Pythonのデコレータを理解するまで

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Python のデコレータの学習メモです。

デコレータとは?

デコレータは関数やクラスの前後に特定の処理を追加できる機能です。関数やクラス宣言の前に@デコレータ名を記述することで実現できます。クラスで静的メソッドを作る際の@staticmethodや Django の @login_requiredなど何気なく使っていますね。

作り方

関数デコレータを例にデコレータの作り方を見ていきます。

デコレータの実態

関数デコレータの実態は関数を受け取り関数を返す関数です。
例えば@fooというデコレータをbar関数に適応させるには以下のようにします。

@foo
def bar():
    pass

bar()

これは実質以下と同義です。

foo(bar)()

@xxxという書き方をみると何か変わった機能なのかと思うかもしれませんが、ただの関数を受け取り関数を返す関数というのを頭に入れておくと、デコレータの理解が進むと思います。

関数デコレータの作成

関数の開始時間・終了時間・処理結果をプリントするmy_loggerデコレータを作ってみます。

import datetime

def my_logger(f):
    def _wrapper(*args, **keywords):
        # 前処理
        print(f'{f.__name__}の実行')
        print(f'開始: {datetime.datetime.now()}')

        # デコレート対象の関数の実行
        v = f(*args, **keywords)

        # 後処理
        print(f'終了: {datetime.datetime.now()}')
        print(f'実行結果: {v}')

        return v
    return _wrapper

my_logger の内部で_wrapperという関数を宣言し、my_logger の戻り値として_wrapper を返しています。そして_wrapper では、my_logger の引数として受け取った関数を実行し、その戻り値を返します。前処理と後処理については、_wrapper 内で引数として受け取った関数を実行する前後に記述すれば OK です。
このように、関数を受け取り関数を返す関数を作ればデコレータは完成です。

実効結果は以下となります。
しっかり前後の処理が実行されていますね。

@my_logger
def return_one():
    return 1

return_one()
# return_oneの実行
# 開始: 2021-02-16 09:31:40.616712
# 終了: 2021-02-16 09:31:40.616742
# 実行結果: 1

引数を受け取る関数デコレータの作成

引数を受け取るデコレータは、関数を受け取り関数を返す関数をさらに関数でラップすることで実現できます。
デコレータの引数で指定されたタグ名で、関数の戻値をラップするtagデコレータを作ってみます。

def tag(tag_name):
    def _tag(f):
        def _wrapper(*args, **keywords):
            v = f(*args, **keywords)
            return f'<{tag_name}>{v}</{tag_name}>'
        return _wrapper
    return _tag

デコレータの引数を受け取るtag、デコレートする関数を受け取る_tag、前後の処理を実行する_wrapperの三層構造になっています。
実行すると関数の戻り値を、デコレータの引数に渡したタグ名でラップしてくれます。

@tag('h1')
def greet():
    return 'hello decorator'

print(greet())
# <h1>hello decorator</h1>

@を使わない形に書き直すと以下のようになります。
関数を受け取って関数を返す関数という部分は同様ですね。

def greet():
    return 'hello decorator'

decorated_greet = my_tag('h1')(greet)

print(decorated_greet())# <h1>hello decorator</h1>

@wrapsでメタデータを保持する

デコレータの実装時に使える便利なデコレータとして@functools.wrapsがあります。
@functools.wrapsを使うとデコレータ適応時の関数のメタ情報書き換えを防ぐことができます。

例えば、先程作ったmy_loggerを適用した return_one 関数の__name__を参照するとreturn_oneではなく_wrapperが返されてしまいます。
デコレータが適用された時点で return_one 関数は my_logger の _wrapper で置き換えられているのでこのような動きとなります。

@my_logger
def return_one():
    return 1

print(return_one.__name__) # _wrappe

この状態を解消するのが@functools.wrapsです。
@functools.wrapsを使うと _wrapper のメタ情報へのアクセスで、デコレート対象の関数のメタ情報を返してくれるようになります。

my_loggeer を@functools.wrapsを使って実装し直すと正しい関数名を取得出来ます。

import datetime
import functools

def my_logger(f):
    @functools.wraps(f)
    def _wrapper(*args, **keywords):
      # ...
    return _wrapper

