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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)

          共 9905字,需瀏覽 20分鐘

           ·

          2021-01-27 10:26



          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,如果你需要多次重復(fù)相同或類似的代碼,就非常值得寫一個可復(fù)用的函數(shù)。通過給一組Python語句一個函數(shù)名,形成的函數(shù)可以幫助你的代碼更加可讀。



          函數(shù)聲明時使用def關(guān)鍵字,返回時使用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達到函數(shù)的尾部時仍然沒有遇到return語句,就會自動返回None。


          每個函數(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,空的列表會被創(chuàng)建,五個元素被添加到列表,之后a會在函數(shù)退出時被銷毀。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 返回多個值


          當(dāng)我在使用Java和C++編程后第一次使用Python編程時,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)常需要返回多個值。這里實質(zhì)上是返回了一個對象,也就是元組,而元組之后又被拆包為多個結(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()

          在這個例子中,return_value是一個3個元素的元組。像之前那樣一次返回多個值還有一種潛在的、更有吸引力的實現(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',??'Georgia',??'Georgia',??'Florida',??'South?Carolina',??'West Virginia']

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

          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',  'Georgia',  '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)在也具有更強的復(fù)用性、通用性。


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

          In [176]: for x in map(remove_punctuation, states):  .....:        print(x)  Alabama  Georgia  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“我們聲明一個匿名函數(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,因為在很多案例中數(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)進行傳值,比寫一個完整的函數(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自定義操作符傳遞給apply_to_list函數(shù)。


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

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

          這里我們可以將一個匿名函數(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顯式的__name__ 屬性,這是lambda函數(shù)被稱為匿名函數(shù)的一個原因。


          05 柯里化:部分函數(shù)應(yīng)用


          柯里化是計算機科學(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)我們有一個不重要的函數(shù),其功能是將兩個數(shù)加一起:

          def?add_numbers(x,?y):??return x + y

          使用這個函數(shù),我們可以衍生出一個只有一個變量的新函數(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新函數(shù),這個新函數(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的一個重要特性。這個特性是通過迭代器協(xié)議來實現(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)??a???b  c??

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

          In [182]: dict_iterator = iter(some_dict)  In [183]: dict_iterator  Out[183]: 

          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)行并一次返回單個結(jié)果,而生成器則“惰性”地返回一個多結(jié)果序列,在每一個元素產(chǎn)生之后暫停,直到下一個請求。如需創(chuàng)建一個生成器,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)你實際調(diào)用生成器時,代碼并不會立即執(zhí)行:

          In?[186]:?gen?=?squares()??In?[187]:?gen??Out[187]:???

          直到你請求生成器中的元素時,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. 生成器表達式


          生成器表達式來創(chuàng)建生成器更為簡單。生成器表達式與列表、字典、集合的推導(dǎo)式很類似,創(chuàng)建一個生成器表達式,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]:  at 0x7fbbd5ab29e8>  

          上面的代碼與下面更為復(fù)雜的生成器是等價的:

          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)任意的序列和一個函數(shù),通過函數(shù)的返回值對序列中連續(xù)的元素進行分組,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是一個生成器??A?['Alan',?'Adam']??W?['Wes',?'Will']??A?['Albert']??S ['Steven']  

          下表是一些我認為經(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包含所有可能K元組的序列,忽略元素的順序,也不進行替代(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)每一個獨一的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 錯誤和異常處理


          優(yōu)雅地處理Python的錯誤或異常是構(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)  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)運行失敗時可以優(yōu)雅地返回輸入?yún)?shù)。我們可以通過將float函數(shù)寫入一個try/except代碼段來實現(xiàn):

          def attempt_float(x):  try:      return float(x)  except:      return x  

          如果float(x)執(zhí)行時拋出了異常,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)  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,因為TypeError(輸入的不是字符串或數(shù)值)可能表明你的程序中有個合乎語法的錯誤。為了實現(xiàn)這個目的,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)??input-204-9bdfd730cead>?in?<module>()??----> 1 attempt_float((1, 2))  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'  

          你可以通過將多個異常類型寫成元組的方式同事捕獲多個異常(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異常,但是你希望一部分代碼無論try代碼塊是否報錯都要執(zhí)行。為了實現(xiàn)這個目的,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一個腳本或執(zhí)行任何語句報錯時,IPython將會默認打印出完整的調(diào)用堆棧跟蹤(報錯追溯),會將堆棧中每個錯誤點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 ()  13 throws_an_exception()  14  ---> 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()  14  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)  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。


          本文摘編自《利用Python進行數(shù)據(jù)分析》(原書第2版),經(jīng)出版方授權(quán)發(fā)布。


          延伸閱讀《利用Python進行數(shù)據(jù)分析

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          推薦語:適合剛學(xué)Python的數(shù)據(jù)分析師或剛學(xué)數(shù)據(jù)科學(xué)以及科學(xué)計算的Python編程者。閱讀本書可以獲得一份關(guān)于在Python下操作、處理、清洗、規(guī)整數(shù)據(jù)集的完整說明。


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