1.函数的参数

定义函数的时候，我们把参数的名字和位置确定下来，函数的接口定义就完成了。对于函数的调用者来说，只需要知道如何传递正确的参数，以及函数将返回什么样的值就够了，函数内部的复杂逻辑被封装起来，调用者无需了解。

Python的函数定义非常简单，但灵活度却非常大。除了正常定义的必选参数外，还可以使用默认参数、可变参数和关键字参数，使得函数定义出来的接口，不但能处理复杂的参数，还可以简化调用者的代码。

位置参数

我们先写一个计算x2的函数：

def power(x):
return x * x

对于​​power(x)​​​函数，参数​​x​​就是一个位置参数。

当我们调用​​power​​​函数时，必须传入有且仅有的一个参数​​x​​：

>>> power(5)
25
>>> power(15)
225

现在，如果我们要计算x3怎么办？可以再定义一个​​power3​​函数，但是如果要计算x4、x5……怎么办？我们不可能定义无限多个函数。

你也许想到了，可以把​​power(x)​​​修改为​​power(x, n)​​，用来计算xn，说干就干：

def power(x, n):
s = 1
while n > 0:
n = n – 1
s = s * x
return s

对于这个修改后的​​power(x, n)​​函数，可以计算任意n次方：

>>> power(5, 2)
25
>>> power(5, 3)
125

修改后的​​power(x, n)​​​函数有两个参数：​​x​​​和​​n​​​，这两个参数都是位置参数，调用函数时，传入的两个值按照位置顺序依次赋给参数​​x​​​和​​n​​。

默认参数

新的​​power(x, n)​​函数定义没有问题，但是，旧的调用代码失败了，原因是我们增加了一个参数，导致旧的代码因为缺少一个参数而无法正常调用：

>>> power(5)
Traceback (most recent call last):
File “”, line 1, in
TypeError: power() missing 1 required positional argument: ‘n’

Python的错误信息很明确：调用函数​​power()​​​缺少了一个位置参数​​n​​。

这个时候，默认参数就排上用场了。由于我们经常计算x2，所以，完全可以把第二个参数n的默认值设定为2：

def power(x, n=2):
s = 1
while n > 0:
n = n – 1
s = s * x
return s

这样，当我们调用​​power(5)​​​时，相当于调用​​power(5, 2)​​：

>>> power(5)
25
>>> power(5, 2)
25

而对于​​n > 2​​​的其他情况，就必须明确地传入n，比如​​power(5, 3)​​。

从上面的例子可以看出，默认参数可以简化函数的调用。设置默认参数时，有几点要注意：

一是必选参数在前，默认参数在后，否则Python的解释器会报错（思考一下为什么默认参数不能放在必选参数前面）；

二是如何设置默认参数。

当函数有多个参数时，把变化大的参数放前面，变化小的参数放后面。变化小的参数就可以作为默认参数。

使用默认参数有什么好处？最大的好处是能降低调用函数的难度。

举个例子，我们写个一年级小学生注册的函数，需要传入​​name​​​和​​gender​​两个参数：

def enroll(name, gender):
print(‘name:’, name)
print(‘gender:’, gender)

这样，调用​​enroll()​​函数只需要传入两个参数：

>>> enroll(‘Sarah’, ‘F’)
name: Sarah
gender: F

如果要继续传入年龄、城市等信息怎么办？这样会使得调用函数的复杂度大大增加。

我们可以把年龄和城市设为默认参数：

def enroll(name, gender, age=6, city=’Beijing’):
print(‘name:’, name)
print(‘gender:’, gender)
print(‘age:’, age)
print(‘city:’, city)

这样，大多数学生注册时不需要提供年龄和城市，只提供必须的两个参数：

>>> enroll(‘Sarah’, ‘F’)
name: Sarah
gender: F
age: 6
city: Beijing

只有与默认参数不符的学生才需要提供额外的信息：

enroll(‘Bob’, ‘M’, 7)
enroll(‘Adam’, ‘M’, city=’Tianjin’)

