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                            034  编程范式游记（5）- 修饰器模式
                            在上一篇文章中，我们领略了函数式编程的趣味和魅力，主要讲了函数式编程的主要技术。还记得有哪些吗？递归、Map、Reduce、Filter 等，并利用 Python 的 Decorator 和 Generator 功能，将多个函数组合成了管道。

此时，你心中可能会有个疑问，这个 decorator 又是怎样工作的呢？这就是本文中要讲述的内容，“Decorator 模式”，又叫“修饰器模式”，或是“装饰器模式”。

Python 的 Decorator

Python 的 Decorator 在使用上和 Java 的 Annotation（以及 C# 的 Attribute）很相似，就是在方法名前面加一个 @XXX 注解来为这个方法装饰一些东西。但是，Java/C# 的 Annotation 也很让人望而却步，太过于复杂了。你要玩它，需要先了解一堆 Annotation 的类库文档，感觉几乎就是在学另外一门语言。

而 Python 使用了一种相对于 Decorator Pattern 和 Annotation 来说非常优雅的方法，这种方法不需要你去掌握什么复杂的 OO 模型或是 Annotation 的各种类库规定，完全就是语言层面的玩法：一种函数式编程的技巧。

这是我最喜欢的一个模式了，也是一个挺好玩儿的东西，这个模式动用了函数式编程的一个技术——用一个函数来构造另一个函数。

好了，我们先来点感性认识，看一个 Python 修饰器的 Hello World 代码。

def hello(fn):
    def wrapper():
        print "hello, %s" % fn.__name__
        fn()
        print "goodbye, %s" % fn.__name__
    return wrapper
 
@hello
def Hao():
    print "i am Hao Chen"
 
Hao()


代码的执行结果如下：

$ python hello.py
hello, Hao
i am Hao Chen
goodbye, Hao


你可以看到如下的东西：


函数 Hao 前面有个 @hello 的“注解”，hello 就是我们前面定义的函数 hello；
在 hello 函数中，其需要一个 fn 的参数（这就是用来做回调的函数）；
hello 函数中返回了一个 inner 函数 wrapper，这个 wrapper函数回调了传进来的 fn，并在回调前后加了两条语句。


对于 Python 的这个 @注解语法糖（syntactic sugar）来说，当你在用某个 @decorator 来修饰某个函数 func 时，如下所示:

@decorator
def func():
    pass


其解释器会解释成下面这样的语句：

func = decorator(func)



嘿！这不就是把一个函数当参数传到另一个函数中，然后再回调吗？是的。但是，我们需要注意，那里还有一个赋值语句，把 decorator 这个函数的返回值赋值回了原来的 func。

我们再来看一个带参数的玩法：

def makeHtmlTag(tag, *args, **kwds):
    def real_decorator(fn):
        css_class = " class='{0}'".format(kwds["css_class"]) \
                                     if "css_class" in kwds else ""
        def wrapped(*args, **kwds):
            return "<"+tag+css_class+">" + fn(*args, **kwds) + "</"+tag+">"
        return wrapped
    return real_decorator
 
@makeHtmlTag(tag="b", css_class="bold_css")
@makeHtmlTag(tag="i", css_class="italic_css")
def hello():
    return "hello world"
 
print hello()
 
# 输出：
# <b class='bold_css'><i class='italic_css'>hello world</i></b>


在上面这个例子中，我们可以看到：makeHtmlTag有两个参数。所以，为了让 hello = makeHtmlTag(arg1, arg2)(hello) 成功， makeHtmlTag 必需返回一个 decorator（这就是为什么我们在 makeHtmlTag 中加入了 real_decorator()）。

这样一来，我们就可以进入到 decorator 的逻辑中去了——decorator 得返回一个 wrapper，wrapper 里回调 hello。看似那个 makeHtmlTag() 写得层层叠叠，但是，已经了解了本质的我们觉得写得很自然。

我们再来看一个为其它函数加缓存的示例:

from functools import wraps
def memoization(fn):
    cache = {}
    miss = object()
 
