Python 标准库中最有用的装饰器-轻识

众所周知，Python 语言灵活、简洁，对程序员友好，但在性能上有点不太令人满意，这一点通过一个递归的求斐波那契额函数就可以说明：

def fib(n):
    if n <= 1:
        return n
    return fib(n - 1) + fib(n - 2)

在我的 MBP 上计算 fib(40) 花费了 33 秒：

import time

def main():
    start = time.time()
    result = fib(40)
    end = time.time()
    cost = end - start
    print(f"{result = } {cost = :.4f}")

if __name__ == '__main__':
    main()

但是，假如使用标准库中的这个装饰器，那结果完全不一样

from functools import lru_cache

@lru_cache
def fib(n):
    if n <= 1:
        return n
    return fib(n - 1) + fib(n - 2)

这次的结果是 0 秒，你没看错，我保留了 4 位小数，后面的忽略了。

提升了多少倍？我已经计算不出来了。

关于装饰器，如果还不是很熟悉的话，可以看下这两篇文章：

我是装饰器

再谈装饰器

为什么 lru_cache 装饰器这么牛逼，它到底做了什么事情？今天就来聊一聊这个最有用的装饰器。

如果看过计算机操作系统的话，你对 LRU 一定不会陌生，这就是著名的最近最久未使用缓存淘汰算法。

而 lru_cache 就是这个算法的具体实现。（这个算法可是面试经常考的哦，有的面试官要求现场手写代码）

现在，我们来看一个 lru_cache 的源代码，其中的英文注释，我已经为你翻译为中文：

def lru_cache(maxsize=128, typed=False):
    """LRU 缓存装饰器

    如果 *maxsize* 是 None, 将不会淘汰缓存，缓存大小也不做限制

    如果 *typed* 是 True, 不同类型的参数将独立做缓存，比如 f(3.0) and f(3) 将认为是不同的函数调用而缓存在两个缓存节点上。

    函数的参数必须可以被 hash

    查看缓存信息使用的是命名元组 (hits, misses, maxsize, currsize)
    查看缓存信息：user_func.cache_info().  清理缓存信息：user_func.cache_clear().

    LRU 算法:  http://en.wikipedia.org/wiki/Cache_replacement_policies#Least_recently_used_(LRU)

    """

    # lru_cache 的内部实现是线程安全的

    if isinstance(maxsize, int):
        # 负数转换为 0 
        if maxsize < 0:
            maxsize = 0
    elif callable(maxsize) and isinstance(typed, bool):
        #如果被装饰的函数（user_function）直接通过 maxsize 参数传入 
        user_function, maxsize = maxsize, 128
        wrapper = _lru_cache_wrapper(user_function, maxsize, typed, _CacheInfo)
        return update_wrapper(wrapper, user_function)
    elif maxsize is not None:
        raise TypeError(
            'Expected first argument to be an integer, a callable, or None')

    def decorating_function(user_function):
        wrapper = _lru_cache_wrapper(user_function, maxsize, typed, _CacheInfo)
        return update_wrapper(wrapper, user_function)

    return decorating_function

这里面有两个参数，一个是 maxsize，表示缓存的大小，当传入负数时，自动设置为 0，如果不传入 maxsize，或者设置为 None，表示缓存没有大小限制，此时没有缓存淘汰。还有一个是 type，当 type 传入 True 时，不同的参数类型会当作不同的 key 存到缓存当中。

接下来，lru_cache 的核心在这个函数上 _lru_cache_wrapper，建议有感情的阅读、背诵并默写。我们来看下它的源代码


def _lru_cache_wrapper(user_function, maxsize, typed, _CacheInfo):
    # 所有 lru cache 实例共享的常量:
    sentinel = object()          # 用来表示缓存未命中的唯一对象
    make_key = _make_key         # build a key from the function arguments
    PREV, NEXT, KEY, RESULT = 0, 1, 2, 3   # names for the link fields

    cache = {}
    hits = misses = 0
    full = False
    cache_get = cache.get    # 绑定函数来获取缓存中 key 的值
    cache_len = cache.__len__  # 绑定函数获取缓存大小
    lock = RLock()           # 因为链表上的更新是线程不安全的
    root = []                # 循环双向链表的根节点
    root[:] = [root, root, None, None]     # 初始化根节点的前后指针都指向它自己

    if maxsize == 0:

        def wrapper(*args, **kwds):
            # 没有缓存，仅更新统计信息
            nonlocal misses
            misses += 1
            result = user_function(*args, **kwds)
            return result

    elif maxsize is None:

        def wrapper(*args, **kwds):
            # 仅仅排序，不考虑排序和缓存大小限制
            nonlocal hits, misses
            key = make_key(args, kwds, typed)
            result = cache_get(key, sentinel)
            if result is not sentinel:
                hits += 1
                return result
            misses += 1
            result = user_function(*args, **kwds)
            cache[key] = result
            return result

    else:

        def wrapper(*args, **kwds):
            # 大小有限制，并跟踪最近使用的缓存
            nonlocal root, hits, misses, full
            key = make_key(args, kwds, typed)
            with lock:
                link = cache_get(key)
                if link is not None:
                    # 缓存命中，将命中的缓存移动到循环双向链表的头部
                    link_prev, link_next, _key, result = link
                    link_prev[NEXT] = link_next
                    link_next[PREV] = link_prev
                    last = root[PREV]
                    last[NEXT] = root[PREV] = link
                    link[PREV] = last
                    link[NEXT] = root
                    hits += 1
                    return result
                misses += 1
            result = user_function(*args, **kwds)
            with lock:
                if key in cache:
                    # 走到这里说明 key 已经放在了缓存，且锁已经释放了，链表已经更新了，这里什么也不需要做了，最后只需要返回计算的结果就可以了。
                    pass
                elif full:
                    # 如果缓存满了， 使用最老的根节点来存储新节点就可以了，链表上不需要删除（是不是很聪明）
                    oldroot = root
                    oldroot[KEY] = key
                    oldroot[RESULT] = result
                    root = oldroot[NEXT]
                    oldkey = root[KEY]
                    oldresult = root[RESULT]
                    root[KEY] = root[RESULT] = None
                    
