Python 入門指南 5.0

單元 17 - 型態標記與檢查資料型態

～～學習進度表～～

Python 在 3.5 之前一直都是不需要標記型態 (type annotation) ，直到 3.5 才加入標記型態的方式

variable: type
def function() -> type

但是要注意這只是標記而已，直譯器 (interpreter) 並不會因為型態不同而挑出錯誤，如果要檢查標記過的型態是否與提供的值吻合，需要借助具有檢查功能 IDE 或型態檢查器 (type checker) 。

型態標記的方式是要讓程式更好除錯 (debug) ，相對也就更好維護，以下先示範變數 (variable) 的型態標記方式

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# 替變數 d 做型態標記
d: int
# 設定變數 d 為整數 10
d = 10
# 印出變數 d
print(d)

# 檔名: check_demo01.py
# 說明:《Python入門指南》的範例程式
# 網站: http://kaiching.org
# 作者: 張凱慶
# 時間: 2023 年 5 月

對變數進行型態標記，就是在變數識別字 (identifier) 之後加上冒號，冒號後為型態識別字

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d: int

下面是設定變數，然後印出變數，執行結果如下

$ python check_demo01.py
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參數 (parameter) 的標記方式跟變數一樣，至於函數回傳值 (return value) 如果要做標記型態，那要在函數小括弧後面加上 -> ，然後接上型態識別字，最後接上冒號，以下為簡單例子

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# 定義型態標記的函數
def do_something(a: int) -> int:
    # 回傳參數 a
    return a

# 以下是執行部分
# 印出 do_something() 的回傳值
print(do_something(11))

# 檔名: check_demo02.py
# 說明:《Python入門指南》的範例程式
# 網站: http://kaiching.org
# 作者: 張凱慶
# 時間: 2023 年 5 月

第 2 行定義的 do_something() 函數除了標記參數 a 的型態外，也標記了回傳值型態

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def do_something(a: int) -> int:
    return a

底下執行部分就是直接印出 do_something() 函數的回傳值，執行結果如下

$ python check_demo02.py
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嚴格說，型態標記在 Python 中只是輔助而已，如果希望程式中自動進行型態檢查，這時候需要借助關鍵字 (keyword) assert ， assert 會檢查其後的運算式是否為 True ，如果為 False ，就會發起 AssertionError 例外 (exception) 。

底下示範一個比較複雜的例子

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# 定義型態標記的函數
def do_something(a: int) -> int:
    try:
        # 檢查參數 a 是否為整數
        assert type(a) is int
    except AssertionError:
        # 判斷參數 a 是否為浮點數
        if type(a) is float:
            # 將 a 整數化
            a = int(a)
        # 判斷參數 a 是否為字串
        elif type(a) is str:
            # 判斷參數 a 是否為數字字串
            if a.isnumeric():
                # 將 a 整數化
                a = int(a)
        # 處理參數 a 不是整數的情況
        if type(a) is not int:
            a = 0

    # 回傳參數 a
    return a

# 以下是執行部分
# 印出 do_something() 的回傳值
print(do_something("12"))
print(do_something("ab"))
print(do_something("c22"))
print(do_something("22c"))
print(do_something(5.9))
print(do_something(4+3j))

# 檔名: check_demo03.py
# 說明:《Python入門指南》的範例程式
# 網站: http://kaiching.org
# 作者: 張凱慶
# 時間: 2023 年 5 月

do_something() 函數 (function) 需要一個參數並且回傳這個參數，但是先對 a 進檢查，注意由於 assert 可能會發起例外，所以要放到 try 底下

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    try:
        assert type(a) is int

內建函數 type() 會回傳參數的型態物件，內建型態識別字也是該型態的型態物件，如果兩個是一樣的就不會發生例外。

底下 except 處理發生 AssertionError 例外的情況，依次判斷參數是否為浮點數 (floating-point number) 、字串 (string) 等情況

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    except AssertionError:
        if type(a) is float:
            a = int(a)
        elif type(a) is str:
            if a.isnumeric():
                a = int(a)
        if type(a) is not int:
            a = 0

簡單說，如果參數 a 不是整數，就會判斷 a 是否為浮點數或數字字串，如果是這兩種情況，就會運用內建函數 int() 轉換為整數，最後如果 a 還不是整數，那就將 a 設定為整數 0 。

底下執行部分是用不同的參數來測試這個新版的 do_something() 函數

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print(do_something("12"))
print(do_something("ab"))
print(do_something("c22"))
print(do_something("22c"))
print(do_something(5.9))
print(do_something(4+3j))

執行結果如下

$ python check_demo03.py
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利用型態檢查的技巧，我們可以在 Python 中實現函數多載 (overloading) 的特性，所謂函數多載是指函數可以有多種參數列 (parameter list) 版本，以下為一個簡單例子

