Python中的装饰器原理与应用

题目描述
装饰器（Decorator）是Python中一种高级语法特性，它允许在不修改原函数代码的情况下，为函数或类添加额外的功能（如日志记录、权限校验、性能监控等）。请解释装饰器的工作原理，并举例说明其具体应用场景。

1. 装饰器的基本概念

装饰器的本质是一个高阶函数，它接收一个函数作为参数，并返回一个新的函数（或可调用对象）。其核心思想是函数是第一类对象，即函数可以被赋值、传递或作为返回值。

关键点：

• Python中函数可以嵌套定义（闭包），内部函数可以访问外部函数的变量。
• 通过@decorator_name语法糖，将装饰器应用到目标函数上。

2. 装饰器的实现步骤

步骤1：定义一个简单的装饰器

以下是一个统计函数执行时间的装饰器示例：

import time

def timer_decorator(func):  # 接收原函数作为参数
    def wrapper(*args, **kwargs):  # 内部函数，支持任意参数
        start_time = time.time()
        result = func(*args, **kwargs)  # 调用原函数
        end_time = time.time()
        print(f"{func.__name__} 执行耗时: {end_time - start_time:.2f}秒")
        return result  # 返回原函数的执行结果
    return wrapper  # 返回新函数

# 使用装饰器
@timer_decorator
def example_function(n):
    time.sleep(n)
    return "完成"

# 调用函数
example_function(2)

运行结果：

example_function 执行耗时: 2.00秒

步骤2：理解装饰器语法糖的作用

@timer_decorator 等价于以下代码：

def example_function(n):
    time.sleep(n)
    return "完成"

example_function = timer_decorator(example_function)  # 手动替换原函数

3. 装饰器的进阶用法

（1）带参数的装饰器

若装饰器本身需要参数（如设置日志级别），需再嵌套一层函数：

def repeat(n):  # 外层函数接收装饰器参数
    def decorator(func):  # 中层接收被装饰函数
        def wrapper(*args, **kwargs):
            for i in range(n):
                result = func(*args, **kwargs)
                print(f"第{i+1}次执行结果: {result}")
            return result
        return wrapper
    return decorator

@repeat(3)  # 重复执行3次
def greet(name):
    return f"Hello, {name}"

greet("Alice")

输出：

第1次执行结果: Hello, Alice  
第2次执行结果: Hello, Alice  
第3次执行结果: Hello, Alice  

（2）保留原函数的元信息

装饰器会覆盖原函数的__name__、__doc__等属性，需使用functools.wraps修复：

from functools import wraps

def timer_decorator(func):
    @wraps(func)  # 保留原函数的元信息
    def wrapper(*args, **kwargs):
        # ... 同上
        return result
    return wrapper

（3）类装饰器

通过实现__call__方法，类也可以作为装饰器：

class CountCalls:
    def __init__(self, func):
        self.func = func
        self.call_count = 0

    def __call__(self, *args, **kwargs):
        self.call_count += 1
        print(f"函数已被调用 {self.call_count} 次")
        return self.func(*args, **kwargs)

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

say_hello()  # 输出：函数已被调用 1 次  
say_hello()  # 输出：函数已被调用 2 次  

4. 装饰器的应用场景

1. 日志记录：自动记录函数调用参数和返回值。
2. 权限校验：检查用户权限后再执行函数（如Web框架中的@login_required）。
3. 缓存：缓存函数结果以避免重复计算（如functools.lru_cache）。
4. 性能测试：统计函数执行时间（如示例中的timer_decorator）。

5. 总结

• 装饰器基于闭包和函数式编程实现，是Python的元编程特性之一。
• 通过@语法糖简化调用，但本质是函数替换。
• 注意装饰器嵌套时的执行顺序（从下往上）。
• 实际开发中应使用functools.wraps保留原函数信息。