浅析Python装饰器以及装饰器模式

1. 什么是装饰器？

装饰器指的是在代码运行期间动态修改类或函数功能的技术。它是Python中高阶函数的一种应用，让开发者在不修改原有代码的情况下增加功能，提高代码复用性。可以将装饰器看做包裹在原有函数外层的一层函数，它可以修改原函数的行为，也可以返回原函数的调用地址以便后续调用。

在Python中，装饰器以@符号表示，将装饰器直接放在函数定义的上方。例如下面这个示例：

def my_decorator(func):
    def wrapper():
        print("Before function is called.")
        func()
        print("After function is called.")
    return wrapper

@my_decorator
def say_hello():
    print("Hello, world!")

say_hello()

运行结果：

Before function is called.
Hello, world!
After function is called.

my_decorator就是一个装饰器函数，它接受一个函数作为参数，并返回一个新的函数wrapper，这个函数可以对传入的函数进行包装，加上一些额外的功能。

在上面的例子中，say_hello函数定义的上方使用了装饰器@my_decorator，表示say_hello函数不再是原本的函数，而是my_decorator(say_hello)得到的新函数。因此，当我们调用say_hello()时，首先会调用wrapper()函数，然后才是原本的say_hello()函数。

2. 装饰器的使用场景

装饰器可以应用在很多场景中，例如记录函数日志、验证用户权限、缓存函数结果等。

2.1 记录函数日志

我们可以编写一个装饰器来记录函数的执行时间和参数：

import time

def log_time(func):
    def wrapper(*args, **kwargs):
        start_time = time.time()
        result = func(*args, **kwargs)
        end_time = time.time()
        print(f"Function {func.__name__} took {(end_time - start_time):.2f} seconds to run.")
        return result
    return wrapper

@log_time
def my_function():
    time.sleep(2)
    print("Function is done.")

my_function()

上述代码定义了一个名为log_time的装饰器，它接受一个函数作为参数，并返回一个新的函数wrapper。在wrapper函数内部，首先使用time模块记录函数的开始时间，然后调用原函数func，最后再记录函数的结束时间，并计算函数执行的时间差，最后打印出来。最终，返回原函数的结果。

在上述示例中，我们使用装饰器直接将log_time装饰到my_function函数定义上方，使得my_function函数可以记录自己的执行时间。

2.2 验证用户权限

时常我们需要对某些函数或方法进行权限验证，例如某个页面需要用户登录才能查看，我们可以使用装饰器来实现这个功能。

def login_required(func):
    def wrapper(*args, **kwargs):
        if not check_user_login_status():
            return "Please log in first."
        else:
            return func(*args, **kwargs)
    return wrapper

@login_required
def display_user_info(username):
    return f"Hello, {username}!"

print(display_user_info("Alice"))  # Hello, Alice!
print(display_user_info(""))      # Please log in first.

在上述示例中，login_required装饰器通过调用check_user_login_status()函数来判断用户是否已经登录，如果已经登录，则继续调用原函数func，否则返回提示信息。我们只需要将login_required装饰器应用到需要权限验证的函数定义上方，就能够实现对用户登录状态的验证。

3. 装饰器模式

现在我们已经了解了装饰器的基本用法，假如我们需要对同一函数应用多个装饰器时，该怎么做？这时就需要使用装饰器模式了。

装饰器模式指的是在不改变已有对象接口及其实现的情况下，动态地为对象增加额外的职责。

下面是一个使用装饰器模式计算累加和的例子：

def add_one(func):
    def wrapper(*args, **kwargs):
        return func(*args, **kwargs) + 1
    return wrapper

def add_two(func):
    def wrapper(*args, **kwargs):
        return func(*args, **kwargs) + 2
    return wrapper

@add_one
@add_two
def calculate_sum(n):
    return sum(range(1, n+1))

print(calculate_sum(5))  # 20

在上述示例中，我们定义了两个装饰器add_one和add_two，分别对传入的值加1和加2。然后，我们使用了两个装饰器来包装calculate_sum函数，在调用calculate_sum(5)时，实际上是在调用add_one(add_two(calculate_sum))(5)，传入的值先加2，再加1，最后得到答案20。

4. 总结

装饰器是Python中非常有用的高阶函数技术，它可以动态地为函数增加额外的功能，提高代码的复用性。我们可以通过编写装饰器函数来实现对函数的包装，也可以通过应用装饰器来对函数进行动态修改。同时，我们还可以使用装饰器模式来扩展已有对象的功能。