第十六章：类和函数
现在我们已经知道如何去定义一个新的类型，下一步就是编写以自定义对象为参数的函数，并返回自定义对象作为结果。在本章中，我还将介绍“函数式编程风格”和两种新的编程开发方案。
本章的代码示例可以从 http://thinkpython2.com/code/Time1.py 下载。练习的答案可以从 http://thinkpython2.com/code/Time1_soln.py 下载。
时间
再举一个程序员自定义类型的例子，我们定义一个叫 Time 的类，用于记录时间。 这个类的定义如下：
class Time:
"""Represents the time of day.
attributes: hour, minute, second
"""
我们可以创建一个新的 Time 类对象，并且给它的属性 hour , minutes 和 seconds 赋值：
time = Time() time.hour = 11 time.minute = 59 time.second = 30
Time对象的状态图类似于图16-1：对象图。
我们做个练习，编写一个叫做 print_time 的函数，接收一个 Time 对象并用“时:分:秒”的格式打印它。 提示：格式化序列 '%.2d' 可以至少两位数的形式打印一个整数，如果不足则在前面补0。
编写一个叫做 is_after 的布尔函数，接收两个 Time 对象，t1 和 t2 ，若 t1 的时间在 t2 之后， 则返回 True ，否则返回 False 。挑战：不要使用 if 语句。
图16-1：对象图
纯函数
在下面几节中，我们将编写两个用来增加时间值的函数。 它们展示了两种不同的函数：纯函数（pure functions）和修改器（modifiers）。 它们也展示了我所称的 原型和补丁（prototype and patch） 的开发方案。 这是一种处理复杂问题的方法，从简单的原型开始，逐步解决复杂情况。
下面是一个简单的 add_time 原型：
def add_time(t1, t2):
sum = Time()
sum.hour = t1.hour + t2.hour
sum.minute = t1.minute + t2.minute
sum.second = t1.second + t2.second
return sum
这个函数创建了一个新的 Time 对象，初始化了对象的属性，并返回了这个对象的引用。 我们把这个函数称为 纯函数（pure function），因为它除了返回一个值以外，并不修改作为参数传入的任何对象， 也没有产生如显示一个值或者获取用户输入的影响。
为了测试这个函数，我将创建两个 Time 对象：start 用于存放一个电影 （如 Monty Python and the Holy Grail）的开始时间，duration 用于存放电影的放映时长，这里时长定为1小时35分钟。
add_time将计算电影何时结束。
>>> start = Time() >>> start.hour = 9 >>> start.minute = 45 >>> start.second = 0 >>> duration = Time() >>> duration.hour = 1 >>> duration.minute = 35 >>> duration.second = 0 >>> done = add_time(start, duration) >>> print_time(done) 10:80:00
这个结果 10:80:00 可能不是你所希望得到的。问题在于这个函数并没有处理好秒数和分钟数相加超过60的情况。 当发生这种情况时，我们要把多余的秒数放进分钟栏，或者把多余的分钟加进小时栏。
下面是一个改进的版本：
def add_time(t1, t2):
sum = Time()
sum.hour = t1.hour + t2.hour
sum.minute = t1.minute + t2.minute
sum.second = t1.second + t2.second
if sum.second >= 60:
sum.second -= 60
sum.minute += 1
if sum.minute >= 60:
sum.minute -= 60
sum.hour += 1
return sum
这个函数虽然正确，但是它开始变得臃肿。我们会在后面看到一个较短的版本。
修改器
有时候用函数修改作为参数传入的对象是很有用的。在这种情况下，这种改变对 调用者来说是可见的。这种方式工作的函数称为 修改器（modifiers）。
函数 increment 给一个 Time 对象增加指定的秒数，可以很自然地用修改器来编写。 下面是一个初稿：
def increment(time, seconds):
time.second += seconds
if time.second >= 60:
time.second -= 60
time.minute += 1
if time.minute >= 60:
time.minute -= 60
time.hour += 1
第一行进行基础操作；其余部分的处理则是我们之前看到的特殊情况。
这个函数正确吗？如果 seconds 比 60 大很多会发生什么？
在那种情况下，只进位一次是不够的；我们要重复执行直到 seconds 小于 60。一种 方法是用 while 语句代替 if 语句。这样能够让函数正确，但是并不是很高效。
我们做个练习：编写正确的 increment 函数，不能包含任何循环。
任何能够用修改器实现的函数同样能够用纯函数实现。事实上，一些编程语言只允许用纯函数。 一些证据表明用纯函数实现的程序比用修改器实现的函数开发更快、更不易出错。 但是有时候修改器是很方便的，而函数式程序效率反而不高。
通常来说，我推荐只要是合理的情况下，都使用纯函数方式编写，只在有完全令人信服的原因下采用修改器。 这种方法可以称为 函数式编程风格（functional programming style）。
我们做个练习，编写一个纯函数版本的 increment ，创建并返回一个 Time 对象，而不是修改参数。
原型 vs. 方案
我刚才展示的开发方案叫做 原型和补丁（protptype and patch）。 针对每个函数，我编写了一个可以进行基本运算的原型并对其测试，逐步修正错误。
这种方法在你对问题没有深入理解时特别有效。但增量修正可能导致代码过度复杂， 因为需要处理许多特殊情况。也并不可靠，因为很难知道你是否已经找到了所有的错误。
另一种方法叫做 设计开发(designed development) 。 对问题有高层次的理解能够使开发变得更容易。 这给我们的启示是，Time 对象本质上是一个基于六十进制的三位数（详见 http://en.wikipedia.org/wiki/Sexagesimal 。）！ 属性second是“个位”，属性 minute 是“六十位”，属性 hour 是“360位数”。