    @wraps(fn)
    def wrapper(*args):
        result = cache.get(args, miss)
        if result is miss:
            result = fn(*args)
            cache[args] = result
        return result
 
    return wrapper
 
@memoization
def fib(n):
    if n < 2:
        return n
    return fib(n - 1) + fib(n - 2)


上面这个例子中，是一个斐波那契数例的递归算法。我们知道，这个递归是相当没有效率的，因为会重复调用。比如：我们要计算 fib(5)，于是其分解成 fib(4) + fib(3)，而 fib(4) 分解成 fib(3) + fib(2)，fib(3) 又分解成fib(2) + fib(1)……你可看到，基本上来说，fib(3), fib(2), fib(1)在整个递归过程中被调用了至少两次。

而我们用 decorator，在调用函数前查询一下缓存，如果没有才调用，有了就从缓存中返回值。一下子，这个递归从二叉树式的递归成了线性的递归。wraps 的作用是保证 fib 的函数名不被 wrapper 所取代。

除此之外，Python 还支持类方式的 decorator。

class myDecorator(object):
    def __init__(self, fn):
        print "inside myDecorator.__init__()"
        self.fn = fn
 
    def __call__(self):
        self.fn()
        print "inside myDecorator.__call__()"
 
@myDecorator
def aFunction():
    print "inside aFunction()"
 
print "Finished decorating aFunction()"
 
aFunction()
 
# 输出：
# inside myDecorator.__init__()
# Finished decorating aFunction()
# inside aFunction()
# inside myDecorator.__call__()


上面这个示例展示了，用类的方式声明一个 decorator。我们可以看到这个类中有两个成员：


一个是__init__()，这个方法是在我们给某个函数 decorate 时被调用，所以，需要有一个 fn 的参数，也就是被 decorate 的函数。
一个是__call__()，这个方法是在我们调用被 decorate 的函数时被调用的。


从上面的输出中，可以看到整个程序的执行顺序。这看上去要比“函数式”的方式更易读一些。

我们来看一个实际点的例子。下面这个示例展示了通过 URL 的路由来调用相关注册的函数示例：

class MyApp():
    def __init__(self):
        self.func_map = {}
 
    def register(self, name):
        def func_wrapper(func):
            self.func_map[name] = func
            return func
        return func_wrapper
 
    def call_method(self, name=None):
        func = self.func_map.get(name, None)
        if func is None:
            raise Exception("No function registered against - " + str(name))
        return func()
 
app = MyApp()
 
@app.register('/')
def main_page_func():
    return "This is the main page."
 
@app.register('/next_page')
def next_page_func():
    return "This is the next page."
 
print app.call_method('/')
print app.call_method('/next_page')


注意：上面这个示例中 decorator 类不是真正的 decorator，其中也没有__call__()，并且，wrapper 返回了原函数。所以，原函数没有发生任何变化。

Go 语言的 Decorator

Python 有语法糖，所以写出来的代码比较酷。但是对于没有修饰器语法糖这类语言，写出来的代码会是怎么样的？我们来看一下 Go 语言的代码。

还是从一个 Hello World 开始。

package main
 
import "fmt"
 
func decorator(f func(s string)) func(s string) {
    return func(s string) {
        fmt.Println("Started")
        f(s)
        fmt.Println("Done")
    }
}
 
func Hello(s string) {
    fmt.Println(s)
}
 
func main() {
    decorator(Hello)("Hello, World!")
}


可以看到，我们动用了一个高阶函数 decorator()，在调用的时候，先把 Hello() 函数传进去，然后其返回一个匿名函数。这个匿名函数中除了运行了自己的代码，也调用了被传入的 Hello() 函数。

这个玩法和 Python 的异曲同工，只不过，Go 并不支持像 Python 那样的 @decorator 语法糖。所以，在调用上有些难看。当然，如果要想让代码容易读一些，你可以这样：

hello := decorator(Hello)
hello("Hello")


