上面这个例子来源于数据分析领域 (准确的讲是机器学习相关的，k-近邻模型)。

这个函数命名的第一个问题是它使用了缩写。

对于那些并不出名的缩略词来说，使用完整的英语单词会更好。缩写单词的唯一原因是为了节省打字时间，但是每个现代编辑器都有自动填充功能，所以你只需要键入一次全名就可以了。

缩写通常是特定领域的。在上面的代码中，KNN 指的是“K-Nearest Neighbors”，df 指的是“DataFrame”，这是一个数据结构。如果另一个不熟悉这些首字母缩写的程序员正在阅读代码，几乎很难看懂。

关于这个函数的名字还有另外两个小瑕疵：

• “get”这个词是无关紧要的。对于大多数命名比较好的函数来说，很明显有一些东西会从函数中返回，它的名字将反映这一点。
• from_df 也不是必要的。如果没有明确的参数名称，函数的文档字符串或类型注释会描述参数的类型。

那么我们如何重命名这个函数呢？很简单：

def k_nearest_neighbors(dataframe):

即使是外行，这个函数要计算的内容也很清楚，参数的名称(dataframe) 也清楚地表明了参数类型。

2. 单一功能（Single Responsibility）

单一功能原则不仅适用于类和模块，也同样适用于函数。

一个函数应该只有一个功能。也就是说，它应该做且只做一件事。

一个重要的原因是，如果每个函数只做一件事，只有这件事发生了变化，才需要改变这个函数。

此外，如果这个函数的单个功能不再需要了，直接把它删了就行了。

还是用例子来说明吧。下面这个函数，可以做不止一件“事情”:

def calculate_and print_stats(list_of_numbers):
    sum = sum(list_of_numbers)
    mean = statistics.mean(list_of_numbers)
    median = statistics.median(list_of_numbers)
    mode = statistics.mode(list_of_numbers)
    print('-----------------Stats-----------------')
    print('SUM: {}'.format(sum) print('MEAN: {}'.format(mean)
    print('MEDIAN: {}'.format(median)
    print('MODE: {}'.format(mode)

这个函数做了两件事：一是计算一组关于数字列表的统计数据，二是将它们打印到 STDOUT。

如果需要计算新的或不同的统计数据，或者需要改变输出的格式，就需要对这个函数进行调整。

所以，这个函数最好写成两个独立的函数：一个用来执行并返回计算结果，另一个用来获取这些结果并打印出来。

这种处理方式，不仅能让测试函数更容易，并且还允许这两个部分有了迁移性，如果合适的话，还可能一起应用到不同的模块中。

在编程中，你会发现好多函数都可以做很多很多事情。同样，为了可读性和可测试性，这些多功能函数应该被分解成更小的函数，每个函数只有一个功能。

3. 文档字符串（Docstrings）

虽然每个人似乎都知道 PEP - 8，它定义了 Python 的样式指南，但是很少有人知道 PEP - 257，它是关于文档字符串的。我再这里不简单地重复 PEP - 257 的内容了，你可以在闲暇时读一下。其中的关键内容是：

• 每个函数都需要有一个文档字符串
• 使用适当的语法和标点符号；用完整的句子写
• 首先对函数的作用进行一句话的总结
• 使用说明性语言而不是描述性语言

在编写函数时，要养成写文档字符串的习惯，并在编写函数代码 之前 尝试写一下。

如果你不能写一个清晰的文档字符串来描述函数做什么，就说明你需要再考虑考虑为什么要写这个函数了。

4. 返回值 （Return Values）

函数可以被认为是一些独立的程序。它们以参数的形式接受一些输入，并返回一些结果。

参数有没有都可以，但从 Python 内部的角度来看，返回值是必须要有的。你不可能创建一个没有返回值的函数。如果函数没有返回值，Python 会“强制”返回 None。你可以测试一下这段代码：

❯ python3
Python 3.7.0 (default, Jul 232018, 20:22:55)
[Clang 9.1.0 (clang-902.0.39.2)] on darwin
Type "help", "copyright", "credits"or"license"for more information.
>>> def add(a, b):
...   print(a + b)
...
>>> b = add(1, 2)
3
>>> b
>>> b is None
True

你会发现 b 的返回值实际上是 None。即使你写的函数没有返回语句，它仍然会返回一些东西。而且，每个函数都应该返回一个有用的值，测试起来也会更方便。毕竟，你写的代码应该能够被测试。

试想一下，测试上面的 add 函会有多艰难。遵循这个概念，我们应该这样写代码：

with open('foo.txt', 'r') as input_file:
    for line in input_file:
        if line.strip().lower().endswith('cat'):
        # ... do something useful with these lines

if line.strip().lower().endswith(‘cat’): 这一行能够工作，是因为每个字符串方法( strip ( )、lower ( )、endswith ( ) ) 都返回一个字符串作为调用函数的结果。

当给定函数没有返回值时，有一些常见的原因：

• “它所做的只是[一些与 I/O 相关的事情，比如将一个值保存到数据库中]。我不能返回任何有用的东西。”

我不同意。如果操作顺利完成，函数可以返回 True。

• “我们修改了其中一个参数，将其用作参考参数。”

