4.2.4 小结：函数的定义与调用

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2023-12-01

4.2.4 小结：函数的定义与调用

通过前面的例子，读者应该已经非常熟悉 Python 中函数定义的语法。在此总结如下：

def <函数名>(<形式参数>):
    <函数体>

其中函数名是标识符，命名必须符合 Python 标识符的规定；形式参数是用逗号分隔的变量名序列（可以为空）。函数体是语句序列，左端必须缩进一些空白。一旦定义了一个函数，就可以在程序的任何地方调用这个函数。函数调用的语法如下：

<函数名>(<实际参数>)

其中实际参数可以是表达式，个数必须和形式参数相同。注意，这里列出的函数调用语法实际上适用于没有返回值的函数，即 4.1.3 节中提到的“过程”。4.2.6 小节会讨论具有返回值的函数。

当 Python 遇到一个函数调用时，将通过四个步骤来处理这个调用。假设程序 P 现在执行到了一个函数调用 f(a)，则这四个步骤是：

（1）调用者 P 在调用点暂停执行（术语也称为 P 挂起）；

（2）函数 f 的形式参数被赋予实际参数 a 的值；

（3）执行 f 的函数体；

（4）f 执行完毕后，控制返回到 P 中调用点的下一条语句。

下面我们以程序 4.6 为例，具体描述函数调用过程。为了方便阅读，将程序 4.6 的主函数 main 罗列在下面，整个程序从 main 开始执行。

def main():
    star_treetop() 
    treetrunk() 
    print 
    caret_treetop()
    treetrunk()

当 Python 执行到 star_treetop()时，main 暂停执行，控制转到 star_treetop。因为没有参数传递问题，所以直接执行 star_treetop 的函数体。图 4.1 描述了这个函数调用的控制转移情况。

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图 4.1 控制从 main 转移到 star_treetop

控制转到 star_treetop 后执行的第一条语句又是一个函数调用 treetop("")，于是 Python 又暂停执行 star_treetop，而将控制转到 treetop("")。Python 检查 treetop 的定义后发现它有一个形式参数 ch，于是将函数调用 treetop("")的实际参数""传递给形式参数 ch，这相当于在 treetop 的函数体之前增加了一条赋值语句：

ch = "*"

参数传递后开始执行 treetop 的函数体。图 4.2 展现了这时的状态，注意 treetop内部的变量 ch 已经被赋值为"*"。

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图 4.2 控制从 star_treetop 转移到 treetop

由于 treetop()的函数体是一系列 print 语句，没有更多函数调用，于是 Python 顺序执行这些语句，结束后将控制返回到 treetop 调用点的下一条语句，即 star_treetop 中的第二条 treetop("*")语句，这时的情形参看图 4.3。注意，当函数执行完毕，函数的变量所占用的存储空间将被 Python 收回，任何变量都不可能将数据保持到下一次执行函数，故图 4.3 中 ch 显示为未赋值状态。

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图 4.3 控制从 treetop 返回 star_treetop

接下来执行 star_treetop 的第二条 treetop("*")，其过程和前面一条完全一样，我们就不作图演示了。现在，当控制从 treetop 再次返回 star_treetop 时，此函数也执行完毕，故控制又返回到 main 函数中调用点的下一条语句。如图 4.4 所示。

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图 4.4 控制从 star_treetop 返回 main

控制返回 main 后执行的是第二条语句 treetrunk()，这又是一个函数调用。于是 main 再次暂停执行，控制转移到函数 treetrunk。treetrunk 执行完毕控制返回 main，执行第三条语句 print，输出一个空行后执行函数调用 caret_treetop()。这和前面 star_treetop()的执行过程是类似的，控制转移到 caret_treetop 的函数体后遇到的是 treetop("^")，这次传递给形式参数 ch 的值是字符"^"，图 4.5 表示了此时的状态。

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图 4.5 控制从 caret_treetop 转到 treetop 并传递不同实际参数