我们再来看一个为函数 log 消耗时间的例子：

type SumFunc func(int64, int64) int64
 
func getFunctionName(i interface{}) string {
    return runtime.FuncForPC(reflect.ValueOf(i).Pointer()).Name()
}
 
func timedSumFunc(f SumFunc) SumFunc {
    return func(start, end int64) int64 {
        defer func(t time.Time) {
            fmt.Printf("--- Time Elapsed (%s): %v ---\n", 
                getFunctionName(f), time.Since(t))
        }(time.Now())
        return f(start, end)
    }
}
 
func Sum1(start, end int64) int64 {
    var sum int64
    sum = 0
    if start > end {
        start, end = end, start
    }
    for i := start; i <= end; i++ {
        sum += i
    }
    return sum
}
 
func Sum2(start, end int64) int64 {
    if start > end {
        start, end = end, start
    }
    return (end - start + 1) * (end + start) / 2
}
 
func main() {
 
    sum1 := timedSumFunc(Sum1)
    sum2 := timedSumFunc(Sum2)
 
    fmt.Printf("%d, %d\n", sum1(-10000, 10000000), sum2(-10000, 10000000))
}


关于上面的代码：


有两个 Sum 函数，Sum1() 函数就是简单地做个循环，Sum2() 函数动用了数据公式。（注意：start 和 end 有可能有负数的情况。）
代码中使用了 Go 语言的反射机制来获取函数名。
修饰器函数是 timedSumFunc()。


再来看一个 HTTP 路由的例子：

func WithServerHeader(h http.HandlerFunc) http.HandlerFunc {
    return func(w http.ResponseWriter, r *http.Request) {
        log.Println("--->WithServerHeader()")
        w.Header().Set("Server", "HelloServer v0.0.1")
        h(w, r)
    }
}
 
func WithAuthCookie(h http.HandlerFunc) http.HandlerFunc {
    return func(w http.ResponseWriter, r *http.Request) {
        log.Println("--->WithAuthCookie()")
        cookie := &http.Cookie{Name: "Auth", Value: "Pass", Path: "/"}
        http.SetCookie(w, cookie)
        h(w, r)
    }
}
 
func WithBasicAuth(h http.HandlerFunc) http.HandlerFunc {
    return func(w http.ResponseWriter, r *http.Request) {
        log.Println("--->WithBasicAuth()")
        cookie, err := r.Cookie("Auth")
        if err != nil || cookie.Value != "Pass" {
            w.WriteHeader(http.StatusForbidden)
            return
        }
        h(w, r)
    }
}
 
func WithDebugLog(h http.HandlerFunc) http.HandlerFunc {
    return func(w http.ResponseWriter, r *http.Request) {
        log.Println("--->WithDebugLog")
        r.ParseForm()
        log.Println(r.Form)
        log.Println("path", r.URL.Path)
        log.Println("scheme", r.URL.Scheme)
        log.Println(r.Form["url_long"])
        for k, v := range r.Form {
            log.Println("key:", k)
            log.Println("val:", strings.Join(v, ""))
        }
        h(w, r)
    }
}
func hello(w http.ResponseWriter, r *http.Request) {
    log.Printf("Received Request %s from %s\n", r.URL.Path, r.RemoteAddr)
    fmt.Fprintf(w, "Hello, World! "+r.URL.Path)
}


上面的代码中，我们写了多个函数。有写 HTTP 响应头的，有写认证 Cookie 的，有检查认证 Cookie 的，有打日志的……在使用过程中，我们可以把其嵌套起来使用，在修饰过的函数上继续修饰，这样就可以拼装出更复杂的功能。

func main() {
    http.HandleFunc("/v1/hello", WithServerHeader(WithAuthCookie(hello)))
    http.HandleFunc("/v2/hello", WithServerHeader(WithBasicAuth(hello)))
    http.HandleFunc("/v3/hello", WithServerHeader(WithBasicAuth(WithDebugLog(hello))))
    err := http.ListenAndServe(":8080", nil)
    if err != nil {
        log.Fatal("ListenAndServe: ", err)
    }
}


当然，如果一层套一层不好看的话，我们可以使用 pipeline 的玩法——我们需要先写一个工具函数——用来遍历并调用各个 decorator：

type HttpHandlerDecorator func(http.HandlerFunc) http.HandlerFunc
 
func Handler(h http.HandlerFunc, decors ...HttpHandlerDecorator) http.HandlerFunc {
    for i := range decors {
        d := decors[len(decors)-1-i] // iterate in reverse
        h = d(h)
    }
    return h
}


