如何用python的装饰器定义一个像C++一样的强类型函数

    Python作为一个动态的脚本语言，其函数在定义时是不需要指出参数的类型，也不需要指出函数是否有返回值。本文将介绍如何使用python的装饰器来定义一个像C++那样的强类型函数。接下去，先介绍python3中关于函数的定义。

0. python3中的函数定义

举个例子来说吧，比如如下的函数定义：

 

 def fun(a:int, b=1, *c, d, e=2, **f) -> str:
      pass

这里主要是说几点与python2中不同的点。

1）分号后面表示参数的annotation，这个annotation可以是任意的python对象，不一定要type类型的，比如 a:"This is parameter a!" 这样也是可以的。

2）在可变位置参数列表c和可变关键字参数字典f中间的参数叫做 指定关键字参数（keyword only parameter），这个关键字的意思是你在函数调用时只能用关键字形式调用。比如调用下面的这个例子，调用fun(1,2)是会报trace的，因为没有指定keyword-only参数，如果调用fun(1,c=2)则不会出错。注意，如果要定义keyword-only参数，那么必须在其前面加一个可变的位置参数。

3）-> 后面的是函数的返回值，属于函数返回值的annotation。

4）虽然函数可以指定参数的annotation，但python对参数的类型还是没有限制的，比如上面的参数a不是说一定要是int类型，比如上面的函数不一定要返回一个str对象。比如下面的例子，fun的参数a可以是字符串，函数也不一定要返回值。

接下去，本文介绍利用inspect.getfullargspec()来定义一个强类型的函数。

1. inspect.getfullargspec()

 

getfullargspec函数返回一个七元组：

args：确定的参数名字列表，这个参数是定义在函数最开始的位置，这里又包括两种类型的参数，有默认参数的和没有默认参数的，并且有默认参数的必须要跟在没有默认参数的后头。

varargs：可变位置参数的名字，这种参数的位置紧接着args后面。

varkw：可变关键字参数，这种参数的位置在最后面。

defaults：确定参数的默认值元组，这个元组的第一个值是最后一个默认参数，也就是于args的排列顺序是相反的，原因嘛，仔细想想应该也就清楚了。

kwonlyargs：指定关键字参数名字，这种类型的参数其实跟args参数一样，只不过这种类型的参数必须跟在可变位置参数后面，可变关键字参数前面。另外，这种参数也分两种，有默认值和无默认值，但是与args参数不同的是有默认值和无默认值的位置没有强制的顺序，因为他们总是要指定关键字的。

kwonlydefaults：指定关键字参数的默认值字典，注意这里与defaults不同的是，defaults是元组，这里是字典，原因当然是因为指定关键字参数的默认值参数顺序不定。

annotations：这个就是参数的annotation字典，包括返回值以及每个参数分号后面的对象。

有了上面这个工具，我们就可以定义一个强类型的函数了。

2. 使用python3的函数annotation来定义强类型的函数装饰器

首先，我们必须得保证参数的annotation以及返回值必须是类型，也就是必须是Type的instance。

这里就是取出函数的annotations，然后验证是不是type的instance。现在我们可以确保所有的annotation都是有效的。接下去就是验证参数的类型是否是annotations里面所指定的type，最简单的想法当然就是看看参数名字是否在annotations中，如果在annotations中的话在看看参数值是不是annotations中指定的type。

看起来似乎非常OK，但我们来看一下这些例子：

>>> @typesafe

... def example(*args:int, **kwargs:str):

...      pass

...

>>> example(spam='eggs')

>>> example(kwargs='spam')

>>> example(args='spam')

Traceback (most recent call last):

...

TypeError: Wrong type for args: expected int, got str.

我们来分析一下出错的原因。首先这个函数的本意应该是希望所有的可变位置参数都是int型，所有的可变关键字参数都是str型。但是example函数的annotations应该是{‘args’: <class ‘int’>, ‘karges’: <class ‘str’>}字典，当取出args参数时发现这个参数名字在annotations中，就断定这个参数的值是int类型，从而导致出错。另外，如果我们调用example(spam=1)也不会出错，这于函数定义时的本意也是不符合的。综上考虑，我们还必须考虑args和kwargs参数所对应的annotation。另外，对于默认参数的类型和返回值也需要进行验证。

