提升Python代碼質(zhì)量：類型提示的運(yùn)用與實(shí)踐
介紹Python類型提示及其應(yīng)用。類型提示可增強(qiáng)代碼可讀性，幫助檢測(cè)錯(cuò)誤，提供更好的IDE支持。通過使用typing模塊，可以擴(kuò)展Python的類型提示功能，編寫更高質(zhì)量的代碼。
使用類型提示的原因
Python 的動(dòng)態(tài)類型特質(zhì)使其與靜態(tài)類型語言（如 C/C++ 和 Java）有所不同。靜態(tài)類型語言中，我們必須先使用特定類型顯式聲明變量，然后才能為變量賦值。在C/C++/Java 程序運(yùn)行過程中，變量只能保存預(yù)定類型的數(shù)據(jù)。
然而，Python 作為動(dòng)態(tài)類型語言，始終為我們提供了無需顯式聲明變量類型的靈活性。以下是在 Python 交互式 shell或腳本中可以使用的示例：
# 定義變量
x = 10
print(type(x)) # 輸出: <class 'int'>
# 現(xiàn)在將一個(gè)字符串分配給同一個(gè)變量
x = "Hello, World!"
print(type(x)) # 輸出: <class 'str'>
# 現(xiàn)在為同一變量指定一個(gè)浮點(diǎn)值
x = 3.14
print(type(x)) # 輸出: <class 'float'>
# 現(xiàn)在為同一變量分配一個(gè)列表
x = [1, 2, 3]
print(type(x)) # 輸出: <class 'list'>在上述例子中，x從整數(shù)(int)開始，然后變成字符串(str)，接著是浮點(diǎn)數(shù)(float)，最后是列表(list)。我們每次使用type()函數(shù)打印x的類型。
雖然這種做法具有一定的優(yōu)點(diǎn)，但是也可能會(huì)產(chǎn)生潛在的錯(cuò)誤和誤解，尤其是在處理大型代碼庫或與團(tuán)隊(duì)協(xié)作時(shí)。例如：
def add(a, b):
return a + b
print(add(1, 2)) # 輸出: 3
print(add("Hello, ", "World!")) # 輸出: Hello, World!
print(add(1, "2")) # 引發(fā)類型錯(cuò)誤為了提高代碼的可讀性并防止某些類型的錯(cuò)誤，Python 3.5 引入了稱為‘類型提示’的可選功能。
Python 類型提示是什么？
類型提示是Python中的一種機(jī)制，用于指出函數(shù)參數(shù)和返回值的預(yù)期類型。它們有助于進(jìn)行靜態(tài)類型檢查，可以使用諸如Mypy、Pyright或Pytype等工具進(jìn)行靜態(tài)類型檢查。類型提示不是由Python解釋器本身強(qiáng)制執(zhí)行的，這意味著它們不會(huì)影響程序的實(shí)際運(yùn)行時(shí)行為。
以下是一個(gè)帶有類型提示的函數(shù)示例：
def greet(name: str) -> str:
return 'Hello, ' + name在此示例中，name:str是一個(gè)類型提示，表明名稱應(yīng)為字符串，而->str則是一個(gè)類型提示，指出函數(shù)應(yīng)返回字符串。
Python 的類型提示可以利用所有標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)類型，以及從模塊中導(dǎo)入定義的數(shù)據(jù)類型，以及用戶創(chuàng)建的自定義類型（如示例 1-5 中所示）。這些類型提示可以在各種上下文應(yīng)用，包括全局變量、函數(shù)和方法中的參數(shù)，以及這些函數(shù)和方法中的局部變量。
類型提示的好處
增強(qiáng)了代碼的可讀性
類型提示使代碼更明確、更易理解。它們標(biāo)明了函數(shù)參數(shù)和返回值的類型，從而令函數(shù)的使用方式更易理解。
錯(cuò)誤檢測(cè)
您可以使用 Mypy、Pyright 或 Pytype 等工具根據(jù)類型提示執(zhí)行靜態(tài)類型檢查。這些工具可以在運(yùn)行代碼之前捕獲與類型相關(guān)的潛在錯(cuò)誤。例如：
def add(a: int, b: int) -> int:
return a + b
# 這將引發(fā)類型檢查錯(cuò)誤，因?yàn)?2'是字符串，而不是整數(shù)。
result = add(1, '2')更好地支持 IDE
許多 IDE 和編輯器（如 PyCharm 或 Visual Studio Code）可以利用類型提示為您提供更好的代碼補(bǔ)全和其他類型的智能幫助功能。
自我記錄代碼
類型提示能作為 Python 解釋器檢查的一種文檔形式。這有助于使文檔與代碼保持同步。例如：
def connect(host: str, port: int, timeout: float = 1.0) -> Connection:
"""連接到給定的主機(jī)和端口。"""
