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简单的python-核心篇-函数式编程_好玩又简单的python函数代码

itomcoil 2025-10-23 03:53 1 浏览

函数是Python的一等公民,可以作为参数传递、作为返回值返回、赋值给变量或存储在数据结构中。

# 函数可以赋值给变量
def greet(name):
    return f"Hello, {name}!"

say_hello = greet
print(say_hello("Alice"))  # Hello, Alice!

# 函数可以作为参数
def apply_operation(func, value):
    return func(value)

def square(x):
    return x ** 2

result = apply_operation(square, 5)
print(result)  # 25

# 函数可以作为返回值
def create_multiplier(factor):
    def multiplier(x):
        return x * factor
    return multiplier

double = create_multiplier(2)
triple = create_multiplier(3)

print(double(5))  # 10
print(triple(5))  # 15

高阶函数

高阶函数(Higher-order functions)是接受函数作为参数或返回函数的函数。

1. map函数

# 传统方式
numbers = [1, 2, 3, 4, 5]
squared = []
for num in numbers:
    squared.append(num ** 2)

# 函数式方式
squared = list(map(lambda x: x ** 2, numbers))
print(squared)  # [1, 4, 9, 16, 25]

# 使用自定义函数
def square(x):
    return x ** 2

squared = list(map(square, numbers))
print(squared)  # [1, 4, 9, 16, 25]

# 多个序列
names = ["alice", "bob", "charlie"]
ages = [25, 30, 35]
info = list(map(lambda name, age: f"{name} is {age}", names, ages))
print(info)  # ['alice is 25', 'bob is 30', 'charlie is 35']

2. filter函数

# 过滤偶数
numbers = [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10]
even_numbers = list(filter(lambda x: x % 2 == 0, numbers))
print(even_numbers)  # [2, 4, 6, 8, 10]

# 过滤非空字符串
words = ["hello", "", "world", "", "python"]
non_empty = list(filter(None, words))  # None作为谓词函数
print(non_empty)  # ['hello', 'world', 'python']

# 使用自定义函数
def is_long_word(word):
    return len(word) > 4

long_words = list(filter(is_long_word, words))
print(long_words)  # ['hello', 'world', 'python']

3. reduce函数

from functools import reduce

# 计算列表元素的和
numbers = [1, 2, 3, 4, 5]
total = reduce(lambda x, y: x + y, numbers)
print(total)  # 15

# 计算列表元素的最大值
max_value = reduce(lambda x, y: x if x > y else y, numbers)
print(max_value)  # 5

# 字符串连接
words = ["Hello", "World", "Python"]
sentence = reduce(lambda x, y: f"{x} {y}", words)
print(sentence)  # Hello World Python

# 使用初始值
total_with_init = reduce(lambda x, y: x + y, numbers, 10)
print(total_with_init)  # 25 (10 + 1 + 2 + 3 + 4 + 5)

Lambda表达式

Lambda表达式是创建匿名函数的简洁方式。

# 基本语法
square = lambda x: x ** 2
print(square(5))  # 25

# 多个参数
add = lambda x, y: x + y
print(add(3, 4))  # 7

# 在函数中使用
def apply_operation(numbers, operation):
    return [operation(x) for x in numbers]

numbers = [1, 2, 3, 4, 5]
squared = apply_operation(numbers, lambda x: x ** 2)
cubed = apply_operation(numbers, lambda x: x ** 3)

print(squared)  # [1, 4, 9, 16, 25]
print(cubed)    # [1, 8, 27, 64, 125]

# 条件表达式
abs_value = lambda x: x if x >= 0 else -x
print(abs_value(-5))  # 5
print(abs_value(5))   # 5

列表推导式与生成器表达式

1. 列表推导式

# 基本语法
squares = [x ** 2 for x in range(10)]
print(squares)  # [0, 1, 4, 9, 16, 25, 36, 49, 64, 81]

# 带条件
even_squares = [x ** 2 for x in range(10) if x % 2 == 0]
print(even_squares)  # [0, 4, 16, 36, 64]

# 嵌套循环
matrix = [[i * j for j in range(3)] for i in range(3)]
print(matrix)  # [[0, 0, 0], [0, 1, 2], [0, 2, 4]]

# 复杂表达式
words = ["hello", "world", "python"]
word_info = [(word, len(word), word.upper()) for word in words]
print(word_info)  # [('hello', 5, 'HELLO'), ('world', 5, 'WORLD'), ('python', 6, 'PYTHON')]