此后的执行过程与上述类似，我们不再逐一说明。当程序最后一行的调用 treetrunk 执行完毕，控制返回到 main 时到达程序末尾，于是整个程序结束。其实，main 本身也是一个函数，程序 4.6 的最后一行就是对 main 的调用。由于 main 是顶层模块，调用并执行 main 后控制只能返回给 Python——所以整个程序执行完毕后我们看到的是熟悉的“>>>”。

以上我们通过例子描述了 Python 的函数定义和调用。还要说明一点，函数定义中提到形式参数可以是用逗号分隔的变量名序列。对于有多个形式参数的函数，调用时一定要注意形式参数与实际参数的匹配。简单的做法是按位置匹配，即调用时提供的第一个实际参数赋值给第一个形式参数，第二个实际参数赋值给第二个形式参数，依此类推。

作为例子，我们再来研究用字符画树冠的问题。树冠是由两个三角形图案组成的，程序 4.2 或程序 4.6 中，函数 treetop 的功能就是用字符画三角形图案，只不过程序 4.2 固定用字符""画画，程序 4.6 可以用任意字符画画。观察 treetop 的函数体，可见图案是由多条 print 语句所打印的字符串拼成的，并且每条 print 所打印的字符串很有规律：每行中 ""的个数是自顶向下分别是 1、3、5、7，而左边留的空格数自顶向下分别是 3、2、1、0。对这些数字做一点分析，很容易得出规律：设树冠最宽处有 w 个""字符，则当某一行上要画 c 个""时，该行左边留的空格数就是(w - c) / 2。根据这个规律，我们定义一个新的 treetop 函数，它具有两个参数：一个是画图所用字符 ch，另一个是树冠宽度 width（为对称起见应该用奇数，此前例子都固定为 7）。显然这个新的 treetop 函数更加通用化，可以用任意字符画任意宽度的树冠。

def treetop(ch,width):
    for c in range(1,width+1,2):
        print ((width–c)/2) * " " + c * ch

下面我们在 Python 交互环境下定义这个函数，然后做一些测试。结果如下：

>>> treetop("*",7)
   *
  ***
 *****
*******
>>> treetop("@",9)
    @
   @@@
  @@@@@
 @@@@@@@
@@@@@@@@@
>>> treetop(11,"A")
Traceback (most recent call last):
File "<pyshell#9>", line 1, in <module> treetop(11,"A")
File "<pyshell#2>", line 2, in treetop for c in range(1,width+1,2):
TypeError: cannot concatenate 'str' and 'int' objects

从上例可知，由于函数 treetop 有两个形式参数，因此调用该函数时必须传递两个实际参数与之匹配。参数传递的效果相当于在 treetop 的函数体前面执行了两条赋值语句：

ch = ...
width = ...

如果实际参数与形式参数不匹配，函数执行就可能出错，如上例中的 treetop(11,"A")。更严重的是函数执行似乎没有出错，但参数的错误匹配实际上导致计算结果完全没有意义。

例如我们定义一个显示身高体重信息的函数，然后调用之：

>>> def printInfo(height,weight): 
        print "Height:",height 
        print "Weight:",weight
>>> printInfo(80,1.80)
Height: 80
Weight: 1.8

可见，由于调用时参数传递不匹配，函数虽然能够执行，但结果无意义。

关键字参数

函数调用时的参数传递通常采用上述“按位置匹配”的方式，但 Python 还提供另一种参数传递方式——关键字参数。关键字参数形如“<形参名> = <实参值>”，即通过形式参数的名字来指示为哪个形参传递什么值。例如：

>>> treetop(width = 11,ch = "A")
     A 
    AAA 
   AAAAA 
  AAAAAAA
 AAAAAAAAA 
AAAAAAAAAAA

关键字参数在某些场合用起来更方便。例如，如果一个函数有很多参数，但是调用时只想为个别参数传递值，而其他参数采用缺省值，这是采用关键字参数就是必然的选择。下面是一个简单的例子：

>>> def f(a,b=7,c=2):
        print a,b,c
>>> f(2005)
2005 7 2
>>> f(1927,8,1)
1927 8 1
>>> f(1921,c=1)
1921 7 1

注意，这个例子同时说明了如何为函数参数指定缺省值。