 # _*_ coding: utf-8
 import functools
 import inspect
 from itertools import chain

 def typesafe(func):
     """
     Verify that the function is called with the right arguments types and that
     it returns a value of the right type, accordings to its annotations.
     """
     spec = inspect.getfullargspec(func)
     annotations = spec.annotations

     for name, annotation in annotations.items():
         if not isinstance(annotation, type):
             raise TypeError("The annotation for '%s' is not a type." % name)

     error = "Wrong type for %s: expected %s, got %s."
     # Deal with default parameters
     defaults = spec.defaults or ()
     defaults_zip = zip(spec.args[-len(defaults):], defaults)
     kwonlydefaults = spec.kwonlydefaults or {}
     for name, value in chain(defaults_zip, kwonlydefaults.items()):
         if name in annotations and not isinstance(value, annotations[name]):
             raise TypeError(error % ('default value of %s' % name,
                                      annotations[name].__name__,
                                      type(value).__name__))

     @functools.wraps(func)
     def wrapper(*args, **kwargs):
         # Populate a dictionary of explicit arguments passed positionally
         explicit_args = dict(zip(spec.args, args))
         keyword_args = kwargs.copy()
         # Add all explicit arguments passed by keyword
         for name in chain(spec.args, spec.kwonlyargs):
             if name in kwargs:
                 explicit_args[name] = keyword_args.pop(name)

         # Deal with explict arguments
         for name, arg in explicit_args.items():
             if name in annotations and not isinstance(arg, annotations[name]):
                 raise TypeError(error % (name,
                                          annotations[name].__name__,
                                          type(arg).__name__))

         # Deal with variable positional arguments
         if spec.varargs and spec.varargs in annotations:
             annotation = annotations[spec.varargs]
             for i, arg in enumerate(args[len(spec.args):]):
                 if not isinstance(arg, annotation):
                     raise TypeError(error % ('variable argument %s' % (i+1),
                                     annotation.__name__,
                                     type(arg).__name__))

         # Deal with variable keyword argument
         if spec.varkw and spec.varkw in annotations:
             annotation = annotations[spec.varkw]
             for name, arg in keyword_args.items():
                 if not isinstance(arg, annotation):
                     raise TypeError(error % (name,
                                              annotation.__name__,
                                              type(arg).__name__))

         # Deal with return value
         r = func(*args, **kwargs)
         if 'return' in annotations and not isinstance(r, annotations['return']):
             raise TypeError(error % ('the return value',
                                      annotations['return'].__name__,
                                      type(r).__name__))
         return r

     return wrapper

对于上面的代码：

19-27 行比较好理解，就是验证函数定义时，默认参数和annotation是否匹配，如果不匹配的就返回定义错误。

32 行spec.args和args的长度不一定会一样长，如果args的长度比较长，说明多出来的是属于可变位置参数，在46行到52行处理；如果spec.args的位置比较长，说明没有可变位置参数，多出来的已经通过默认值指定了，已经在19-27行处理了。

34-37 行主要是考虑到，1）有一些确定的参数在函数调用时也有可能使用参数名进行调用；2）指定关键字参数必须使用参数名进行调用。

这样处理后，keyword_args中就只存储可变关键字参数了，而explicit_args里存储的是包括确定型参数以及指定关键字参数。

39-44 行处理explicit_args里面的参数

46-53 行处理可变位置参数

55-62 行处理的是可变关键字参数

64-69 行处理返回值

 

当然这个函数对类型的要求太高了，而并没有像C++那样有默认的类型转换。以下是自己写的一个带有默认类型转换的代码，如有错误望指出。

 # _*_ coding: utf-8
 import functools
 import inspect
 from itertools import chain

 def precessArg(value, annotation):
     try:
         return annotation(value)
     except ValueError as e:
         print('value:', value)
         raise TypeError('Expected: %s, got: %s' % (annotation.__name__,
                                                    type(value).__name__))

 def typesafe(func):
     """
     Verify that the function is called with the right arguments types and that
     it returns a value of the right type, accordings to its annotations.
     """
     spec = inspect.getfullargspec(func)
     annotations = spec.annotations

     for name, annotation in annotations.items():
         if not isinstance(annotation, type):
             raise TypeError("The annotation for '%s' is not a type." % name)

     error = "Wrong type for %s: expected %s, got %s."
     # Deal with default parameters
     defaults = spec.defaults and list(spec.defaults) or []
     defaults_zip = zip(spec.args[-len(defaults):], defaults)
     i = 0
     for name, value in defaults_zip:
         if name in annotations:
             defaults[i] = precessArg(value, annotations[name])
         i += 1
     func.__defaults__ = tuple(defaults)

     kwonlydefaults = spec.kwonlydefaults or {}
     for name, value in kwonlydefaults.items():
         if name in annotations:
             kwonlydefaults[name] = precessArg(value, annotations[name])
     func.__kwdefaults__ = kwonlydefaults