然后，我们就可以像下面这样使用了。

http.HandleFunc("/v4/hello", Handler(hello,
                WithServerHeader, WithBasicAuth, WithDebugLog))


这样的代码是不是更易读了一些？pipeline 的功能也就出来了。

不过，对于 Go 的修饰器模式，还有一个小问题——好像无法做到泛型，就像上面那个计算时间的函数一样，其代码耦合了需要被修饰的函数的接口类型，无法做到非常通用。如果这个事解决不了，那么，这个修饰器模式还是有点不好用的。

因为 Go 语言不像 Python 和 Java，Python 是动态语言，而 Java 有语言虚拟机，所以它们可以干好些比较变态的事，然而 Go 语言是一个静态的语言，这意味着其类型需要在编译时就要搞定，否则无法编译。不过，Go 语言支持的最大的泛型是 interface{}，还有比较简单的 reflection 机制，在上面做做文章，应该还是可以搞定的。

废话不说，下面是我用 reflection 机制写的一个比较通用的修饰器（为了便于阅读，我删除了出错判断代码）。

func Decorator(decoPtr, fn interface{}) (err error) {
    var decoratedFunc, targetFunc reflect.Value
 
    decoratedFunc = reflect.ValueOf(decoPtr).Elem()
    targetFunc = reflect.ValueOf(fn)
 
    v := reflect.MakeFunc(targetFunc.Type(),
        func(in []reflect.Value) (out []reflect.Value) {
            fmt.Println("before")
            out = targetFunc.Call(in)
            fmt.Println("after")
            return
        })
 
    decoratedFunc.Set(v)
    return
}


上面的代码动用了 reflect.MakeFunc() 函数制作出了一个新的函数。其中的 targetFunc.Call(in) 调用了被修饰的函数。关于 Go 语言的反射机制，推荐官方文章——《The Laws of Reflection》，在这里我不多说了。

上面这个 Decorator() 需要两个参数：


第一个是出参 decoPtr ，就是完成修饰后的函数。
第二个是入参 fn ，就是需要修饰的函数。


这样写是不是有些二？的确是的。不过，这是我个人在 Go 语言里所能写出来的最好的代码了。如果你知道更优雅的写法，请你一定告诉我！

好的，让我们来看一下使用效果。首先，假设我们有两个需要修饰的函数：

func foo(a, b, c int) int {
    fmt.Printf("%d, %d, %d \n", a, b, c)
    return a + b + c
}
 
func bar(a, b string) string {
    fmt.Printf("%s, %s \n", a, b)
    return a + b
}


然后，我们可以这样做：

type MyFoo func(int, int, int) int
var myfoo MyFoo
Decorator(&myfoo, foo)
myfoo(1, 2, 3)


你会发现，使用 Decorator() 时，还需要先声明一个函数签名，感觉好傻啊。一点都不泛型，不是吗？谁叫这是有类型的静态编译的语言呢？

嗯。如果你不想声明函数签名，那么也可以这样：

mybar := bar
Decorator(&mybar, bar)
mybar("hello,", "world!")


好吧，看上去不是那么的漂亮，但是 it works。看样子 Go 语言目前本身的特性无法做成像 Java 或 Python 那样，对此，我们只能多求 Go 语言多放糖了！

小结

好了，讲了那么多的例子，看了那么多的代码，我估计你可能有点晕，让我们来做个小结吧。

通过上面 Python 和 Go 修饰器的例子，我们可以看到，所谓的修饰器模式其实是在做下面的几件事。


表面上看，修饰器模式就是扩展现有的一个函数的功能，让它可以干一些其他的事，或是在现有的函数功能上再附加上一些别的功能。
除了我们可以感受到函数式编程下的代码扩展能力，我们还能感受到函数的互相和随意拼装带来的好处。
但是深入一下，我们不难发现，Decorator 这个函数其实是可以修饰几乎所有的函数的。于是，这种可以通用于其它函数的编程方式，可以很容易地将一些非业务功能的、属于控制类型的代码给抽象出来（所谓的控制类型的代码就是像 for-loop，或是打日志，或是函数路由，或是求函数运行时间之类的非业务功能性的代码）。