第四章 函数的魔法

第四章 函数的魔法

4.1 重新认识函数

我们先不谈 Python 中的函数定义,因为将定义放在章节的首要位置,这明显就是懒得把事情讲明白的做法,相信你在阅读其他教材时对这点也深有体会。而我要说的是,经过第一章的阅读与训练,其实你早已掌握了函数的用法:

通过观察规律其实不难发现,Python 中所谓的使用函数,就是把你要处理的对象放到一个名字后面的括号里。简单来说,函数就是这么使用的,往里面塞东西就可以得到处理结果。这样的函数在 Python 中还有这些:

以最新的3.50版本为例,一共存在68个这样的函数,它们被统称为内建函数(Built-in Functions)。之所以被称为内建函数,并不是因为还有“外建函数”这个概念,内建的意思是在3.50版本安装完成后,你就可以使用这些函数,是“自带”的而已。千万不要被这些术语搞晕了头,往后学习我们还能看见更多这样的术语,因为在一个专业领域内,为了表达准确和高效,往往会使用专业术语来表达,其实都是很简单的概念。

不必急着把这些函数是怎么用的都搞明白,其中一些内建函数很实用,但是另外一些就不常用,比如涉及字符编码的函数 ascii(),bin(),chr()等等,这些都是相对底层的编程设计中才会使用到的函数,在你深入到一定程度的时候才会派上用场。

附上 Python 官网中各个函数的介绍,有兴趣深入了解的话可以看一眼。

4.2 开始创建函数

我们需要学会使用已有的函数,更需要学会创建新的函数。自带的函数数量是有限的,想要让 Python 帮助我们做更多的事情,就要自己设计符合使用需求的函数。创建函数也很简单,其实我们在多年前的初中课堂上早已掌握了其原理。

先试着在命令行/终端中进入 Python 环境,输入这样的公式:

看着有点眼熟吧?第一个是数学的梯形计算公式,第二个是物理的摄氏度与华氏度的转换公式。

函数是编程中最基本的魔法,但同时一切的复杂又都隐含其中。它的原理和我们学习的数学公式相似,但是并不完全一样,等到后面你就知道为什么这么说了,这里面先介绍几个常见的词:

  • def(即 define,定义)的含义是创建函数,也就是定义一个函数。
  • arg (即 argument,参数)有时你还能见到这种写法:parameter,二者都是参数的意思但是稍有不同,这里不展开说了。
  • return 即返回结果。 好,现在我们读一遍咒语:Define a function named ‘function’ which has two arguments : arg1 and arg2,returns the result——‘Something’ 是不是很易读很顺畅?代码的表达比英文句子更简洁一点:

需要注意的是:

  • defreturn 是关键字(keyword),Python 就是靠识别这些特定的关键字来明白用户的意图,实现更为复杂的编程。像这样的关键字还有一些,在后面的章节中我们会细致讲解。

  • 闭合括号后面的冒号必不可少,而且非常值得注意的是你要使用英文输入法进行输入,否则就是错误的语法,如果你在 IDE 中输入中文的冒号和括号,会有这样的错误提示:

  • 如果在IDE中冒号后面回车(换行),你会自动地得到一个缩进。函数缩进后面的语句被称作是语句块(block),缩进是为了表明语句和逻辑的从属关系,是 Python 最显著的特征之一。很多初学者会忽视缩进问题,导致代码无法成功运行,需要特别注意。

现在我们看一下之前提到的摄氏度转化公式,按照上面定义函数的方法来实现一遍。我们把摄氏度转化定义为函数 fahrenheit_Converter() ,那么将输入进去的必然是摄氏度(Celsius)的数值,我们把 C 设为参数,最后返回的是华氏度(fahrenheit)的数值,我们用下面的函数来表达,输入代码:

def fahrenheit_converter(C):
     fahrenheit = C * 9/5 + 32
     return str(fahrenheit) + '˚F'

注:计算的结果类型是float,不能与字符串“ºF”相合并,所以需要先用str()函数进行转换

输入完以上代码后,函数定义完成,那么我们开始使用它。我们把使用函数这种行为叫做“调用”(call),你可以简单地理解成你请求 Python 帮你去做一件事情,就像是我们之前学习到的函数 len()一样:“请帮我测量这个(对象)的长度,并将结果打印出来。”

lyric_length = len('I Cry Out For Magic!')
print(lyric_length)

就像我们使用 len() 函数一样,下面这段代码意味着——“请使用摄氏度转换器将35摄氏度转换成华氏度,将结果储存在名为 C2F 的变量并打印出来。”这样我们就完成了函数的调用同时打印了结果。