                    # 最后，我们需要从缓存中清除这个 key，因为它已经无效了。
                    del cache[oldkey]
                    # 新值放入缓存
                    cache[key] = oldroot
                else:
                    # 如果没有满，将新的结果放入循环双向链表的头部
                    last = root[PREV]
                    link = [last, root, key, result]
                    last[NEXT] = root[PREV] = cache[key] = link
                    # 使用 cache_len 绑定方法而不是 len() 函数，后者可能会被包装在 lru_cache 本身中
                    full = (cache_len() >= maxsize)
            return result

    def cache_info():
        """报告缓存统计信息"""
        with lock:
            return _CacheInfo(hits, misses, maxsize, cache_len())

    def cache_clear():
        """清理缓存信息"""
        nonlocal hits, misses, full
        with lock:
            cache.clear()
            root[:] = [root, root, None, None]
            hits = misses = 0
            full = False

    wrapper.cache_info = cache_info
    wrapper.cache_clear = cache_clear
    return wrapper

如果我写的注释你都看明白了，那也不用看我下面的废话了，如果还有点不太明白，我啰嗦几句，也许你就明白了。

第一、所谓缓存，用的仍然是内存，为了快速存取，用的就是一个 hash 表，也就是 Python 的字典，都是在内存里的操作。

    cache = {}

第二、如果 maxsize == 0，就相当于没有使用缓存，每调用一次，未命中数就 + 1，代码逻辑是这样的：

def wrapper(*args, **kwds):
    nonlocal misses
    misses += 1 # 未命中数
    result = user_function(*args, **kwds)
    return result

第三、如果 maxsize == None，相当于缓存无限制，也就不需要考虑淘汰，这个实现非常简单，我们直接在函数中用一个字典就可以实现，比如说：


cache = {}
def fib(n):

    if n in cache:
        return cache[n]

    if n <= 1:
        return n
    result = fib(n - 1) + fib(n - 2)
    cache[n] = result
    return result

运行时间：

理解了这一点，在装饰器中，这段逻辑就不难看懂：

def wrapper(*args, **kwds):
    nonlocal hits, misses
    key = make_key(args, kwds, typed)
    result = cache_get(key, sentinel)
    if result is not sentinel:
        hits += 1
        return result
    misses += 1
    result = user_function(*args, **kwds)
    cache[key] = result
    return result

第四、真正的缓存淘汰算法。

为了实现缓存（键值对）的淘汰，我们需要对缓存按时间进行排序，这就需要用到链表，链表的头部是最新插入的，尾部是最老插入的，当缓存数量已经达到最大值时，我们删除最久未使用的链尾节点，为了不删除链尾，我们可以使用循环链表，当缓存满了，直接更新链尾节点赋值为新节点，并把它做为新的链头就可以了。

当缓存命中时，我们需要把这个节点移动到链表的头部，保证链表的头部是最近经常使用的，为了移动方便，我们需要双向链表。

双向循环链表在 Python 中实现，可以简单的这么写：

PREV, NEXT, KEY, RESULT = 0, 1, 2, 3   # names for the link fields
root = []                # root of the circular doubly linked list
root[:] = [root, root, None, None]     # initialize by pointing to self

可能有些朋友看不懂最后那行代码：root[:] = [root, root, None, None]，画个图你就理解了：

这些箭头指向的都是节点的内存地址，随着节点的增多，就是这个样子的：

对比这个图，再看源代码，就很容易看懂了。尤其是这块的代码逻辑，是面试常考的重点，如果你能手写出这样线程安全的 LRU 缓存淘汰算法，那无疑是非常优秀的。

其他 LRU 算法的实现

其他关于 LRU 算法的实现，我自己写了两个，可以看这里：

LRU 缓存淘汰算法-双链表+hash 表^[1]

LRU 缓存淘汰算法-Python 有序字典^[2]

最后的话

装饰器 lru_cache 的作用就是把函数的计算机结果保存下来，下次用的时候可以直接从 hash 表中取出，避免重复计算从而提升效率，简单点的，直接在函数中使用个字典就搞定了，复杂点的，请看 lru_cache 的代码实现。另一方面，递归函数慢的一个主要原因就是重复计算。

Python 标准库的源码，是学习编程最有营养的原料，当你有好奇心时，不妨去窥探一下源码，相信你有定会有新的收获。今天的分享就到这里，如果有收获的话，请点赞、在看、转发、关注，感谢你的支持。

参考资料

[1]

LRU 缓存淘汰算法-双链表+hash 表: https://github.com/somenzz/geekbang/blob/master/algorthms/lru_use_link_table.py

[2]

LRU 缓存淘汰算法-Python 有序字典: https://github.com/somenzz/geekbang/blob/master/algorthms/lru_use_ordered_dict.py