在Python 3中實現(xiàn)類型檢查器的簡單方法

更新時間：2015年07月03日 16:00:39 投稿：goldensun

這篇文章主要介紹了在Python 3中實現(xiàn)類型檢查器的簡單方法,包括對函數(shù)注解這個新特性的介紹,需要的朋友可以參考下

示例函數(shù)

為了開發(fā)類型檢查器，我們需要一個簡單的函數(shù)對其進行實驗。歐幾里得算法就是一個完美的例子：

def gcd(a, b):
  
'''Return the greatest common divisor of a and b.'''
  a = abs(a)
  b = abs(b)
  if a < b:
    a, b = b, a
  while b != 0:
    a, b = b, a % b
  return a

在上面的示例中，參數(shù) a 和 b 以及返回值應該是 int 類型的。預期的類型將會以函數(shù)注解的形式來表達，函數(shù)注解是 Python 3 的一個新特性。接下來，類型檢查機制將會以一個裝飾器的形式實現(xiàn)，注解版本的第一行代碼是：

def gcd(a: int, b: int) -> int:

使用“gcd.__annotations__”可以獲得一個包含注解的字典：

>>> gcd.__annotations__
{'return': <class 'int'>, 'b': <class 'int'>, 'a': <class 'int'>}
>>> gcd.__annotations__['a']
<class 'int'>

需要注意的是，返回值的注解存儲在鍵“return”下。這是有可能的，因為“return”是一個關(guān)鍵字，所以不能用作一個有效的參數(shù)名。
檢查返回值類型

返回值注解存儲在字典“__annotations__”中的“return”鍵下。我們將使用這個值來檢查返回值（假設(shè)注解存在）。我們將參數(shù)傳遞給原始函數(shù)，如果存在注解，我們將通過注解中的值來驗證其類型：

def typecheck(f):
  def wrapper(*args, **kwargs):
    result = f(*args, **kwargs)
    return_type = f.__annotations__.get('return', None)
    if return_type and not isinstance(result, return_type):
      raise RuntimeError("{} should return {}".format(f.__name__, return_type.__name__))
    return result
  return wrapper

我們可以用“a”替換函數(shù)gcd的返回值來測試上面的代碼：

 
Traceback (most recent call last):
 File "typechecker.py", line 9, in <module>
  gcd(1, 2)
 File "typechecker.py", line 5, in wrapper
  raise RuntimeError("{} should return {}".format(f.__name__, return_type.__name__))
RuntimeError: gcd should return int

由上面的結(jié)果可知，確實檢查了返回值的類型。
檢查參數(shù)類型

函數(shù)的參數(shù)存在于關(guān)聯(lián)代碼對象的“co_varnames”屬性中，在我們的例子中是“gcd.__code__.co_varnames”。元組包含了所有局部變量的名稱，并且該元組以參數(shù)開始，參數(shù)數(shù)量存儲在“co_nlocals”中。我們需要遍歷包括索引在內(nèi)的所有變量，并從參數(shù)“args”中獲取參數(shù)值，最后對其進行類型檢查。

得到了下面的代碼：

def typecheck(f):
  def wrapper(*args, **kwargs):
    for i, arg in enumerate(args[:f.__code__.co_nlocals]):
      name = f.__code__.co_varnames[i]
      expected_type = f.__annotations__.get(name, None)
      if expected_type and not isinstance(arg, expected_type):
        raise RuntimeError("{} should be of type {}; {} specified".format(name, expected_type.__name__, type(arg).__name__))
    result = f(*args, **kwargs)
    return_type = f.__annotations__.get('return', None)
    if return_type and not isinstance(result, return_type):
      raise RuntimeError("{} should return {}".format(f.__name__, return_type.__name__))
    return result
  return wrapper

在上面的循環(huán)中，i是數(shù)組args中參數(shù)的以0起始的索引，arg是包含其值的字符串。可以利用“f.__code__.co_varnames[i]”讀取到參數(shù)的名稱。類型檢查代碼與返回值類型檢查完全一樣（包括錯誤消息的異常）。

為了對關(guān)鍵字參數(shù)進行類型檢查，我們需要遍歷參數(shù)kwargs。此時的類型檢查幾乎與第一個循環(huán)中相同：

for name, arg in kwargs.items():
  expected_type = f.__annotations__.get(name, None)
  if expected_type and not isinstance(arg, expected_type):
    raise RuntimeError("{} should be of type {}; {} specified".format(name, expected_type.__name__, type(arg).__name__))

得到的裝飾器代碼如下：

def typecheck(f):
  def wrapper(*args, **kwargs):
    for i, arg in enumerate(args[:f.__code__.co_nlocals]):
      name = f.__code__.co_varnames[i]
      expected_type = f.__annotations__.get(name, None)
      if expected_type and not isinstance(arg, expected_type):
        raise RuntimeError("{} should be of type {}; {} specified".format(name, expected_type.__name__, type(arg).__name__))
    for name, arg in kwargs.items():
      expected_type = f.__annotations__.get(name, None)
      if expected_type and not isinstance(arg, expected_type):
        raise RuntimeError("{} should be of type {}; {} specified".format(name, expected_type.__name__, type(arg).__name__))
    result = f(*args, **kwargs)
    return_type = f.__annotations__.get('return', None)
    if return_type and not isinstance(result, return_type):
      raise RuntimeError("{} should return {}".format(f.__name__, return_type.__name__))
    return result
  return wrapper

將類型檢查代碼寫成一個函數(shù)將會使代碼更加清晰。為了簡化代碼，我們修改錯誤信息，而當返回值是無效的類型時，將會使用到這些錯誤信息。我們也可以利用 functools 模塊中的 wraps 方法，將包裝函數(shù)的一些屬性復制到 wrapper 中（這使得 wrapper 看起來更像原來的函數(shù)）：

def typecheck(f):
  def do_typecheck(name, arg):
    expected_type = f.__annotations__.get(name, None)
    if expected_type and not isinstance(arg, expected_type):
      raise RuntimeError("{} should be of type {} instead of {}".format(name, expected_type.__name__, type(arg).__name__))
 
  @functools.wraps(f)
  def wrapper(*args, **kwargs):
    for i, arg in enumerate(args[:f.__code__.co_nlocals]):
      do_typecheck(f.__code__.co_varnames[i], arg)
    for name, arg in kwargs.items():
      do_typecheck(name, arg)
 
    result = f(*args, **kwargs)
 
    do_typecheck('return', result)
    return result
  return wrapper

結(jié)論

注解是 Python 3 中的一個新元素，本文例子中的使用方法很普通，你也可以想象很多特定領(lǐng)域的應用。雖然上面的實現(xiàn)代碼并不能滿足實際產(chǎn)品要求，但它的目的本來就是用作概念驗證?？梢詫ζ溥M行以下改善：