可见，默认参数降低了函数调用的难度，而一旦需要更复杂的调用时，又可以传递更多的参数来实现。无论是简单调用还是复杂调用，函数只需要定义一个。

有多个默认参数时，调用的时候，既可以按顺序提供默认参数，比如调用​​enroll(‘Bob’, ‘M’, 7)​​​，意思是，除了​​name​​​，​​gender​​​这两个参数外，最后1个参数应用在参数​​age​​​上，​​city​​参数由于没有提供，仍然使用默认值。

也可以不按顺序提供部分默认参数。当不按顺序提供部分默认参数时，需要把参数名写上。比如调用​​enroll(‘Adam’, ‘M’, city=’Tianjin’)​​​，意思是，​​city​​参数用传进去的值，其他默认参数继续使用默认值。

默认参数很有用，但使用不当，也会掉坑里。默认参数有个最大的坑，演示如下：

先定义一个函数，传入一个list，添加一个​​END​​再返回：

def add_end(L=[]):
L.append(‘END’)
return L

当你正常调用时，结果似乎不错：

>>> add_end([1, 2, 3])
[1, 2, 3, ‘END’]
>>> add_end([‘x’, ‘y’, ‘z’])
[‘x’, ‘y’, ‘z’, ‘END’]

当你使用默认参数调用时，一开始结果也是对的：

>>> add_end()
[‘END’]

但是，再次调用​​add_end()​​时，结果就不对了：

>>> add_end()
[‘END’, ‘END’]
>>> add_end()
[‘END’, ‘END’, ‘END’]

很多初学者很疑惑，默认参数是​​[]​​​，但是函数似乎每次都“记住了”上次添加了​​’END’​​后的list。

原因解释如下：

Python函数在定义的时候，默认参数​​L​​​的值就被计算出来了，即​​[]​​​，因为默认参数​​L​​​也是一个变量，它指向对象​​[]​​​，每次调用该函数，如果改变了​​L​​​的内容，则下次调用时，默认参数的内容就变了，不再是函数定义时的​​[]​​了。

 定义默认参数要牢记一点：默认参数必须指向不变对象！

要修改上面的例子，我们可以用​​None​​这个不变对象来实现：

def add_end(L=None):
if L is None:
L = []
L.append(‘END’)
return L

现在，无论调用多少次，都不会有问题：

>>> add_end()
[‘END’]
>>> add_end()
[‘END’]

为什么要设计​​str​​​、​​None​​这样的不变对象呢？因为不变对象一旦创建，对象内部的数据就不能修改，这样就减少了由于修改数据导致的错误。此外，由于对象不变，多任务环境下同时读取对象不需要加锁，同时读一点问题都没有。我们在编写程序时，如果可以设计一个不变对象，那就尽量设计成不变对象。

可变参数

在Python函数中，还可以定义可变参数。顾名思义，可变参数就是传入的参数个数是可变的，可以是1个、2个到任意个，还可以是0个。

我们以数学题为例子，给定一组数字a，b，c……，请计算a2 + b2 + c2 + ……。

要定义出这个函数，我们必须确定输入的参数。由于参数个数不确定，我们首先想到可以把a，b，c……作为一个list或tuple传进来，这样，函数可以定义如下：

def calc(numbers):
sum = 0
for n in numbers:
sum = sum + n * n
return sum

但是调用的时候，需要先组装出一个list或tuple：

>>> calc([1, 2, 3])
14
>>> calc((1, 3, 5, 7))
84

如果利用可变参数，调用函数的方式可以简化成这样：

>>> calc(1, 2, 3)
14
>>> calc(1, 3, 5, 7)
84

所以，我们把函数的参数改为可变参数：

def calc(*numbers):
sum = 0
for n in numbers:
sum = sum + n * n
return sum

定义可变参数和定义一个list或tuple参数相比，仅仅在参数前面加了一个​​*​​​号。在函数内部，参数​​numbers​​接收到的是一个tuple，因此，函数代码完全不变。但是，调用该函数时，可以传入任意个参数，包括0个参数：

