一、函数基础

1. 函数的概念和作用

在编程中，函数是一段可重复使用的代码块，它接收输入参数、执行特定任务，并返回结果。

函数的作用在于封装特定功能，使得代码更易读、更易维护，并且能够提高代码的重用性和模块化。

函数的优点包括：

• 模块化： 将代码分割为函数可以使得程序结构更清晰，更易于理解和维护。
• 可重用性： 可以多次调用同一个函数，避免重复编写相同的代码。
• 简化复杂性： 通过将复杂的操作封装在函数中，可以简化主程序的逻辑结构。
• 提高可读性： 给函数起一个具有描述性的名称可以使代码更易读懂，降低理解成本。

2. 函数的定义和调用

在 Python 中，使用 def 关键字定义函数，语法如下：

def function_name(parameters):
    """文档字符串（可选）"""
    # 函数体
    statements
    return expression  # 可选

• function_name 是函数的名称，用于标识函数。
• parameters 是函数的参数列表，可以包含零个或多个参数，多个参数之间用逗号分隔。
• """文档字符串""" 是函数的文档字符串，用于描述函数的作用、参数、返回值等信息，是可选的。
• statements 是函数的代码块，包含了实现特定功能的语句。
• return expression 是函数的返回语句，可选的，用于返回计算结果给调用者。

函数定义完成后，可以通过函数名称和参数列表来调用函数，如下所示：

result = function_name(arguments)

• function_name 是函数的名称。
• arguments 是传递给函数的参数列表，可以是位置参数或关键字参数。
• result 是函数调用的返回值，如果函数没有返回值，则返回 None。

3. 参数传递

在函数调用时，可以通过参数传递数据给函数。Python 函数支持多种类型的参数传递方式，包括：

• 位置参数： 位置参数是按照参数的位置顺序传递的，调用时参数的顺序必须与函数定义时的参数顺序相匹配。

def greet(name, message):
    print(f"Hello, {name}! {message}")

greet("yushifu", "How are you?")
# 输出: Hello, yushifu! How are you?

• 关键字参数： 关键字参数是按照参数名进行传递的，可以不按照参数定义的顺序传递参数。

greet(message="How are you?", name="yushifu")
# 输出: Hello, yushifu! How are you?

• 默认参数： 默认参数在函数定义时就已经赋予了默认值，调用函数时可以不传递该参数，使用默认值。

def greet(name, message="How are you?"):
    print(f"Hello, {name}! {message}")

greet("yushifu")
# 输出: Hello, yushifu! How are you?

• 可变长参数： 可变长参数允许函数接受任意数量的参数。在函数定义时，使用 *args 来表示可变长位置参数，使用 **kwargs 来表示可变长关键字参数。

def calculate_sum(*args):
    total = 0
    for num in args:
        total += num
    return total

print(calculate_sum(1, 2, 3, 4, 5))  # 输出: 15

def print_info(**kwargs):
    for key, value in kwargs.items():
        print(f"{key}: {value}")

	print_info(name="yushifu", age=23, city="Beijing")
# 输出:
# name: yushifu
# age: 23
# city: Beijing

二、返回值和文档字符串

返回值的概念和用法

在函数中，返回值是指函数执行完毕后向调用者传递的结果。

使用返回值可以将函数内部计算的结果传递给其他代码进行处理。

在 Python 中，使用 return 关键字来返回值。

1. 返回值的概念

• 函数可以返回一个或多个值给调用者。
• 返回值可以是任何数据类型，包括数字、字符串、列表、元组、字典等。
• 如果函数没有明确的返回语句，它会默认返回 None。

2. 使用 return 关键字返回值：

def add(a, b):
    result = a + b
    return result  # 返回计算结果给调用者

return result 语句将计算结果 result 返回给调用者。

3. 多个返回值的情况：

def calculate(a, b):
    total = a + b
    difference = a - b
    return total, difference  # 返回多个值

return total, difference 返回了两个值，实际上返回的是一个元组 (total, difference)。

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文档字符串（docstring）的作用和使用方法

文档字符串是函数定义的一部分，用于描述函数的作用、参数、返回值等信息。文

档字符串被存储在函数的 __doc__ 属性中，可以通过 help() 函数或 .__doc__ 属性来查看函数的文档字符串。

1. 文档字符串的作用：

• 帮助其他开发者理解函数的作用和用法。
• 为函数提供简明扼要的描述，方便使用者了解函数的功能和用法。
• 提供参数和返回值的说明，帮助使用者正确调用函数。

2. 使用方法：

def greet(name):
    """输出问候语
    
    Args:
        name (str): 要问候的人的名字

    Returns:
        str: 包含问候语的字符串
    """
    return f"Hello, {name}!"