     @functools.wraps(func)
     def wrapper(*args, **kwargs):
         keyword_args = kwargs.copy()
         new_args = args and list(args) or []
         new_kwargs = kwargs.copy()
         # Deal with explicit argument passed positionally
         i = 0
         for name, arg in zip(spec.args, args):
             if name in annotations:
                 new_args[i] = precessArg(arg, annotations[name])
             i += 1

         # Add all explicit arguments passed by keyword
         for name in chain(spec.args, spec.kwonlyargs):
             poped_name = None
             if name in kwargs:
                 poped_name = keyword_args.pop(name)
             if poped_name is not None and name in annotations:
                 new_kwargs[name] = precessArg(poped_name, annotations[name]) 

         # Deal with variable positional arguments
         if spec.varargs and spec.varargs in annotations:
             annotation = annotations[spec.varargs]
             for i, arg in enumerate(args[len(spec.args):]):
                 new_args[i] = precessArg(arg, annotation)

         # Deal with variable keyword argument
         if spec.varkw and spec.varkw in annotations:
             annotation = annotations[spec.varkw]
             for name, arg in keyword_args.items():
                 new_kwargs[name] = precessArg(arg, annotation)

         # Deal with return value
         r = func(*new_args, **new_kwargs)
         if 'return' in annotations:
             r = precessArg(r, annotations['return'])
         return r

     return wrapper

 if __name__ == '__main__':
     print("Begin test.")
     print("Test case 1:")
     try:
         @typesafe
         def testfun1(a:'This is a para.'):
             print('called OK!')
     except TypeError as e:
         print("TypeError: %s" % e)

     print("Test case 2:")
     try:
         @typesafe
         def testfun2(a:int,b:str = 'defaule'):
             print('called OK!')
         testfun2('str',1)
     except TypeError as e:
         print("TypeError: %s" % e)

     print("test case 3:")
     try:
         @typesafe
         def testfun3(a:int, b:int = 'str'):
             print('called OK')
     except TypeError as e:
         print('TypeError: %s' % e)

     print("Test case 4:")
     try:
         @typesafe
         def testfun4(a:int = '', b:int = 1.2):
             print('called OK.')
             print(a, b)
         testfun4()
     except TypeError as e:
         print('TypeError: %s' % e)

     @typesafe
     def testfun5(a:int, b, c:int = 1, d = 2, *e:int, f:int, g, h:int = 3, i = 4, **j:int) -> str :
         print('called OK.')
         print(a, b, c, d, e, f, g, h, i, j)
         return 'OK'

     print("Test case 5:")
     try:
         testfun5(1.2, 'whatever', f = 2.3, g = 'whatever')
     except TypeError as e:
         print('TypeError: %s' % e)

     print("Test case 6:")
     try:
         testfun5(1.2, 'whatever', 2.2, 3.2, 'e1', f = '', g = 'whatever')
     except TypeError as e:
         print('TypeError: %s' % e)

     print("Test case 7:")
     try:
         testfun5(1.2, 'whatever', 2.2, 3.2, 12, f = '', g = 'whatever')
     except TypeError as e:
         print('TypeError: %s' % e)

     print("Test case 8:")
     try:
         testfun5(1.2, 'whatever', 2.2, 3.2, 12, f = '', g = 'whatever', key1 = 'key1')
     except TypeError as e:
         print('TypeError: %s' % e)

     print("Test case 9:")
     try:
         testfun5(1.2, 'whatever', 2.2, 3.2, 12, f = '', g = 'whatever', key1 = '')
     except TypeError as e:
         print('TypeError: %s' % e)

     print('Test case 10:')
     @typesafe
     def testfun10(a) -> int:
         print('called OK.')
         return 'OK'
     try:
         testfun10(1)
     except TypeError as e:
         print('TypeError: %s' % e)