為什么 Python 的 f-string 可以連接字符串與數(shù)字？
作者：豌豆花下貓
來源：Python貓
本文出自“Python為什么”系列，歸檔在 Github 上：https://github.com/chinesehuazhou/python-whydo
毫無疑問，Python 是一門強(qiáng)類型語言。強(qiáng)類型語言。強(qiáng)類型語言！
這就意味著，不同類型的對(duì)象通常需要先做顯式地類型轉(zhuǎn)化， 然后才能進(jìn)行某些操作。
下面以字符串和數(shù)字為例，看看強(qiáng)行操作會(huì)產(chǎn)生什么結(jié)果：
>>>?"Python貓"?+?666
Traceback?(most?recent?call?last):
??File?"" ,?line?1,?in?
TypeError:?can?only?concatenate?str?(not?"int")?to?str
它報(bào)類型錯(cuò)誤了（TypeError），說字符串只能連接（concatenate）字符串，不能連接 int 類型。 這正是強(qiáng)類型語言的基本約束。
但是，如果我們先把數(shù)字“轉(zhuǎn)化”成字符串類型，再執(zhí)行“+”操作，就不會(huì)報(bào)錯(cuò)了：
>>>?"Python貓"?+?str(666)
'Python貓666'
上面的這個(gè)例子，對(duì)讀者們來說，應(yīng)該并不難理解。
由此，我們要引出一個(gè)問題：如何在不作顯式類型轉(zhuǎn)化的情況下，進(jìn)行字符串與數(shù)字類型的拼接呢？
在《詳解Python拼接字符串的七種方式》這篇文章中，它梳理了七種拼接字符串的寫法，我們可以逐個(gè)來試驗(yàn)一下。
幾種字符串拼接方式：
1、格式化類：%、format()、template
2、拼接類：+、()、join()
3、插值類：f-string
為了節(jié)省篇幅，此處直接把可以順利拼接的 4 種寫法羅列如下：
>>>?"%s?%d"?%?("Python貓",?666)
'Python貓?666'
>>>?from?string?import?Template
>>>?s?=?Template('${s1}${s2}')
>>>?s.safe_substitute(s1='Python貓',s2=666)
'Python貓666'
>>>?"Python貓{}".format(666)
'Python貓666'
>>>?num?=?666
>>>?f"Python貓{num}"
'Python貓666'
第一種寫法（即 % 格式化）來自古老的 C 語言，其中的“%d”是一個(gè)占位符，表示它將要接收一個(gè)整數(shù)，并格式化成字符串。
第二和第三種寫法，它們是第一種寫法的升級(jí)版，不同的是，它們的占位符是通用型的，不必指定“%s”、“%d”等等明確的類型。這兩種寫法中，數(shù)字類型的參數(shù)被傳給特定的格式化方法（即 safe_substitute 與 format），在這些方法的內(nèi)部，它們會(huì)作類型轉(zhuǎn)化處理。
可以說，上述三種寫法都不難理解，它們的意圖都有跡可循。
但是，現(xiàn)在再看看最后一種寫法，也就是 f-string 寫法，似乎就不是那么明顯了。
首先，在字符串內(nèi)部，它并沒有像“%格式化”那樣指定占位符的類型；其次，所要拼接的數(shù)字并沒有作為任何函數(shù)的參數(shù)來傳遞。
也就是說，在明面上根本看不出任何要作類型轉(zhuǎn)化的意圖。但是，由于我們已知 Python 是強(qiáng)類型語言，已知數(shù)字類型絕對(duì)不可能直接拼接到字符串里，因此，只能說明 f-string 語法在底層作了某種類型轉(zhuǎn)化的操作！
那么，我們就可以再提出一個(gè)新的問題：f-string 語法在處理字符串與數(shù)字時(shí)，是如何實(shí)現(xiàn)數(shù)字的類型轉(zhuǎn)化的呢？
也許有的讀者會(huì)猜想它是調(diào)用了內(nèi)置的 str() 或 repr()（或它們對(duì)應(yīng)的魔術(shù)方法__str__() 與 __repr__()），從而實(shí)現(xiàn)類型轉(zhuǎn)化，但是，答案并沒有如此簡單！
f-string 語法是在 Python 3.6 版本引入的。為了省事，我們直接找到 PEP-498 文檔，在里面查閱看是否有關(guān)于實(shí)現(xiàn)原理的線索。
文檔地址：https://www.python.org/dev/peps/pep-0498
PEP 里提到f-string 的語法格式是這樣的：
f'?{??or ?!a>??} ??...'
其中，花括號(hào)里的內(nèi)容就是要作格式化的內(nèi)容，除去可選的“optional”部分后，“expression”部分就是真正要處理的內(nèi)容。對(duì)應(yīng)前文的例子，數(shù)字 666 就是一個(gè) expression。
expression 會(huì)按 __format__ 協(xié)議進(jìn)行格式化，但是并不會(huì)直接調(diào)用 __format__() 這個(gè)方法。
文檔上指出，實(shí)際的執(zhí)行過程等效于type(value).__format__(value, format_spec)或者?format(value, format_spec) 。
事實(shí)上，字符串對(duì)象的 foramt() 方法跟 Python 內(nèi)置的 foramt() 函數(shù)，它們都會(huì)調(diào)用__format__() 魔術(shù)方法，所以，f-string 其實(shí)是前文中 format() 格式化寫法的升級(jí)版。
在默認(rèn)情況下，format_spec 是一個(gè)空字符串，而format(value, "") 的效果等同于str(value) ，因此，在不指定其它 format_spec 的情況下，可以簡單地認(rèn)為 f-string 就是調(diào)用了 str() 來作的類型轉(zhuǎn)化……
至此，我們看到了 f-string 的實(shí)現(xiàn)原理，明白了它在拼接字符串與數(shù)字時(shí)，效果等效于前文的 format() 格式化方法，也等效于使用 str() 進(jìn)行類型轉(zhuǎn)化。
參考：https://github.com/chinesehuazhou/python-whydo
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