C2F = fahrenheit_converter(35)
print(C2F)

对应的结果应该是 95.0°F ,你可以找一个摄氏度转换器计算一下,下面是我使用 Mac 自带的 Spotlight 的计算结果。

好,到了这里函数的定义和基本用法你就已经了解,在很长一段时间内你知道上面所讲的这些内容就基本够用了,但为了让你在深入使用函数的时候不产生困惑和挣扎,接下来我们试着解决一个更复杂的问题。

我们把刚才的函数按照如下进行修改:

def fahrenheit_converter(C):
     fahrenheit = C * 9/5 + 32
     print(str(fahrenheit) + '˚F')

怎么样?看上去很相似吧?没错,我们仅仅就是把最后一行的 return 换成了 print 函数,一个很小的改动,而且似乎 IDE 也并没有对语法进行报错预警,那么我们来试一下调用函数会是什么情况吧:

C2F = fahrenheit_converter(35)
print(C2F)

运行起来的结果是这样的:

95.0˚F 
None

为什么会这样?

其实,得到这样的结果是因为 print 是一个函数,并非关键字(如果你的print不是函数那说明你的版本还停留在2.x系列,现在就赶紧安装3.0以上的版本!)。如果你足够细心的话可以发现,在 IDE 中,虽说 printreturn 它们都是蓝色,但实际是有区分的:一个是正常体,一个是斜体。return 作为关键字在函数中起到了返回值的作用,而 print 顾名思义,只是在函数中展示给我们打印的结果,是为人类设计的函数。因此上面的 95.0ºF 实际上是调用函数后产生的数值,而下面的 None 正是此时变量 C2F 中所被返回到的数值——什么都没有,就因为没有关键字 return 。这就好比你对着一个人喊了一声他的名字(call),他只是“哎”地回应你一声,这是因为你并没有告诉他该做什么(return)。

没有 return 也没关系,不代表没有用,在 Python 中 return 是可选的(optional),这意味着你可以不用写 return 也可以顺利地定义一个函数并使用,只不过返回值是 ‘None’ 罢了。在后面我们还能见到不同使用方式的函数,这里只需要记住函数的基本设定即可。

在前面我们提到过,定义一个函数是使用 def(define),同时我们还能在各种教材不同版本的翻译中看到声明(declare)这个词,我们不难推测,从表达的目的上来说他们是一样的,但对于有其他语言基础的人来说,这两个词意味着两种不同的行为。其实没关系,在 Python 中 definition 和 declaration 是一体的,在这里说明仅仅是为了解答此困惑,深究则无意。

练习题

一、初级难度:设计一个重量转换器,输入以“g”为单位的数字后返回换算成“kg”的结果。

二、中级难度:设计一个求直角三角形斜边长的函数(两条直角边为参数,求最长边) 如果直角边边长分分别为3和4,那么返回的结果应该像这样:

The right triangle third side's length is 5.0

建议你动手练习一次,然后在微信公众号中回复 函数 获得答案,微信公众号是:easypython

4.3 传递参数与参数类型

前面大刀阔斧地说了关于函数定义和使用,在这一节我们谈论一些细节但是重要的问题一一参数。对于在一开始就设定了必要参数的函数来说,我们是通过打出函数的名称并向括号中传递参数实现对函数的调用(call),即只要把参数放进函数的括号中即可,就像是这样:

fahrenheit_converter(35)
fahrenheit_converter(15)
fahrenheit_converter(0)
fahrenheit_converter(-3)

事实上,传递参数的方式有两种:

现在从似乎被我们遗忘的梯形的数学公式开始入手,首先还是创建函数。

我们把函数的名称定为 trapezoid_area,也就是梯形面积,设定参数为 base_up(上底),base_down(下底),height(高),每一个都用英文输入法的逗号隔开。梯形的面积需要知道这三个值才能求得,因此对于构造梯形面积的函数来说,这三个参数缺一不可。

def trapezoid_area(base_up, base_down, height):
     return 1/2 * (base_up + base_down) * height

接下来我们开始调用函数。

trapezoid_area(1,2,3)

不难看出,填入的参数 123 分别对应着参数 base_upbase_downheight。 这种传入参数的方式被称作为位置参数

接着是第二种传入方式:

trapezoid_area(base_up=1, base_down=2, height=3)

更直观地,在调用函数的时候,我们将每个参数名称后面赋予一个我们想要传入的值。这种以名称作为一一对应的参数传入方式被称作是关键词参数

想一想去餐厅预约与就餐的流程:找到你预约的座位一般是用你留下的姓名,你就是一个参数,你会被按照姓名的方式传入你预定的座位,这个就是关键词参数传入;接下来是上菜,菜品按照你的座位号的方式来传入你的桌子,而这就相当于是位置传入参数。