2. 生成器表达式

# 生成器表达式(使用圆括号)
squares_gen = (x ** 2 for x in range(10))
print(type(squares_gen))  # <class 'generator'>

# 惰性求值
for square in squares_gen:
    if square > 20:
        break
    print(square)  # 0, 1, 4, 9, 16

# 内存效率
import sys

# 列表推导式
list_comp = [x ** 2 for x in range(1000)]
print(f"列表推导式大小: {sys.getsizeof(list_comp)}")

# 生成器表达式
gen_expr = (x ** 2 for x in range(1000))
print(f"生成器表达式大小: {sys.getsizeof(gen_expr)}")

闭包与装饰器

1. 闭包

def create_counter(initial=0):
    """创建计数器函数"""
    count = initial
    
    def counter():
        nonlocal count
        count += 1
        return count
    
    return counter

# 创建不同的计数器
counter1 = create_counter(0)
counter2 = create_counter(10)

print(counter1())  # 1
print(counter1())  # 2
print(counter2())  # 11
print(counter2())  # 12

# 闭包保持状态
def create_multiplier(factor):
    def multiplier(x):
        return x * factor
    return multiplier

double = create_multiplier(2)
triple = create_multiplier(3)

print(double(5))  # 10
print(triple(5))  # 15

# 检查闭包
print(double.__closure__[0].cell_contents)  # 2

2. 装饰器

import functools
import time

# 基本装饰器
def timer(func):
    """计时装饰器"""
    @functools.wraps(func)
    def wrapper(*args, **kwargs):
        start = time.time()
        result = func(*args, **kwargs)
        end = time.time()
        print(f"{func.__name__} 执行时间: {end - start:.4f}秒")
        return result
    return wrapper

@timer
def slow_function():
    time.sleep(1)
    return "完成"

result = slow_function()

# 带参数的装饰器
def repeat(times):
    """重复执行装饰器"""
    def decorator(func):
        @functools.wraps(func)
        def wrapper(*args, **kwargs):
            for _ in range(times):
                result = func(*args, **kwargs)
            return result
        return wrapper
    return decorator

@repeat(3)
def greet(name):
    print(f"Hello, {name}!")

greet("Alice")

# 类装饰器
class CountCalls:
    def __init__(self, func):
        self.func = func
        self.count = 0
    
    def __call__(self, *args, **kwargs):
        self.count += 1
        print(f"{self.func.__name__} 被调用了 {self.count} 次")
        return self.func(*args, **kwargs)

@CountCalls
def say_hello():
    print("Hello!")

say_hello()  # Hello! say_hello 被调用了 1 次
say_hello()  # Hello! say_hello 被调用了 2 次

函数式编程工具

1. functools模块

from functools import partial, reduce, wraps

# partial - 部分应用
def multiply(x, y):
    return x * y

double = partial(multiply, 2)
triple = partial(multiply, 3)

print(double(5))  # 10
print(triple(5))  # 15

# 更复杂的例子
def power(base, exponent):
    return base ** exponent

square = partial(power, exponent=2)
cube = partial(power, exponent=3)

print(square(5))  # 25
print(cube(5))    # 125

# reduce - 累积操作
numbers = [1, 2, 3, 4, 5]
product = reduce(lambda x, y: x * y, numbers)
print(product)  # 120

# 自定义reduce函数
def my_reduce(func, iterable, initial=None):
    iterator = iter(iterable)
    if initial is None:
        try:
            initial = next(iterator)
        except StopIteration:
            raise TypeError("reduce() of empty sequence with no initial value")
    
    for element in iterator:
        initial = func(initial, element)
    return initial

result = my_reduce(lambda x, y: x + y, [1, 2, 3, 4, 5])
print(result)  # 15

2. itertools模块

import itertools

# 无限迭代器
counter = itertools.count(1, 2)  # 从1开始,步长为2
print(list(itertools.islice(counter, 5)))  # [1, 3, 5, 7, 9]

# 循环迭代器
cycle = itertools.cycle(['A', 'B', 'C'])
print(list(itertools.islice(cycle, 7)))  # ['A', 'B', 'C', 'A', 'B', 'C', 'A']

# 重复迭代器
repeat = itertools.repeat('Hello', 3)
print(list(repeat))  # ['Hello', 'Hello', 'Hello']

# 组合和排列
letters = ['A', 'B', 'C']
combinations = list(itertools.combinations(letters, 2))
permutations = list(itertools.permutations(letters, 2))

print(combinations)   # [('A', 'B'), ('A', 'C'), ('B', 'C')]
print(permutations)   # [('A', 'B'), ('A', 'C'), ('B', 'A'), ('B', 'C'), ('C', 'A'), ('C', 'B')]

# 分组
data = [1, 1, 2, 2, 2, 3, 3, 3, 3]
grouped = itertools.groupby(data)
for key, group in grouped:
    print(f"{key}: {list(group)}")

# 输出:
# 1: [1, 1]
# 2: [2, 2, 2]
# 3: [3, 3, 3, 3]

函数式编程模式

1. 管道模式

def pipe(*functions):
    """创建函数管道"""
    def pipeline(value):
        for func in functions:
            value = func(value)
        return value
    return pipeline