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# 定義型態標記的函數
def do_something2(a: int, b: int = None) -> int:
    # 判斷 b 是否有值
    if b is not None:
        # 回傳參數相加值
        return a + b
    else:
        # 回傳參數 a
        return a

# 以下是執行部分
# 印出 do_something2() 的回傳值
print(do_something2(10, 12))
print(do_something2(23))

# 檔名: check_demo04.py
# 說明:《Python入門指南》的範例程式
# 網站: http://kaiching.org
# 作者: 張凱慶
# 時間: 2023 年 5 月

do_something2() 是將第二個參數 b 預設為 None

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def do_something2(a: int, b: int = None) -> int:
    if b is not None:
        return a + b
    else:
        return a

簡單說，如果參數 b 不是 None ，就會將參數 b 列入計算，此例是回傳 a 加上 b 的值，反之只會計算參數 a ，此例是回傳 a 。

底下執行部分就分成兩種呼叫方式，先是提供兩個參數，接著是只有一個參數

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print(do_something2(10, 12))
print(do_something2(23))

執行結果如下

$ python check_demo04.py
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多載的技巧是讓參數列的參數數量及型態有彈性，但需要加入不少額外的程式碼，在 Python 中才能正常運作多載，所以函數需不需要以多載來設計，說到底還是得看程式需求。

接下來我們看到 Python 程式檔案的層次， Python 檔案就叫做模組 (module) ，模組間可以自由引入，然後我們會再討論怎麼組織模組變成套件 (package) ，也就是 Python 的程式庫 (library) 。

中英文術語對照
除錯debug
例外exception
浮點數floating-point number
函數function
識別字identifier
直譯器interpreter
關鍵字keyword
程式庫library
模組module
多載overloading
套件package
參數parameter
參數列parameter list
回傳值return value
字串string
標記型態type annotation
型態檢查器type checker
變數variable
重點整理
1. 變數或參數如果要做型態標記，是在識別字後面加冒號，後面加上型態識別字，至於函數回傳值做型態標記，是在小括弧後加上 -> ，後面一樣加上型態識別字。
2. 如果型態標記要跟除錯結合，需要用到型態檢查器。
3. 關鍵字 assert 可用來做型態檢查。
4. 函數多載是指函數可以有不同的參數列版本。
問題與討論
1. 為什麼要做型態標記？做型態標記對除錯有什麼幫助？
2. 關鍵字 assert 除了用來檢查參數型態外，還可以做什麼？
3. 什麼是函數多載？為什麼要做函數多載？
練習
1. 承接單元 11 的練習 4 ，將新程式寫在 exercise1701.py 中，替 my_sum() 加入型態標示，並將型態檢查改成 assert 陳述。 參考程式碼
2. 承接單元 11 的練習 5 ，將新程式寫在 exercise1702.py 中，替 factorial() 加入型態標示，並將型態檢查改成 assert 陳述。 參考程式碼
3. 承接單元 11 的練習 6 ，將新程式寫在 exercise1703.py 中，替產生器函數 factorial() 加入型態標示，並將型態檢查改成 assert 陳述。 參考程式碼
4. 承接單元 11 的練習 7 ，將新程式寫在 exercise1704.py 中，替 fibonacci() 加入型態標示，並將型態檢查改成 assert 陳述。 參考程式碼
5. 承接單元 11 的練習 8 ，將新程式寫在 exercise1705.py 中，替產生器函數 fibonacci() 加入型態標示，並將型態檢查改成 assert 陳述。 參考程式碼
6. 承接單元 14 的練習 4 ，將新程式寫在 exercise1706.py 中，替 Calculator 類別加入型態標示，並將型態檢查改成 assert 陳述。 參考程式碼
7. 承接單元 14 的練習 8 ，將新程式寫在 exercise1707.py 中，替 NumberSequence 類別加入型態標示，並將型態檢查改成 assert 陳述。 參考程式碼
8. 承接單元 14 的練習 9 ，將新程式寫在 exercise1708.py 中，替 Factorial 類別加入型態標示，並將型態檢查改成 assert 陳述。 參考程式碼
9. 承接單元 14 的練習 10 ，將新程式寫在 exercise1709.py 中，替 Fibonacci 類別加入型態標示，並將型態檢查改成 assert 陳述。 參考程式碼
10. 承接單元 15 的練習 1 ，將新程式寫在 exercise1710.py 中，替 Point 類別加入型態標示，並將型態檢查改成 assert 陳述。 參考程式碼
11. 承接單元 16 的練習 6 ，將新程式寫在 exercise1711.py 中，替 Animal 類別加入型態標示，並將型態檢查改成 assert 陳述。 參考程式碼
12. 承接單元 16 的練習 7 ，替 Lion 類別加入型態標示，並將型態檢查改成 assert 陳述。 參考程式碼

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