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  • Python实用笔记 (12)函数式编程——高阶函数

    函数式编程的一个特点就是,允许把函数本身作为参数传入另一个函数,还允许返回一个函数!

    Python对函数式编程提供部分支持。由于Python允许使用变量,因此,Python不是纯函数式编程语言。

    变量可以指向函数

    >>> f = abs
    >>> f(-10)
    10
    

    成功!说明变量f现在已经指向了abs函数本身。直接调用abs()函数和调用变量f()完全相同。

    注:由于abs函数实际上是定义在import builtins模块中的,所以要让修改abs变量的指向在其它模块也生效,要用import builtins; builtins.abs = 10

    传入函数

    既然变量可以指向函数,函数的参数能接收变量,那么一个函数就可以接收另一个函数作为参数,这种函数就称之为高阶函数。

    一个最简单的高阶函数:

    def add(x, y, f):
        return f(x) + f(y)
    

    当我们调用add(-5, 6, abs)时,参数xyf分别接收-56abs,根据函数定义,我们可以推导计算过程为:

    x = -5
    y = 6
    f = abs
    f(x) + f(y) ==> abs(-5) + abs(6) ==> 11
    return 11
    

    (函数形参可以是函数,此函数称之为高阶函数)

    map/reduce

    map()函数接收两个参数,一个是函数,一个是Iterablemap将传入的函数依次作用到序列的每个元素,并把结果作为新的Iterator返回。

    比如我们有一个函数f(x)=x2

    >>> def f(x):
    ...     return x * x
    ...
    >>> r = map(f, [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9])
    >>> list(r)
    [1, 4, 9, 16, 25, 36, 49, 64, 81]

    map()传入的第一个参数是f,即函数对象本身。由于结果r是一个IteratorIterator是惰性序列,因此通过list()函数让它把整个序列都计算出来并返回一个list。

    比如,把这个list所有数字转为字符串:

    >>> list(map(str, [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9]))
    ['1', '2', '3', '4', '5', '6', '7', '8', '9']
    

    再看reduce的用法。reduce把一个函数作用在一个序列[x1, x2, x3, ...]上,这个函数必须接收两个参数,reduce把结果继续和序列的下一个元素做累积计算,其效果就是:

    reduce(f, [x1, x2, x3, x4]) = f(f(f(x1, x2), x3), x4)
    

    比方说对一个序列求和,就可以用reduce实现:

    >>> from functools import reduce
    >>> def add(x, y):
    ...     return x + y
    ...
    >>> reduce(add, [1, 3, 5, 7, 9])
    25
    

    当然求和运算可以直接用Python内建函数sum(),没必要动用reduce

    但是如果要把序列[1, 3, 5, 7, 9]变换成整数13579reduce就可以派上用场:

    >>> from functools import reduce
    >>> def fn(x, y):
    ...     return x * 10 + y
    ...
    >>> reduce(fn, [1, 3, 5, 7, 9])
    13579
    

    这个例子本身没多大用处,但是,如果考虑到字符串str也是一个序列,对上面的例子稍加改动,配合map(),我们就可以写出把str转换为int的函数:

    >>> from functools import reduce
    >>> def fn(x, y):
    ...     return x * 10 + y
    ...
    >>> def char2num(s):
    ...     digits = {'0': 0, '1': 1, '2': 2, '3': 3, '4': 4, '5': 5, '6': 6, '7': 7, '8': 8, '9': 9}
    ...     return digits[s]
    ...
    >>> reduce(fn, map(char2num, '13579'))
    13579
    

    整理成一个str2int的函数就是:

    from functools import reduce
    
    DIGITS = {'0': 0, '1': 1, '2': 2, '3': 3, '4': 4, '5': 5, '6': 6, '7': 7, '8': 8, '9': 9}
    
    def str2int(s):
        def fn(x, y):
            return x * 10 + y
        def char2num(s):
            return DIGITS[s]
        return reduce(fn, map(char2num, s))
    

    还可以用lambda函数进一步简化成:

    from functools import reduce
    
    DIGITS = {'0': 0, '1': 1, '2': 2, '3': 3, '4': 4, '5': 5, '6': 6, '7': 7, '8': 8, '9': 9}
    
    def char2num(s):
        return DIGITS[s]
    
    def str2int(s):
        return reduce(lambda x, y: x * 10 + y, map(char2num, s))
    

    也就是说,假设Python没有提供int()函数,你完全可以自己写一个把字符串转化为整数的函数,而且只需要几行代码!

    filter

    Python内建的filter()函数用于过滤序列。

    map()类似,filter()也接收一个函数和一个序列。和map()不同的是,filter()把传入的函数依次作用于每个元素,然后根据返回值是True还是False决定保留还是丢弃该元素。

    例如,在一个list中,删掉偶数,只保留奇数,可以这么写:

    def is_odd(n):
        return n % 2 == 1
    
    list(filter(is_odd, [1, 2, 4, 5, 6, 9, 10, 15]))
    # 结果: [1, 5, 9, 15]
    

    注意到filter()函数返回的是一个Iterator,也就是一个惰性序列,所以要强迫filter()完成计算结果,需要用list()函数获得所有结果并返回list。

    由于filter()使用了惰性计算,所以只有在取filter()结果的时候,才会真正筛选并每次返回下一个筛出的元素。

    sorted

    Python内置的sorted()函数就可以对list进行排序:

    >>> sorted([36, 5, -12, 9, -21])
    [-21, -12, 5, 9, 36]
    

    此外,sorted()函数也是一个高阶函数,它还可以接收一个key函数来实现自定义的排序,例如按绝对值大小排序:

    >>> sorted([36, 5, -12, 9, -21], key=abs)
    [5, 9, -12, -21, 36]
    

    可以看出,排序按函数输出来排序,显示的结果返回最初值!

    我们再看一个字符串排序的例子:

    >>> sorted(['bob', 'about', 'Zoo', 'Credit'])
    ['Credit', 'Zoo', 'about', 'bob']
    

    默认情况下,对字符串排序,是按照ASCII的大小比较的,由于'Z' < 'a',结果,大写字母Z会排在小写字母a的前面。

    这样,我们给sorted传入key函数,即可实现忽略大小写的排序:

    >>> sorted(['bob', 'about', 'Zoo', 'Credit'], key=str.lower)
    ['about', 'bob', 'Credit', 'Zoo']
    

    要进行反向排序,不必改动key函数,可以传入第三个参数reverse=True

    >>> sorted(['bob', 'about', 'Zoo', 'Credit'], key=str.lower, reverse=True)
    ['Zoo', 'Credit', 'bob', 'about']
    

    从上述例子可以看出,高阶函数的抽象能力是非常强大的,而且,核心代码可以保持得非常简洁。

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