欢迎您访问程序员文章站本站旨在为大家提供分享程序员计算机编程知识!
您现在的位置是: 首页  >  后端开发

在Python 3中实现类型检查器的简单方法

程序员文章站 2022-05-05 23:24:54
...
示例函数

为了开发类型检查器,我们需要一个简单的函数对其进行实验。欧几里得算法就是一个完美的例子:

def gcd(a, b):
  
'''Return the greatest common divisor of a and b.'''
  a = abs(a)
  b = abs(b)
  if a 

在上面的示例中,参数 a 和 b 以及返回值应该是 int 类型的。预期的类型将会以函数注解的形式来表达,函数注解是 Python 3 的一个新特性。接下来,类型检查机制将会以一个装饰器的形式实现,注解版本的第一行代码是:

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

使用“gcd.__annotations__”可以获得一个包含注解的字典:

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

需要注意的是,返回值的注解存储在键“return”下。这是有可能的,因为“return”是一个关键字,所以不能用作一个有效的参数名。
检查返回值类型

返回值注解存储在字典“__annotations__”中的“return”键下。我们将使用这个值来检查返回值(假设注解存在)。我们将参数传递给原始函数,如果存在注解,我们将通过注解中的值来验证其类型:

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

我们可以用“a”替换函数gcd的返回值来测试上面的代码:

 
Traceback (most recent call last):
 File "typechecker.py", line 9, in 
  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

由上面的结果可知,确实检查了返回值的类型。
检查参数类型

函数的参数存在于关联代码对象的“co_varnames”属性中,在我们的例子中是“gcd.__code__.co_varnames”。元组包含了所有局部变量的名称,并且该元组以参数开始,参数数量存储在“co_nlocals”中。我们需要遍历包括索引在内的所有变量,并从参数“args”中获取参数值,最后对其进行类型检查。

得到了下面的代码:

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

在上面的循环中,i是数组args中参数的以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]”读取到参数的名称。类型检查代码与返回值类型检查完全一样(包括错误消息的异常)。

为了对关键字参数进行类型检查,我们需要遍历参数kwargs。此时的类型检查几乎与第一个循环中相同:

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__))

得到的装饰器代码如下:

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

将类型检查代码写成一个函数将会使代码更加清晰。为了简化代码,我们修改错误信息,而当返回值是无效的类型时,将会使用到这些错误信息。我们也可以利用 functools 模块中的 wraps 方法,将包装函数的一些属性复制到 wrapper 中(这使得 wrapper 看起来更像原来的函数):

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

结论

注解是 Python 3 中的一个新元素,本文例子中的使用方法很普通,你也可以想象很多特定领域的应用。虽然上面的实现代码并不能满足实际产品要求,但它的目的本来就是用作概念验证。可以对其进行以下改善:

  • 处理额外的参数( args 中意想不到的项目)
  • 默认值类型检查
  • 支持多个类型
  • 支持模板类型(例如,int 型列表)