# 實(shí)施在這個(gè)函數(shù)簽名中，我們可以觀察到connect函數(shù)需要一個(gè)字符串類型的主機(jī)、一個(gè)整數(shù)類型的端口和一個(gè)可選的浮點(diǎn)數(shù)類型的超時(shí)（默認(rèn)為1.0），并會(huì)返回一個(gè)Connection對(duì)象。任何閱讀代碼的人，以及任何理解Python類型提示的工具，都可以使用這些信息。
typing模塊
typing模塊是Python標(biāo)準(zhǔn)庫中相對(duì)較新添加的模塊，它通過提供一組特殊的數(shù)據(jù)類型：列表、元組和字典，來擴(kuò)展Python的類型提示功能。
其中的每一個(gè)都對(duì)應(yīng)于Python內(nèi)部的一種類型：列表、元組和字典。雖然Python的內(nèi)置集合可以容納任何類型的項(xiàng)，但typing模塊允許指定集合中包含的項(xiàng)類型，從而提供了更詳細(xì)、信息量更大的類型提示。
例如：
>>> list_1: list = ["Tony", 2, 1.5E2, True]
>>> import typing
>>> list_2: typing.List[float] = [10, 2.50, 4.2E-3]在以上內(nèi)容中，list_1是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)列表，能容納各種類型的元素。另一方面，list_2是typing.List類型的，應(yīng)僅包含浮點(diǎn)數(shù)類型的元素。但是，如果無錯(cuò)誤地追加了nonfloat類型的對(duì)象，則Python運(yùn)行時(shí)會(huì)忽略此提示：
>>> l2.append("test")
[10, 2.5, 0.0042, 'test']typing模塊的主要功能
- 類型提示：為變量和函數(shù)參數(shù)指定預(yù)期類型。
- 泛型類型：用參數(shù)定義類型，如List[int]。
- 類型別名：為復(fù)雜類型創(chuàng)建別名以提高可讀性。
- 函數(shù)重載：定義函數(shù)的多種調(diào)用方式。
- 類型檢查：靜態(tài)類型檢查程序可以使用提示來驗(yàn)證類型的正確性。
最佳實(shí)踐
在Python中，有效地使用typing模塊能極大地增強(qiáng)代碼的可讀性、可維護(hù)性和健壯性。以下是利用這一強(qiáng)大功能的一些最佳實(shí)踐：
- 從公共接口入手：首先為模塊或類的公共接口添加類型提示，這些接口是代碼的其他部分或外部用戶要使用的函數(shù)、方法和類。
- 挑選特定類型：若可能，挑選特定類型，而非通用類型。例如，首選List[int]，別選擇List，或者首選Dict[str，float]，別選Dict。這種獨(dú)特性提供了更清晰的對(duì)函數(shù)預(yù)期和返回的指導(dǎo)，因此使靜態(tài)類型分析器能更好地進(jìn)行錯(cuò)誤檢查。
為復(fù)雜類型創(chuàng)建類型別名：對(duì)于復(fù)雜或頻繁使用的類型，請(qǐng)使用TypeVar和NewType函數(shù)創(chuàng)建類型別名。這不僅提升了可讀性，而且使得日后重構(gòu)或更改類型更方便。
from typing import List, TypeVar
UserId = NewType('UserId', int)
Vector = TypeVar('Vector', List[float], List[int])- 逐步實(shí)行類型提示：Python 的類型系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)是漸進(jìn)式的。您不用一次性注釋所有代碼。可以從最關(guān)鍵的部分開始，逐步增加覆蓋范圍。在大型現(xiàn)有代碼庫中，這種方法更加可行，因?yàn)樵谶@些代碼庫中立即進(jìn)行全面檢修是不切實(shí)際的。
- 對(duì)可為 null 的類型使用 Optional：當(dāng)變量可能為 None 時(shí)，顯式將其標(biāo)記為 Optional。這種做法清楚地說明該變量可以具有 None 值，并強(qiáng)制您在代碼中處理這種情況，因此可以防止看似合理卻可能引起 NoneType錯(cuò)誤的情況出現(xiàn)。
from typing import Optional
def function(arg: Optional[int]) -> None:
...- 利用類型檢查工具：將 mypy 或 pyright 等工具中的類型檢查納入您的開發(fā)工作流程。將這些檢查作為持續(xù)集成流程的一部分運(yùn)行，以便在類型錯(cuò)誤進(jìn)入生產(chǎn)環(huán)境之前將其捕獲。
總結(jié)
本文主要介紹了Python中的類型提示的概念、使用原因以及如何利用其優(yōu)勢(shì)。類型提示可明確代碼意圖、增強(qiáng)代碼可讀性、以及在運(yùn)行代碼之前捕獲類型相關(guān)錯(cuò)誤。typing模塊則進(jìn)一步擴(kuò)展了Python的類型提示功能，可以指定集合中的項(xiàng)類型，從而提供更詳細(xì)、更豐富的類型提示。通過有效地使用本文所述技術(shù)，可以大大提高代碼的可讀性、可維護(hù)性和健壯性。
