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Python 函数注解 (Function Annotations)

函数注解是 Python 的一种特性，用于为函数的参数和返回值添加 元数据。注解通常和类型提示（type hinting）相关联，但它们本质上不会影响程序的实际执行，只是作为一种信息记录。

从Python 3.0开始，函数注解就成为了语言的一部分。在Python 3.5中，加入了类型提示（PEP 484），使得函数注解的使用变得更加规范化和流行。

函数注解的基本语法

函数注解的基本形式是使用冒号 : 来为函数的参数指定类型信息，使用 -> 来为函数的返回值指定类型信息。

基本语法格式

def function_name(param_name: annotation, ...) -> return_annotation:# 函数体pass

• 参数注解：使用 param_name: annotation 的形式为参数进行注解。
• 返回值注解：使用 -> return_annotation 的形式为返回值进行注解。
• 注解通常在函数定义中作为可选的元数据存在，不会对实际的代码逻辑产生影响。

示例

def greet(name: str) -> str:return f"Hello, {name}"def add(x: int, y: int) -> int:return x + ydef process_data(data: list[int]) -> dict[str, int]:# 假设这个函数对输入的数据进行处理并返回一个字典result = {str(index): value for index, value in enumerate(data)}return result

1. greet 函数：

   • 参数 name 注解为 str，表示这个参数应该是一个字符串。
   • 返回值注解为 str，表示该函数返回一个字符串。

2. add 函数：

   • 参数 x 和 y 注解为 int，表示它们应该是整数。
   • 返回值注解为 int，表示返回的结果是一个整数。

3. process_data 函数：

   • 参数 data 注解为 list[int]，表示它是一个包含整数的列表。
   • 返回值注解为 dict[str, int]，表示它返回一个键为字符串、值为整数的字典。

特殊类型注解

Python通过 typing 模块提供了一些用于类型注解的工具，以帮助描述更加复杂的数据结构。这些注解工具使得我们可以对更加复杂的类型关系进行描述，例如列表、字典、元组、联合类型等。

以下是一些常见的 typing 模块的类型：

1. List：用来注解列表，例如 List[int] 表示一个包含整数的列表。
2. Dict：用来注解字典，例如 Dict[str, int] 表示键是字符串、值是整数的字典。
3. Tuple：用来注解元组，例如 Tuple[int, str] 表示包含一个整数和一个字符串的元组。
4. Optional：用来注解可选值，即参数可能为指定类型或 None，例如 Optional[str]。
5. Union：用来注解参数可以是多种类型之一，例如 Union[int, str] 表示参数可以是整数或字符串。

例如：

from typing import List, Dict, Tuple, Optional, Uniondef get_user_data(user_id: int) -> Optional[Dict[str, Union[str, int]]]:if user_id == 1:return {"name": "Alice", "age": 30}else:return Nonedef get_coordinates() -> Tuple[float, float]:return (37.7749, -122.4194)

• get_user_data 函数返回一个 Optional 的字典，这个字典的键是字符串，值是字符串或整数，或者它可能返回 None。
• get_coordinates 函数返回一个元组，包含两个浮点数。

注解信息的存储与访问

函数注解信息存储在函数对象的 __annotations__ 属性中。你可以通过访问这个属性来查看注解信息。

例如：

def multiply(a: int, b: int) -> int:return a * bprint(multiply.__annotations__)

输出：

{'a': <class 'int'>, 'b': <class 'int'>, 'return': <class 'int'>}

这里的输出表明 multiply 函数的参数 a 和 b 以及返回值都有类型注解为 int。

函数注解的实际用途

1. 代码文档化：
   注解可以使代码更加自文档化，程序员可以一目了然地了解函数期望的输入类型和输出类型，而不必阅读完整的函数实现。

2. 静态类型检查：
   使用工具如 mypy，可以通过静态类型检查来发现一些潜在的类型错误。例如，mypy 可以在开发阶段验证函数的使用是否遵循注解要求，有助于提高代码质量。

3. IDE支持：
   现代化的集成开发环境（如 PyCharm, VSCode）可以基于注解提供更好的自动补全、类型推断和错误提示，使得开发者在编写代码时更容易避免错误。

注意事项

1. 类型注解并不是强制性的：Python 的注解只是对数据类型的提示，并不强制类型检查，因此即使参数类型与注解不符，Python 也不会报错。

2. 避免复杂的注解：有时，过于复杂的类型注解会使得代码难以阅读。此时可以使用 Any 来简化类型注解。

3. 结合类型检查工具：为了最大化函数注解的效用，可以结合工具如 mypy 进行静态检查。这些工具可以帮助你在代码运行前发现类型不匹配的错误。

小结

• 函数注解 是一种为函数的参数和返回值提供元数据的机制。
• 注解可以显著提升代码的可读性和可维护性。
• 函数注解的语法使用冒号 : 和箭头 -> 来分别注解参数和返回值类型。
• Python 内置的 typing 模块可以用来表示更复杂的数据结构。
• 注解只提供信息，并不会改变Python的运行机制。