>>> calc(1, 2)
5
>>> calc()
0

如果已经有一个list或者tuple，要调用一个可变参数怎么办？可以这样做：

>>> nums = [1, 2, 3]
>>> calc(nums[0], nums[1], nums[2])
14

这种写法当然是可行的，问题是太繁琐，所以Python允许你在list或tuple前面加一个​​*​​号，把list或tuple的元素变成可变参数传进去：

>>> nums = [1, 2, 3]
>>> calc(*nums)
14

​​*nums​​​表示把​​nums​​这个list的所有元素作为可变参数传进去。这种写法相当有用，而且很常见。

关键字参数

可变参数允许你传入0个或任意个参数，这些可变参数在函数调用时自动组装为一个tuple。而关键字参数允许你传入0个或任意个含参数名的参数，这些关键字参数在函数内部自动组装为一个dict。请看示例：

def person(name, age, **kw):
print(‘name:’, name, ‘age:’, age, ‘other:’, kw)

函数​​person​​​除了必选参数​​name​​​和​​age​​​外，还接受关键字参数​​kw​​。在调用该函数时，可以只传入必选参数：

>>> person(‘Michael’, 30)
name: Michael age: 30 other: {}

也可以传入任意个数的关键字参数：

>>> person(‘Bob’, 35, city=’Beijing’)
name: Bob age: 35 other: {‘city’: ‘Beijing’}
>>> person(‘Adam’, 45, gender=’M’, job=’Engineer’)
name: Adam age: 45 other: {‘gender’: ‘M’, ‘job’: ‘Engineer’}

关键字参数有什么用？它可以扩展函数的功能。比如，在​​person​​​函数里，我们保证能接收到​​name​​​和​​age​​这两个参数，但是，如果调用者愿意提供更多的参数，我们也能收到。试想你正在做一个用户注册的功能，除了用户名和年龄是必填项外，其他都是可选项，利用关键字参数来定义这个函数就能满足注册的需求。

和可变参数类似，也可以先组装出一个dict，然后，把该dict转换为关键字参数传进去：

>>> extra = {‘city’: ‘Beijing’, ‘job’: ‘Engineer’}
>>> person(‘Jack’, 24, city=extra[‘city’], job=extra[‘job’])
name: Jack age: 24 other: {‘city’: ‘Beijing’, ‘job’: ‘Engineer’}

当然，上面复杂的调用可以用简化的写法：

>>> extra = {‘city’: ‘Beijing’, ‘job’: ‘Engineer’}
>>> person(‘Jack’, 24, **extra)
name: Jack age: 24 other: {‘city’: ‘Beijing’, ‘job’: ‘Engineer’}

​​**extra​​​表示把​​extra​​​这个dict的所有key-value用关键字参数传入到函数的​​**kw​​​参数，​​kw​​​将获得一个dict，注意​​kw​​​获得的dict是​​extra​​​的一份拷贝，对​​kw​​​的改动不会影响到函数外的​​extra​​。

命名关键字参数

对于关键字参数，函数的调用者可以传入任意不受限制的关键字参数。至于到底传入了哪些，就需要在函数内部通过​​kw​​检查。

仍以​​person()​​​函数为例，我们希望检查是否有​​city​​​和​​job​​参数：

def person(name, age, **kw):
if ‘city’ in kw:
# 有city参数
pass
if ‘job’ in kw:
# 有job参数
pass
print(‘name:’, name, ‘age:’, age, ‘other:’, kw)

但是调用者仍可以传入不受限制的关键字参数：

>>> person(‘Jack’, 24, city=’Beijing’, addr=’Chaoyang’, zipcode=123456)

如果要限制关键字参数的名字，就可以用命名关键字参数，例如，只接收​​city​​​和​​job​​作为关键字参数。这种方式定义的函数如下：

def person(name, age, *, city, job):
print(name, age, city, job)

和关键字参数​​**kw​​​不同，命名关键字参数需要一个特殊分隔符​​*​​​，​​*​​后面的参数被视为命名关键字参数。

调用方式如下：

>>> person(‘Jack’, 24, city=’Beijing’, job=’Engineer’)
Jack 24 Beijing Engineer

如果函数定义中已经有了一个可变参数，后面跟着的命名关键字参数就不再需要一个特殊分隔符​​*​​了：

def person(name, age, *args, city, job):
print(name, age, args, city, job)

