為什么 Python 的 f-string 可以連接字符串與數(shù)字？

本文出自“Python為什么”系列，歸檔在 Github 上：https://github.com/chinesehuazhou/python-whydo

毫無(wú)疑問(wèn)，Python 是一門(mén)強(qiáng)類(lèi)型語(yǔ)言。強(qiáng)類(lèi)型語(yǔ)言。強(qiáng)類(lèi)型語(yǔ)言?。P(guān)于強(qiáng)弱類(lèi)型話(huà)題，推薦閱讀這篇 技術(shù)科普文）

這就意味著，不同類(lèi)型的對(duì)象通常需要先做顯式地類(lèi)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(lèi)型錯(cuò)誤了（TypeError），說(shuō)字符串只能連接（concatenate）字符串，不能連接 int 類(lèi)型。 這正是強(qiáng)類(lèi)型語(yǔ)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(lèi)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(lái)說(shuō)，應(yīng)該并不難理解。

由此，我們要引出一個(gè)問(wèn)題：如何在不作顯式類(lèi)型轉(zhuǎn)化的情況下，進(jìn)行字符串與數(shù)字類(lèi)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(xiě)法，我們可以逐個(gè)來(lái)試驗(yàn)一下。

幾種字符串拼接方式：

1、格式化類(lèi)：%、format()、template

2、拼接類(lèi)：+、()、join()

3、插值類(lèi)：f-string

為了節(jié)省篇幅，此處直接把可以順利拼接的 4 種寫(xiě)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(xiě)法（即 % 格式化）來(lái)自古老的 C 語(yǔ)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(xiě)法，它們是第一種寫(xiě)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(lèi)型。這兩種寫(xiě)法中，數(shù)字類(lèi)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(lèi)型轉(zhuǎn)化處理。

可以說(shuō)，上述三種寫(xiě)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(xiě)法，也就是 f-string 寫(xiě)法，似乎就不是那么明顯了。

首先，在字符串內(nèi)部，它并沒(méi)有像“%格式化”那樣指定占位符的類(lèi)型；其次，所要拼接的數(shù)字并沒(méi)有作為任何函數(shù)的參數(shù)來(lái)傳遞。

也就是說(shuō)，在明面上根本看不出任何要作類(lèi)型轉(zhuǎn)化的意圖。但是，由于我們已知 Python 是強(qiáng)類(lèi)型語(yǔ)言，已知數(shù)字類(lèi)型絕對(duì)不可能直接拼接到字符串里，因此，只能說(shuō)明 f-string 語(yǔ)法在底層作了某種類(lèi)型轉(zhuǎn)化的操作！

那么，我們就可以再提出一個(gè)新的問(wèn)題：f-string 語(yǔ)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(lèi)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(lèi)型轉(zhuǎn)化，但是，答案并沒(méi)有如此簡(jiǎn)單！

f-string 語(yǔ)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(xiàn)索。

文檔地址：https://www.python.org/dev/peps/pep-0498

PEP 里提到f-string 的語(yǔ)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(guò)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(xiě)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(jiǎn)單地認(rèn)為 f-string 就是調(diào)用了 str() 來(lái)作的類(lèi)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(lèi)型轉(zhuǎn)化。

寫(xiě)在最后：本文屬于“Python為什么”系列（Python貓出品），該系列主要關(guān)注 Python 的語(yǔ)法、設(shè)計(jì)和發(fā)展等話(huà)題，以一個(gè)個(gè)“為什么”式的問(wèn)題為切入點(diǎn)，試著展現(xiàn) Python 的迷人魅力。更多精彩文章，請(qǐng)移步 Github 查看，項(xiàng)目地址：https://github.com/chinesehuazhou/python-whydo