@my_logger
def return_one():
    return 1

print(return_one.__name__) # return_one

デコレータを作るときは特別な理由がない限りfunctools.wrapsを使ったほうが良さそうです。

ライブラリの実装を読んでみる - Django login_required -

最後に、せっかくデコレータの仕組みを学んだので実コードではどのように利用されているのか Django のlogin_requiredの実装を読んでみます。

https://github.com/django/django/blob/5fcfe5361e5b8c9738b1ee4c1e9a6f293a7dda40/django/contrib/auth/decorators.py

login_required の処理はdjango/contrib/auth/decorators.pyに記述されています。

django/contrib/auth/decorators.py
django/contrib/auth/decorators.py
def user_passes_test(test_func, login_url=None, redirect_field_name=REDIRECT_FIELD_NAME):
    """
    Decorator for views that checks that the user passes the given test,
    redirecting to the log-in page if necessary. The test should be a callable
    that takes the user object and returns True if the user passes.
    """

    def decorator(view_func):
        @wraps(view_func)
        def _wrapped_view(request, *args, **kwargs):
            if test_func(request.user):
                return view_func(request, *args, **kwargs)
            path = request.build_absolute_uri()
            resolved_login_url = resolve_url(login_url or settings.LOGIN_URL)
            # If the login url is the same scheme and net location then just
            # use the path as the "next" url.
            login_scheme, login_netloc = urlparse(resolved_login_url)[:2]
            current_scheme, current_netloc = urlparse(path)[:2]
            if ((not login_scheme or login_scheme == current_scheme) and
                    (not login_netloc or login_netloc == current_netloc)):
                path = request.get_full_path()
            from django.contrib.auth.views import redirect_to_login
            return redirect_to_login(
                path, resolved_login_url, redirect_field_name)
        return _wrapped_view
    return decorator


def login_required(function=None, redirect_field_name=REDIRECT_FIELD_NAME, login_url=None):
    """
    Decorator for views that checks that the user is logged in, redirecting
    to the log-in page if necessary.
    """
    actual_decorator = user_passes_test(
        lambda u: u.is_authenticated,
        login_url=login_url,
        redirect_field_name=redirect_field_name
    )
    if function:
        return actual_decorator(function)
    return actual_decorator

login_required は内部で user_passes_test 関数を実行してその戻り値を返しています。

def login_required(function=None, redirect_field_name=REDIRECT_FIELD_NAME, login_url=None):
# ...
    actual_decorator = user_passes_test(
        # ...
    )
    if function:
        return actual_decorator(function)
    return actual_decorator

処理の実態は user_passes_test の内部で定義されている_wrapped_view関数です。
この関数の一行目のif test_func(request.user)という条件分岐でログイン済みのリクエストかどうかを判定して、処理を分岐させているようです。

条件を通過する場合は、デコレート対象の view の関数を実効し、通過しない場合はログイン画面へのリダイレクトなどを行っています。

def user_passes_test(test_func, login_url=None, redirect_field_name=REDIRECT_FIELD_NAME):
    # ...
    def decorator(view_func):
        @wraps(view_func)
        def _wrapped_view(request, *args, **kwargs):
            if test_func(request.user):
                return view_func(request, *args, **kwargs)
            # ...
            return redirect_to_login(
                path, resolved_login_url, redirect_field_name)
        return _wrapped_view
    return decorator

判定処理test_funcの実態は、login_required の内部で user_passes_test の第一引数に渡しているlambda u: u.is_authenticated,というラムダです。なので、login_required では、request.userに対して、is_authenticated 関数を呼び出してログイン判定を行っているということですね。

def login_required(function=None, redirect_field_name=REDIRECT_FIELD_NAME, login_url=None):
# ...
    actual_decorator = user_passes_test(
        lambda u: u.is_authenticated,
        login_url=login_url,
        redirect_field_name=redirect_field_name
    )
# ...

終わりに

以上「Python のデコレータを理解するまで」でした。
デコレータは利用側から見るとわりとブラックボックスな処理だったので、この機会に勉強できてよかったなと思っています。使いこなしていきたいです。

参考