这里有两点需要注意。首先，尽最大努力避免这种做法。用好了令人惊讶，用不好非常危险。

其次，即使这样做不可行，复制某个参数的成本太高，你也可以回到上一条建议。

• “我需要返回多个值。单独返回一个值是没有意义的。”

其实，可以使用元组返回多个值。

总是返回一个有用的值，调用者也总能自由地去忽略掉它们。

5. 函数长度 （Function Length）

让你读一个 200 行的函数，并说出它是做什么的，你是什么感受？

函数的长度直接影响可读性，从而影响可维护性。所以要保持你的函数简短。50 行是一个随意的数字，在我看来是合理的。你编写的大多数函数应该要短一些。

如果一个函数遵循单一功能原则，它很可能是相当短的。如果它是纯函数或是幂等的 (下面讨论) ，它也可能是短的。

那么，如果函数太长，应该怎么做？重构（Refactor）。这只会改变程序的结构而不改变其行为。

从一个长函数中提取几行代码，并把它们变成其自己的函数就是一种重构。这是缩短长函数的最快、也是最常见的方式。

加上你给所有这些新函数取了合适的名称，因此生成的代码读起来也会更容易。

6. 幂等和函数纯度 （Idempotency and Functional Purity）

不管被调用了多少次，幂等函数总是在给定相同参数集的情况下返回相同的值。结果不依赖于非局部变量、参数的可变性或来自任何 I / O 流的数据。

下面的这个 add_three(number) 函数是幂等函数：

def add_three(number):
    """Return *number* + 3."""
    return number + 3

不管一个人调用 add_three(7)多少次，答案总是 10。

以下是一个非幂等函数：

def add_three():
    """Return 3 + the number entered by the user."""
    number = int(input('Enter a number: '))
    return number + 3

这个函数的返回值取决于 I / O，即用户输入的数字。对 add_three() 的每次调用都会返回不同的值。

如果它被调用两次，用户可以第一次输入 3，第二次输入 7，分别调用 add_three()返回 6 和 10。

幂等性的一个现实中例子是在电梯前点击“向上”按钮。第一次按时，电梯会被“通知”你要上去。因为按按钮是幂等的，所以反复按它都没有什么影响。结果是一样的。

6.1 为什么幂等很重要？

可测试性和可维护性。

幂等函数很容易测试，因为在使用相同的参数时，它们总是返回相同的结果。

测试仅仅是检查通过不同调用返回值的预期值。更重要的是，这些测试很快，这是单元测试中一个重要且经常被忽视的问题。

而在处理幂等函数时，重构是轻而易举的事情。无论如何在函数之外更改代码，使用相同的参数调用它的结果总是一样的。

6.2 什么是纯函数？

在函数编程中，如果一个函数既幂等又没有可观察到的副作用，它就被认为是纯函数。因为有幂等性，所以函数外部的任何东西都不会影响这个值。然而，这并不意味着函数不能影响非局部变量或 I / O 流之类的事情。例如，如果上面 add_three(number)的幂等版本在返回结果之前打印了结果，那么它仍然被认为是幂等的，因为当它访问 I / O 流时，这个访问与从函数返回的值无关。

调用 print()只是一个副作用：除了返回值之外，还与程序的其他部分或系统本身进行了一些交互。

让我们把我们的 add_three(number)示例再向前推进一步。我们可以编写下面的代码片段来确定调用 add_three(number)的次数：

add_three_calls = 0


def add_three(number):
    """Return *number* + 3."""
    global add_three_calls
    print(f'Returning {number + 3}')
    add_three_calls += 1
    return number + 3


def num_calls():
    """Return the number of times *add_three* was called."""
    return add_three_calls

我们现在正在打印到控制台(一个副作用)并修改一个非局部变量(另一个副作用)，但是由于这两者都不影响函数返回的值，它仍然是幂等的。

纯函数没有副作用。它不仅不使用任何“外部数据”来计算值，除了计算和返回所述值之外，它与系统/程序的其余部分都没有交互。因此，虽然我们新的 add_three(number) 定义仍然是幂等的，但它不再是纯的。

纯函数没有日志语句或 print()调用。

它们不使用数据库或互联网连接。

它们不访问或修改非局部变量。

它们不调用任何其他非纯函数。

简而言之，它们无法做到爱因斯坦所说的“远距离幽灵般的行动”(在计算机科学环境中)。它们不会以任何方式修改程序或系统的其余部分。

在交互式编程(编写 Python 代码时所做的那种)中，它们是所有函数中最安全的函数。

它们也很容易被测试和维护，甚至比只是幂等函数更重要的是，测试它们基本上可以和执行它们一样快。

它的测试本身很简单：没有数据库连接或其他外部资源进行模拟，也不需要安装代码，之后也没有什么需要清理的。

准确地来说，幂等性和纯函数只是一种期望，不是必需的。也就是说，由于好处很多，我们可能会希望只编写纯函数或幂等函数，但这并不现实。

重要的是，我们要有意识开始写代码来隔离副作用和外部依赖性。这会使得我们编写的每一行代码都更容易被测试。

拓展阅读

Write Better Python Functions