命名关键字参数必须传入参数名，这和位置参数不同。如果没有传入参数名，调用将报错：

>>> person(‘Jack’, 24, ‘Beijing’, ‘Engineer’)
Traceback (most recent call last):
File “”, line 1, in
TypeError: person() takes 2 positional arguments but 4 were given

由于调用时缺少参数名​​city​​​和​​job​​​，Python解释器把这4个参数均视为位置参数，但​​person()​​函数仅接受2个位置参数。

命名关键字参数可以有缺省值，从而简化调用：

def person(name, age, *, city=’Beijing’, job):
print(name, age, city, job)

由于命名关键字参数​​city​​​具有默认值，调用时，可不传入​​city​​参数：

>>> person(‘Jack’, 24, job=’Engineer’)
Jack 24 Beijing Engineer

使用命名关键字参数时，要特别注意，如果没有可变参数，就必须加一个​​*​​​作为特殊分隔符。如果缺少​​*​​，Python解释器将无法识别位置参数和命名关键字参数：

def person(name, age, city, job):
# 缺少 *，city和job被视为位置参数
pass

参数组合

在Python中定义函数，可以用必选参数、默认参数、可变参数、关键字参数和命名关键字参数，这5种参数都可以组合使用。但是请注意，参数定义的顺序必须是：必选参数、默认参数、可变参数、命名关键字参数和关键字参数。

比如定义一个函数，包含上述若干种参数：

def f1(a, b, c=0, *args, **kw):
print(‘a =’, a, ‘b =’, b, ‘c =’, c, ‘args =’, args, ‘kw =’, kw)

def f2(a, b, c=0, *, d, **kw):
print(‘a =’, a, ‘b =’, b, ‘c =’, c, ‘d =’, d, ‘kw =’, kw)

在函数调用的时候，Python解释器自动按照参数位置和参数名把对应的参数传进去。

>>> f1(1, 2)
a = 1 b = 2 c = 0 args = () kw = {}
>>> f1(1, 2, c=3)
a = 1 b = 2 c = 3 args = () kw = {}
>>> f1(1, 2, 3, ‘a’, ‘b’)
a = 1 b = 2 c = 3 args = (‘a’, ‘b’) kw = {}
>>> f1(1, 2, 3, ‘a’, ‘b’, x=99)
a = 1 b = 2 c = 3 args = (‘a’, ‘b’) kw = {‘x’: 99}
>>> f2(1, 2, d=99, ext=None)
a = 1 b = 2 c = 0 d = 99 kw = {‘ext’: None}

最神奇的是通过一个tuple和dict，你也可以调用上述函数：

>>> args = (1, 2, 3, 4)
>>> kw = {‘d’: 99, ‘x’: ‘#’}
>>> f1(*args, **kw)
a = 1 b = 2 c = 3 args = (4,) kw = {‘d’: 99, ‘x’: ‘#’}
>>> args = (1, 2, 3)
>>> kw = {‘d’: 88, ‘x’: ‘#’}
>>> f2(*args, **kw)
a = 1 b = 2 c = 3 d = 88 kw = {‘x’: ‘#’}

所以，对于任意函数，都可以通过类似​​func(*args, **kw)​​的形式调用它，无论它的参数是如何定义的。

 虽然可以组合多达5种参数，但不要同时使用太多的组合，否则函数接口的可理解性很差。

小结

Python的函数具有非常灵活的参数形态，既可以实现简单的调用，又可以传入非常复杂的参数。

默认参数一定要用不可变对象，如果是可变对象，程序运行时会有逻辑错误！

要注意定义可变参数和关键字参数的语法：

​​*args​​是可变参数，args接收的是一个tuple；

​​**kw​​是关键字参数，kw接收的是一个dict。

以及调用函数时如何传入可变参数和关键字参数的语法：

可变参数既可以直接传入：​​func(1, 2, 3)​​​，又可以先组装list或tuple，再通过​​*args​​​传入：​​func(*(1, 2, 3))​​；

关键字参数既可以直接传入：​​func(a=1, b=2)​​​，又可以先组装dict，再通过​​**kw​​​传入：​​func(**{‘a’: 1, ‘b’: 2})​​。