当我们编写 add_time 和 increment 时，其实是在基于六十进制累加， 所以我们需要把一位进位到下一位。
这个观察意味着我们可以用另一种方法去解决整个问题——我们可以把 Time 对象转换为整数， 并利用计算机知道如何进行整数运算的这个事实。
下面是一个把 Time 对象转成整数的函数：
def time_to_int(time):
minutes = time.hour * 60 + time.minute
seconds = minutes * 60 + time.second
return seconds
下面则是一个把整数转换为 Time 对象（记得 divmod 是用第一个参数除以第二个参数并以 元组的形式返回商和余数）。
def int_to_time(seconds):
time = Time()
minutes, time.second = divmod(seconds, 60)
time.hour, time.minute = divmod(minutes, 60)
return time
你可能需要思考一下，并运行一些测试，以此来说服自己这些函数是正确的。 一种测试方法是对很多的 x 检查 time_to_int(int_to_time(x)) == x 是否正确。 这是一致性检查的例子。
一旦你确信它们是正确的，你就能使用它们重写 add_time ：
def add_time(t1, t2):
seconds = time_to_int(t1) + time_to_int(t2)
return int_to_time(seconds)
这个版本比先前的要更短，更容易校验。我们再做个练习，使用 time_to_int 和 int_to_time 重写 increment 函数。
从某个方面来说，六十进制和十进制相互转换比处理时间更难些。进制转换更加抽象； 我们解决时间值的想法是更好的。
但如果我们意识到把时间当作六十进制，并预先做好编写转换函数（ time_to_int 和 int_to_time ）的准备，我们就能获得一个更短、更易读、更可靠的程序。
这让我们日后更加容易添加其它功能。例如，试想将两个 Time 对象相减来获得它们之间的时间间隔。 最简单的方法是使用借位来实现减法。使用转换函数则更容易，也更容易正确。
讽刺的是，有时候把一个问题变得更难（或更加普遍）反而能让它更加简单 （因为会有更少的特殊情况和更少出错的机会）。
调试
如果 minute 和 second 的值介于 0 和 60 之间（包括 0 但不包括 60 ），并且 hour 是正值，那么这个 Time 对象就是合法的。hour 和 minute 应该是整数值， 但我们可能也允许 second有小数部分。
这样的要求称为 不变式（invariants）。因为它们应当总是为真。 换句话说，如果它们不为真，肯定是某些地方出错了。
编写代码来检查不变式能够帮助检测错误并找到出错的原因。 例如，你可能会写一个 valid_time 这样的函数， 接受一个 Time 对象，并在违反不变式的条件下返回 False ：
def valid_time(time):
if time.hour < 0 or time.minute < 0 or time.second < 0:
return False
if time.minute >= 60 or time.second >= 60:
return False
return True
在每个函数的开头，你可以检查参数，确认它们是否合法：
def add_time(t1, t2):
if not valid_time(t1) or not valid_time(t2):
raise ValueError('invalid Time object in add_time')
seconds = time_to_int(t1) + time_to_int(t2)
return int_to_time(seconds)
或者你可以使用 assert语句，检查一个给定的不变式并在失败的情况下抛出异常：
def add_time(t1, t2):
assert valid_time(t1) and valid_time(t2)
seconds = time_to_int(t1) + time_to_int(t2)
return int_to_time(seconds)
assert语句非常有用，因为它们区分了处理普通条件的代码和检查错误的代码。
术语表
原型和补丁（prototype and patch）：
一种开发方案，编写一个程序的初稿，测试，发现错误时修正它们。
设计开发（designed development）：
一种开发方案，需要对问题有更高层次的理解，比增量开发或原型开发更有计划性。
纯函数（pure function）：
一种不修改任何作为参数传入的对象的函数。大部分纯函数是有返回值的（fruitful）。
修改器（modifier）：
一种修改一个或多个作为参数传入的对象的函数。大部分修改器没有返回值；即返回 None 。函数式编程风格（functional programming style）：
一种程序设计风格，大部分函数为纯函数。
不变式（invariant）：
在程序执行过程中总是为真的条件。
断言语句（assert statement）：
一种检查条件是否满足并在失败的情况下抛出异常的语句。
练习题
本章的代码示例可以从 http://thinkpython2.com/code/Time1.py 下载； 练习的答案可以从 http://thinkpython2.com/code/Time1_soln.py 下载。
习题16-1
编写一个叫做 mul_time 的函数，接收一个 Time 对象和一个数，并返回一个新的 Time 对象，包含原始时间和数的乘积。
然后使用 mul_time 编写一个函数，接受一个表示比赛完赛时间的 Time 对象以及一个表示距离的数字，并返回一个用于表示平均配速（每英里所需时间）的 Time 对象。
习题16-2
datetime模块提供的 time 对象，和本章的 Time 对象类似，但前者提供了更丰富的方法和操作符。可以在 http://docs.python.org/3/library/datetime.html 阅读相关文档。
- 使用
datetime模块来编写一个程序，获取当前日期并打印当天是周几。 - 编写一个程序，接受一个生日作为输入，并打印用户的年龄以及距离下个生日所需要的天数、小时数、分钟数和秒数。
- 对于两个不在同一天出生的人来说，总有一天，一个人的出生天数是另一个人的两倍。 我们把这一天称为“双倍日”。编写一个程序，接受两个不同的出生日期，并计算他们的“双倍日”。
- 再增加点挑战，编写一个更通用的版本，用于计算一个人出生天数是另一个人 n 倍的日子。
答案：http://thinkpython2.com/code/double.py 。
贡献者
- 翻译：@cxyfreedom
- 校对：@bingjin
- 参考：@carfly