也许你现在想不太明白这种传入方式有何作用,没有关系,后面我们会和其他知识一并进行讲解,到那时你就会对参数的传入方式有更高层次的认识。

避免混乱的最好方法就是先制造混乱,我们试着解决一个更复杂的问题,按照下面几种方式调用函数并打印结果:

trapezoid_area(height=3, base_down=2, base_up=1)   # RIGHT!
trapezoid_area(height=3, base_down=2, 1)           # WRONG!
trapezoid_area(base_up=1, base_down=2, 3)          # RIGHT!
trapezoid_area(1, 2, height=3)                     # RIGHT!
  • 第一行的函数参数按照反序传入,因为是关键词参数,所以并不影响函数正常运作;
  • 第二行的函数参数反序传入,但是到了第三个却变成了位置参数,遗憾的是这种方式是错误的语法,因为如果按照位置来传入,最后一个应该是参数 height 的位置。 但是前面 height 已经按照名称传入了值3,所以是冲突的。
  • 第三行的函数参数正序传入,前两个是以关键词的方式传入,最后一个以位置参数传入,这个函数是可以正常运行的;
  • 第四行的函数参数正序传入,前两个是以位置的方式传入,最后一个以关键词参数传入,这个函数是可以正常运行的。

注:正确运行的结果应该是4.5,也就是这个梯形的面积。

我们现在给一组变量赋值,然后再调用函数:

base_up = 1
base_down = 2
height = 3

trapezoid_area(height, base_down, base_up)

然而这次函数调用的结果应该是2.5,为什么?

如果你有这样的困惑,说明你已经被参数的命名和变量的命名搞晕,我们来把这两者区分清晰。首先,我们在定义函数的时候会定义参数的名称,其作用是使用函数时指导我们传入什么参数,它们从哪里来,是什么类型等,提供与使用函数相关的上下文。下面这段代码也许能够帮助你摆脱函数来自参数名称的困扰:

def flashlight (battery1, battery2):
    return 'Light!'

我们定义一个叫做手电筒(flashlight)的函数,它需要两个参数 battery1battery2 意为电池。这时候你去商店买电池,买回了两节600毫安时的南孚电池,于是:

nanfu1 = 600
nanfu2 = 600

flashlight(nanfu1, nanfu2)

看明白了吗?南孚是电池的一种,是可以让手电筒发光的东西,将南孚电池放入就意味着我们放入了手电筒所需的电池,换句话说,nanfu1nanfu2 是变量,同时也是满足能够传入的函数的 flashlight 函数的参数,传入后就代替了原有的 battery1battery2 且传入方式仍旧是位置参数传入。battery1battery2 只是形式上的的占位符,表达的意思是函数所需的参数应该是和电池即 battery 有关的变量或者是对象。

你看到的这个魔法就是我们将要提到的神奇的默认参数。默认参数是可选的,这意味着即使你上来不给它传入什么东西,函数还是可以正常运作。

你只需要这样输入代码:

def trapezoid_area(base_up, base_down, height=3):
     return 1/2 * (base_up + base_down) * height

给一个参数设定默认值非常简单,我们只需要在定义参数的时候给参数赋值即可。这个也许跟传入参数的方式有点像,但是千万别记混了!这可是在定义的时候做的事情!这样一来,我们只需要传入两个参数就可以正常进行了:

trapezoid_area(1, 2)

你肯定会疑惑,如果设定默认值的话,那么所有梯形的高岂不是都固定成3了啊? 然而并没有,默认值的理念就是让使用函数尽可能的简单、省力。正如同我们安装软件都会有默认目录,但是如果你又想安装在其他地方,你可以选择自定义修改。之前看到的 print 函数的小把戏也正是如此,print 的可选参数 sep(意为每个打印的结果以…分开)的默认值为‘ ’空格,但是我们将其重新传入‘/n’也就是换行的意思,一句话说,也就是将每个打印的数以换行符号进行分割。下面我们来调用自己的参数:

trapezoid_area(1, 2, height=15)

只需要传入我们想要的值就可以了,就是这么简单。

默认值并非是你掌握参数使用的必要知识,却是能帮助我们节省时间的小技巧。在实际项目中也经常会看见这样:

requests.get(url, headers=header)

注:请求网站时 header,可填可不填

img.save(img_new, img_format, quality=100)