# 使用管道
def add_one(x):
    return x + 1

def multiply_by_two(x):
    return x * 2

def square(x):
    return x ** 2

# 创建管道:加1 -> 乘2 -> 平方
pipeline = pipe(add_one, multiply_by_two, square)

result = pipeline(3)  # ((3 + 1) * 2) ** 2 = 64
print(result)

# 更复杂的管道
def filter_even(numbers):
    return [x for x in numbers if x % 2 == 0]

def square_numbers(numbers):
    return [x ** 2 for x in numbers]

def sum_numbers(numbers):
    return sum(numbers)

data_pipeline = pipe(filter_even, square_numbers, sum_numbers)
result = data_pipeline([1, 2, 3, 4, 5, 6])  # 2^2 + 4^2 + 6^2 = 56
print(result)

2. 柯里化

def curry(func):
    """柯里化装饰器"""
    @functools.wraps(func)
    def curried(*args, **kwargs):
        if len(args) + len(kwargs) >= func.__code__.co_argcount:
            return func(*args, **kwargs)
        return lambda *args2, **kwargs2: curried(*(args + args2), **{**kwargs, **kwargs2})
    return curried

@curry
def add_three_numbers(a, b, c):
    return a + b + c

# 部分应用
add_5_and_10 = add_three_numbers(5, 10)
result = add_5_and_10(15)  # 30
print(result)

# 链式调用
result = add_three_numbers(5)(10)(15)  # 30
print(result)

函数式编程的最佳实践

1. 纯函数

# 纯函数:相同输入总是产生相同输出,无副作用
def pure_add(a, b):
    return a + b

# 非纯函数:有副作用
total = 0
def impure_add(a, b):
    global total
    total += a + b
    return total

# 测试纯函数
print(pure_add(2, 3))  # 5
print(pure_add(2, 3))  # 5 (总是相同结果)

# 测试非纯函数
print(impure_add(2, 3))  # 5
print(impure_add(2, 3))  # 10 (结果不同)

2. 不可变性

# 使用不可变数据结构
from collections import namedtuple

Point = namedtuple('Point', ['x', 'y'])

# 创建点
p1 = Point(1, 2)
p2 = Point(3, 4)

# 不能修改,只能创建新的
# p1.x = 5  # AttributeError: can't set attribute

# 创建新点
p3 = Point(p1.x + p2.x, p1.y + p2.y)
print(p3)  # Point(x=4, y=6)

# 使用frozenset
frozen_set = frozenset([1, 2, 3])
# frozen_set.add(4)  # AttributeError: 'frozenset' object has no attribute 'add'

3. 函数组合

def compose(*functions):
    """函数组合"""
    def composed(x):
        for func in reversed(functions):
            x = func(x)
        return x
    return composed

# 定义简单函数
def add_one(x):
    return x + 1

def multiply_by_two(x):
    return x * 2

def square(x):
    return x ** 2

# 组合函数:先加1,再乘2,最后平方
composed_func = compose(square, multiply_by_two, add_one)
result = composed_func(3)  # ((3 + 1) * 2) ** 2 = 64
print(result)

性能考虑

1. 生成器vs列表

import time

# 列表推导式
start = time.time()
squares_list = [x ** 2 for x in range(1000000)]
list_time = time.time() - start

# 生成器表达式
start = time.time()
squares_gen = (x ** 2 for x in range(1000000))
gen_time = time.time() - start

print(f"列表推导式时间: {list_time:.4f}秒")
print(f"生成器表达式时间: {gen_time:.4f}秒")

# 内存使用
import sys
print(f"列表大小: {sys.getsizeof(squares_list)}")
print(f"生成器大小: {sys.getsizeof(squares_gen)}")

2. 缓存优化

from functools import lru_cache

# 使用缓存优化递归函数
@lru_cache(maxsize=128)
def fibonacci(n):
    if n < 2:
        return n
    return fibonacci(n-1) + fibonacci(n-2)

# 测试性能
import time

start = time.time()
result = fibonacci(35)
end = time.time()

print(f"fibonacci(35) = {result}")
print(f"执行时间: {end - start:.4f}秒")

写在最后

函数式编程不仅仅是编程范式,更是一种思维方式。它强调:

  1. 不可变性:避免状态变化带来的复杂性
  2. 纯函数:可预测、可测试、可并行
  3. 函数组合:通过简单函数的组合解决复杂问题
  4. 声明式:描述"做什么"而不是"怎么做"

Python虽然不是纯函数式语言,但它提供了丰富的函数式编程工具。掌握这些工具,我们能够:

  • 写出更简洁、更可读的代码
  • 提高代码的可测试性和可维护性
  • 利用函数式编程的优势解决特定问题
  • 在面向对象和函数式编程之间找到平衡

记住:函数式编程不是银弹,但它是一个强大的工具。在合适的场景下使用,能让我们的代码更加优雅和高效。

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