使用​​*args​​​和​​**kw​​是Python的习惯写法，当然也可以用其他参数名，但最好使用习惯用法。

命名的关键字参数是为了限制调用者可以传入的参数名，同时可以提供默认值。

定义命名的关键字参数在没有可变参数的情况下不要忘了写分隔符​​*​​，否则定义的将是位置参数。

2.递归函数

在函数内部，可以调用其他函数。如果一个函数在内部调用自身本身，这个函数就是递归函数。

举个例子，我们来计算阶乘​​n! = 1 x 2 x 3 x … x n​​​，用函数​​fact(n)​​表示，可以看出：

所以，​​fact(n)​​​可以表示为​​n x fact(n-1)​​，只有n=1时需要特殊处理。

于是，​​fact(n)​​用递归的方式写出来就是：

def fact(n):
if n==1:
return 1
return n * fact(n – 1)

上面就是一个递归函数。可以试试：

>>> fact(1)
1
>>> fact(5)
120
>>> fact(100)
93326215443944152681699238856266700490715968264381621468592963895217599993229915608941463976156518286253697920827223758251185210916864000000000000000000000000

如果我们计算​​fact(5)​​，可以根据函数定义看到计算过程如下：

===> fact(5)
===> 5 * fact(4)
===> 5 * (4 * fact(3))
===> 5 * (4 * (3 * fact(2)))
===> 5 * (4 * (3 * (2 * fact(1))))
===> 5 * (4 * (3 * (2 * 1)))
===> 5 * (4 * (3 * 2))
===> 5 * (4 * 6)
===> 5 * 24
===> 120

递归函数的优点是定义简单，逻辑清晰。理论上，所有的递归函数都可以写成循环的方式，但循环的逻辑不如递归清晰。

使用递归函数需要注意防止栈溢出。在计算机中，函数调用是通过栈（stack）这种数据结构实现的，每当进入一个函数调用，栈就会加一层栈帧，每当函数返回，栈就会减一层栈帧。由于栈的大小不是无限的，所以，递归调用的次数过多，会导致栈溢出。可以试试​​fact(1000)​​：

>>> fact(1000)
Traceback (most recent call last):
File “”, line 1, in
File “”, line 4, in fact
…
File “”, line 4, in fact
RuntimeError: maximum recursion depth exceeded in comparison

解决递归调用栈溢出的方法是通过尾递归优化，事实上尾递归和循环的效果是一样的，所以，把循环看成是一种特殊的尾递归函数也是可以的。

尾递归是指，在函数返回的时候，调用自身本身，并且，return语句不能包含表达式。这样，编译器或者解释器就可以把尾递归做优化，使递归本身无论调用多少次，都只占用一个栈帧，不会出现栈溢出的情况。

上面的​​fact(n)​​​函数由于​​return n * fact(n – 1)​​引入了乘法表达式，所以就不是尾递归了。要改成尾递归方式，需要多一点代码，主要是要把每一步的乘积传入到递归函数中：

def fact(n):
return fact_iter(n, 1)

def fact_iter(num, product):
if num == 1:
return product
return fact_iter(num – 1, num * product)

可以看到，​​return fact_iter(num – 1, num * product)​​​仅返回递归函数本身，​​num – 1​​​和​​num * product​​在函数调用前就会被计算，不影响函数调用。

​​fact(5)​​​对应的​​fact_iter(5, 1)​​的调用如下：

===> fact_iter(5, 1)
===> fact_iter(4, 5)
===> fact_iter(3, 20)
===> fact_iter(2, 60)
===> fact_iter(1, 120)
===> 120

尾递归调用时，如果做了优化，栈不会增长，因此，无论多少次调用也不会导致栈溢出。

遗憾的是，大多数编程语言没有针对尾递归做优化，Python解释器也没有做优化，所以，即使把上面的​​fact(n)​​函数改成尾递归方式，也会导致栈溢出。

小结

使用递归函数的优点是逻辑简单清晰，缺点是过深的调用会导致栈溢出。

针对尾递归优化的语言可以通过尾递归防止栈溢出。尾递归事实上和循环是等价的，没有循环语句的编程语言只能通过尾递归实现循环。

Python标准的解释器没有针对尾递归做优化，任何递归函数都存在栈溢出的问题。