注:给图片加水印的时候,默认的水印质量是100

4.4 设计自己的函数

到了这里,我们应该可以十分有自信地设计一个符合自己项目需求的函数了,我们将上面各种所有知识进行整合,来设计一个简易的敏感词过滤器,不过在这之前,先来认识一个新的函数一一open

这个函数使用起来很简单,只需要传入两个参数就可以正常运转了:文件的完整路径和名称,打开的方式。

先在桌面上创建一个名为 text.txt 的文件。Windows 用户在桌面点击右键唤出菜单创建即可,Mac 用户则打开 Pages 创建文件后点击导出格式选择 txt 格式即可。现在我们使用 open 函数打开它:

open('/Users/Hou/Desktop/text.txt')

如果是 Windows 用户,应该像这样写你的路径:

open('C://Users/Hou/Desktop/')

如果你照着代码敲入的话其实这时候文件应该已经是打开的了,但是……貌似我们看不出来,所以,我们再认识一个新的方法一一write 。在第一章我们已经提到过如何使用方法(如果你现在困惑函数和方法到底是什么关系的话,为了顺利地往后进行,我可以告诉你方法就是函数的一种,只不过在不同的位置而已,使用原理和函数非常相似),在这里我们就照抄第三章的 replace 用法来学着使用 write 方法:

file = open('/Users/Hou/Desktop/text.txt','w')
file.write('Hello World')

写完后我们运行程序看看效果:

掌握了 open 与 write 的基本用法之后,我们就可以开始着手设计函数了,需求是这样的:传入参数 name 与 msg 就可以在桌面写入文件名称和内容的函数text_create,并且如果当桌面上没有这个可以写入的文件时,就要创建一个之后再写入。现在我们开搞吧!

def text_create(name, msg):   
    desktop_path = '/Users/Hou/Desktop/'    
    full_path = desktop_path + name + '.txt' 
    file = open(full_path,'w')             
    file.write(msg) 
    file.close() 
    print('Done')
text_create('hello','hello world') # 调用函数

我们来逐行解释这段代码。

  • 第一行:定义函数的名称和参数;
  • 第二行:我们在最开始知道,open 函数要打开一个完整的路径,所以首先是桌面路径;
  • 第三行:我们给文件起什么名字,就是要传入的参数加上桌面路径再加上后缀就是完整的文件路径了;
  • 第四行:打开文件,'w'参数代表作为写入模式,意思是:如果没有就在该路径创建一个有该名称文本,有则追加覆盖文本内容;
  • 第五行:写入传入的参数 msg,即内容;
  • 第六行:关闭文本。

这样一来敏感词过滤器的第一部分我们就完成了。顺带一提,这个函数就是我们在前面提及到的并不需要 return 也能发挥作用的函数,最后的 print 仅仅是为了表明上面的所有语句均已执行,一个提示而已。接下来我们实现第二部分,敏感词过滤,需求是这样的:定义一个为函数 text_filter 的函数,传入参数 word,cencored_word 和 changed_word实现过滤,敏感词 cencored_word默认为‘lame’,替换词 changed_word 默认为‘Awesome’。现在继续:

def text_filter(word,censored_word = 'lame',changed_word = 'Awesome'):
    return word.replace(censored_word, changed_word)
text_filter('Python is lame!')     # 调用函数

这个函数就简单的多了,第一行我们按照设定默认参数的方式来定义函数,第二行直接返回使用 replace 处理后的结果。现在两个函数均已完成,本着低风险的原则,你可以尝试调用一下函数看看返回结果。

现在我们试着解决一个更复杂的问题,把两个函数进行合并:创建一个名为 text_censored_create 的函数,功能是在桌面上创建一个文本,可以在其中输入文字, 但是如果信息中含有敏感词的话将会被默认过滤后写入文件。其中文本的文件名参数为 name,信息参数为 msg,你可以先试着自己写一下,写完了再对照看下:

def censored_text_create(name, msg):
    clean_msg = text_filter(msg)
    text_create(name,clean_msg)
censored_text_create('Try','lame!lame!lame!') # 调用函数

我们使用第一个函数,将传入的 msg 进行过滤后储存在名为 clean_msg 的变量中,再将传入的 name 文件名参数和过滤好的文本 clean_msg 作为参数传入函数 text_create 中,结果我们会得到过滤后的文本。

完成之后,你就会得到一个文本过滤器了!

本章只是借助数学阐明了函数的运作方式而已,但是如果你确实需要解决许多数学上的问题,可以参考以下表格,至于怎么用,多尝试就知道了。一定要敢于尝试,反正电脑也不会因为你的一行代码爆炸。

假设 a=10, b=20,则运算示例如下:

图像说明文字