Python装饰器详解：从基础到高级应用

装饰器(Decorators)是Python中一个非常强大且优雅的特性，它允许开发者在不修改原始函数代码的情况下，为函数添加额外的功能。本文将带你全面理解装饰器的工作原理和实际应用场景。

装饰器基础概念

Python中的函数本质

理解装饰器前，需要明白Python中函数的几个重要特性：

1. 函数是一等公民：函数可以像普通变量一样被赋值、传递
2. 函数可以嵌套定义：在一个函数内部可以定义另一个函数
3. 函数可以作为返回值：函数可以返回另一个函数

def outer_func():
    def inner_func():
        return "内部函数"
    return inner_func

new_func = outer_func()
print(new_func())  # 输出: "内部函数"

装饰器的工作原理

装饰器本质上是一个高阶函数，它接受一个函数作为参数，并返回一个新的函数。最常见的装饰器使用方式是使用@符号：

def my_decorator(func):
    def wrapper():
        print("执行前操作")
        func()
        print("执行后操作")
    return wrapper

@my_decorator
def say_hello():
    print("Hello!")

say_hello()

输出结果：

执行前操作
Hello!
执行后操作

解决装饰器的元信息问题

使用装饰器时，原始函数的__name__、__doc__等元信息会被替换为装饰器内部函数的元信息。为了解决这个问题，Python提供了functools.wraps装饰器：

from functools import wraps

def preserve_metadata(func):
    @wraps(func)
    def wrapper(*args, **kwargs):
        """包装函数的文档字符串"""
        return func(*args, **kwargs)
    return wrapper

@preserve_metadata
def example():
    """原始函数的文档字符串"""
    pass

print(example.__name__)  # 输出: "example"
print(example.__doc__)   # 输出: "原始函数的文档字符串"

装饰器的实际应用场景

1. 授权检查

在Web开发中，装饰器常用于权限验证：

from functools import wraps

def requires_auth(f):
    @wraps(f)
    def decorated(*args, **kwargs):
        if not current_user.is_authenticated:
            return "请先登录"
        return f(*args, **kwargs)
    return decorated

@requires_auth
def profile_page():
    return "个人资料页面"

2. 日志记录

装饰器可以方便地记录函数执行情况：

def log_activity(func):
    @wraps(func)
    def wrapper(*args, **kwargs):
        print(f"开始执行: {func.__name__}")
        result = func(*args, **kwargs)
        print(f"完成执行: {func.__name__}")
        return result
    return wrapper

3. 性能测试

测量函数执行时间：

import time

def timing(func):
    @wraps(func)
    def wrapper(*args, **kwargs):
        start = time.time()
        result = func(*args, **kwargs)
        end = time.time()
        print(f"{func.__name__} 执行时间: {end-start:.2f}秒")
        return result
    return wrapper

高级装饰器技巧

带参数的装饰器

装饰器本身也可以接受参数，这需要额外的一层嵌套：

def repeat(num_times):
    def decorator(func):
        @wraps(func)
        def wrapper(*args, **kwargs):
            for _ in range(num_times):
                result = func(*args, **kwargs)
            return result
        return wrapper
    return decorator

@repeat(num_times=3)
def greet(name):
    print(f"Hello {name}")

greet("World")

类装饰器

除了函数，类也可以作为装饰器使用：

class CountCalls:
    def __init__(self, func):
        self.func = func
        self.num_calls = 0

    def __call__(self, *args, **kwargs):
        self.num_calls += 1
        print(f"调用次数: {self.num_calls}")
        return self.func(*args, **kwargs)

@CountCalls
def say_hello():
    print("Hello!")

say_hello()  # 输出: 调用次数: 1 → Hello!
say_hello()  # 输出: 调用次数: 2 → Hello!

多个装饰器叠加

装饰器可以叠加使用，执行顺序是从下往上：

@decorator1
@decorator2
@decorator3
def func():
    pass

# 等价于
func = decorator1(decorator2(decorator3(func)))

装饰器最佳实践

1. 保持装饰器简单：每个装饰器应该只负责一个功能
2. 使用functools.wraps：保留原始函数的元信息
3. 考虑性能影响：装饰器会增加额外的函数调用开销
4. 文档化装饰器：说明装饰器的用途和效果
5. 避免过度使用：只在确实需要增强函数行为时使用

装饰器是Python中非常强大的工具，掌握它们可以让你写出更加简洁、优雅和可维护的代码。通过本文的学习，你应该已经具备了在实际项目中使用装饰器的能力。