在函数定义的第一行使用三重引号 """...""" 来定义文档字符串。文档字符串通常包括以下内容：

• 函数的作用和功能描述。
• 参数的说明，包括参数名和类型。
• 返回值的说明，包括返回值的类型。

3. 查看文档字符串：

可以使用 help() 函数或者直接访问 .__doc__ 属性来查看函数的文档字符串。

print(help(greet))
# 或者
print(greet.__doc__)

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三、局部变量和全局变量

局部变量（Local Variables）

• 局部变量是在函数内部声明的变量，它们只能在函数内部使用，函数执行结束后就会被销毁。

• 局部变量的作用域仅限于函数内部，外部代码无法访问局部变量。

def my_function():
    x = 10  # x 是局部变量
    print("Inside the function:", x)

my_function()
# 输出: Inside the function: 10

# 尝试在函数外部访问局部变量将会引发 NameError
print(x)
# 输出: NameError: name 'x' is not defined

全局变量（Global Variables）

• 全局变量是在整个程序中声明的变量，它们可以在程序的任何地方被访问。
• 与局部变量不同，全局变量的作用域不限于特定的函数或代码块。

y = 20  # y 是全局变量

def my_function():
    print("Inside the function:", y)

my_function()
# 输出: Inside the function: 20

print("Outside the function:", y)
# 输出: Outside the function: 20

区别：

1. 作用域：

   • 局部变量的作用域限于函数内部，只能在函数内部访问。
   • 全局变量的作用域是整个程序，可以在程序的任何地方访问。

2. 生存周期：

   • 局部变量的生存周期仅限于函数执行期间，函数执行结束后会被销毁。
   • 全局变量的生存周期与程序的执行周期相同，只有当程序结束时才会被销毁。

3. 访问权限：

   • 局部变量只能在声明它们的函数内部访问，外部代码无法直接访问。
   • 全局变量可以在整个程序的任何地方访问，包括函数内部和外部。

在函数中访问全局变量：

在函数内部可以访问全局变量，但如果要修改全局变量的值，则需要使用 global 关键字将其声明为全局变量。

z = 30  # z 是全局变量

def my_function():
    global z
    z = 40  # 修改全局变量 z 的值
    print("Inside the function:", z)

my_function()
# 输出: Inside the function: 40

print("Outside the function:", z)
# 输出: Outside the function: 40

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四、函数的形参、实参

形参（形式参数）

• 形参是在函数定义时声明的参数，用于接收函数调用时传递的实际参数值。

• 形参是函数定义中的占位符，其值在函数调用时由实参传递给它。

• 形参通常用于指定函数的输入参数。

def greet(name):
    print("Hello,", name)

# 在这个函数中，name 就是一个形参

在上面的例子中，name 是函数 greet 的形参，它用来接收调用函数时传递的实际参数值。

实参（实际参数）

• 实参是函数调用时传递给函数的实际数值或对象，它们是真实存在的数据，用来填充函数定义中的形参。
• 实参是函数调用时实际提供给函数的值。

greet("yushifu")

# 在这个函数调用中，"yushifu" 就是一个实参

在这个例子中，“Alice” 是传递给函数 greet 的实参，它会被赋值给函数定义中的形参 name。

关系和作用

• 关系：

  • 实参是在调用函数时传递给函数的值，填充函数定义中的形参。
  • 形参是在函数定义时声明的参数，用来接收调用函数时传递的实际参数值。

• 作用：

  • 形参用于指定函数的输入参数，在函数定义中起到接收外部数据的作用。
  • 实参用于传递真实数据给函数，在函数调用时起到向函数传递信息的作用。

def add_numbers(x, y):  # x, y 是形参
    sum = x + y
    print("The sum is:", sum)

add_numbers(3, 5)  # 3, 5 是实参

# 输出: The sum is: 8

在这个例子中，x 和 y 是函数 add_numbers 的形参，当我们调用 add_numbers(3, 5) 时，3 和 5 分别是传递给 x 和 y 的实参，用于计算两个数的和。

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五、内嵌函数

• 内嵌函数（Nested Functions）指的是在一个函数内部定义的另一个函数。
• 内嵌函数在外部函数内部声明，且只能在外部函数内部被调用。

内嵌函数的定义和调用

在 Python 中，可以在一个函数的内部定义另一个函数，这就是内嵌函数。内嵌函数只能在包含它的外部函数内部调用。

def outer_function():
    def inner_function():
        print("This is the inner function")

    inner_function()  # 在外部函数内部调用内嵌函数

outer_function()
# 输出: This is the inner function

在上面的例子中，inner_function 就是 outer_function 的内嵌函数。在 outer_function 的内部，我们调用了 inner_function。

内嵌函数的作用和用法

1. 封装和隐藏： 内嵌函数可以帮助我们将一些逻辑相关的代码封装在外部函数内部，从而隐藏实现细节，使代码更加模块化和可维护。

2. 代码复用： 内嵌函数可以在外部函数内部被重复调用，实现代码复用，避免重复编写相似的逻辑。

3. 闭包（Closure）： 内嵌函数可以形成闭包，即可以访问外部函数的局部变量，从而实现一些特殊的功能，如记忆化、延迟计算等。

4. 限制作用域： 内嵌函数可以限制其作用域，避免与外部函数的其他部分发生命名冲突，提高代码的可维护性。

5. 模块化设计： 使用内嵌函数可以更好地进行模块化设计，将功能逻辑划分为更小的单元，提高代码的可读性和可维护性。

注意事项

• 内嵌函数只能在包含它的外部函数内部调用，外部函数的其他部分无法直接访问内嵌函数。
• 内嵌函数可以访问外部函数的局部变量，形成闭包的特性。
• 内嵌函数的作用域仅限于外部函数内部。

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