適度用 Python 海象運算子提高程式碼可讀性與簡潔

Posted on  Apr 23, 2024  in  Python 程式設計 - 中階  by  Amo Chen  ‐ 5 min read

Python 3.8 推出 1 個新的運算子 — Walrus Operator, 又稱海象運算子，其運算符號為 :=。

Python 社群對海象運算子有一些爭議，主要是：

  1. 海象這個名稱不夠明白、直覺，無法讓人直接從名稱了解其用途
  2. 無法向下相容，如果你是套件開發者，用了海象運算子就會有 3.8 以前的相容問題要解決
  3. := 與 = 符號太相似，難以快速識別

但無論其爭議為何，海象運算子只用 1 個新的符號，就能使程式碼變得簡潔之外，還能同時滿足 Python 使用者的習慣，長遠來看其實是利大於弊。

譬如下列程式碼，在使用海象運算子之後，其實只需要 2 行即可：

x = input('> ')
while x:
    print(x)
    x = input('> ')

因此，學會適度使用海象運算子是可以帶來好處的！

本文將介紹海象運算子與幾個適合使用海象運算子的場景。

本文環境

  • Python 3.8 以上

海象運算子 / Walrus operator / :=

海象運算子 := , 原文為 Walrus operator, 之所以稱為海象是因為 := 看起來像是倒在地上的海象的眼晴跟一對長牙。

海象運算子是 Python 3.8 之後推出的運算子（其提案為 PEP 572 - Assignment Expressions ），是除了 = 運算子之外的另一種賦值的方式，主要用途是減少重複程式碼或者重複執行的程式碼，讓 Python 程式碼變得更簡潔、高效。

其語法為：

NAME := expr

p.s. expr 可以是任何 Python 的表達式

海象運算子的作用為先執行完運算子右側的 expr 之後，再將 expr 的值指派給 NAME 變數。

同樣具有賦值的功能， := 相較於 = 而言，有著較多的限制，我們稍後再談這些限制。

使用海象運算子的好例子

理解怎麼使用海象運算子的最好辦法，就是直接看使用前與使用後的對照。

以下是常見用 while 迴圈以固定長度(1024 bytes)讀取檔案的範例：

file = open('text.txt', 'rb')
chunk = file.read(1024)
while chunk:
    print(chunk)
    chunk = file.read(1024)

上述範例可以看到我們打開檔案之後，需要先以一行 chunk = file.read(1024) 讀取部分內容，接著才能進入 while 迴圈， while 迴圈會判斷 chunk 是否有內容，才能執行迴圈內的程式，在迴圈結束之前，我們需要再讀取一次檔案，並將內容放到 chunk 內，下一次迴圈才有辦法繼續執行。

如此簡單的範例，暴露 Python 語法層面的不足，導致有重複程式碼的問題產生，相同的程式碼 chunk = file.read(1024) 出現了 2 次。

但如果能夠將前述範例改為類似以下的形式，程式碼將會更簡潔：

file = open('text.txt', 'rb')
while chunk = file.read(1024) and chunk:
    print(chunk)

可惜的是， Python 不支援上述寫法，上述寫法會拋出語法錯誤：

    while chunk = file.read(1024) and chunk:
                ^
SyntaxError: invalid syntax

Python 3.8 之後，藉由 := 海象運算子的幫助，使得前述比較好的寫法能夠實現，以下是改良後的寫法：

file = open('text.txt', 'rb')
while chunk := file.read(1024):
    print(chunk)

看起來是否更簡潔了！這就是海象運算子帶來的好處！

再多看 1 個使用海象運算子的前後對照，抓一下感覺。

海象運算子使用前：

x = input('> ')
while x:
    print(x)
    x = input('> ')

海象運算子使用後：

while x := input('> '):
    print(x)

PEP 572 所觀察到的範例（田野調查實錄）

PEP 572 提到 Guido 在 Dropbox 的 code base 有觀察到 Python 程式碼存在一些現象，譬如 Python 使用者寫喜歡寫更少的行數，而非較短的多行程式碼。

與其寫出正確高效的程式：

match = re.match(data)
group = match.group(1) if match else None

Python 使用者更可能喜歡：

group = re.match(data).group(1) if re.match(data) else None

然而，上述程式碼卻會讓程式變慢，因為它重複執行 re.match(data) 2 次。

使用海象運算子之後，將可以避免重複執行的情況，同時滿足 Python 使用者喜歡用 1 行解決的需求：

group = m.group(1) if m := re.match(data) else None

另外， Python 使用者也會盡可能地減少縮排的情況，譬如下列程式，該範例中使用 2 個正規表示式，用以比對(match) 2 種 pattern 的其中 1 種：

match1 = pattern1.match(data)
if match1:
    result = match1.group(1)
else:
    match2 = pattern2.match(data)
    if match2:
        result = match2.group(1)
    else:
        result = None

為了減少縮排， Python 使用者更可能傾向於使用下列寫法：

match1 = pattern1.match(data)
match2 = pattern2.match(data)
if match1:
    result = match1.group(1)
elif match2:
    result = match2.group(1)
else:
    result = None

上述範例使得所有 data 都會經過 2 次正規表示式比對(match)，而原始版本在最佳情況可以只執行 1 次正規表示式的比對。

使用海象運算子之後，同樣可以滿足減少縮排情況，並維持程式碼的效率：

if match1 := pattern1.match(data):
    result = match1.group(1)
elif match2 := pattern2.match(data):
    result = match2.group(1)
else:
    result = None

海象運算子運用在 List Comprehension 的範例

PEP 572 所提到的 Python 使用者喜歡用 1 行或很少的行數解決問題，因此可能導致程式效率下降，這種情況在 List Comprehension 也很常見，下列範例即是如此，下列範例使用 list comprehension 過濾不符格式的年月份字串，並且將年月份的字串以 - 符號分隔之後，轉成 list of tuples 儲存：

raw_data = ['2024-01', 'unknown', '2024-02', '2024-03']

year_mon_tuples = [
    tuple(s.split('-'))
    for s in raw_data
    if len(s.split('-')) == 2
]

上述範例在 if len(s.split('-')) == 2 檢查格式時，已經先分割字串過 1 次，但在轉成 tuple 時， tuple(s.split('-')) 又分割 1 次字串，造成效率問題，但 list comprehension 真的太香了，你又怎能抗拒這種寫法呢？

同樣的需求，轉成使用海象運算子之後，上述效率問題就解決囉：

raw_data = ['2024-01', 'unknown', '2024-02', '2024-03']

year_mon_tuples = [
    tuple(r)
    for s in raw_data
    if len(r := s.split('-')) == 2
]

上述的重點在於 len(r := s.split('-')) 其實等同於下列寫法：

r = s.split('-')
len(r)

解放 List Comprehension 更多可能性

有了海象運算子之後，不僅能夠改善為了可讀性犧牲效率、為了用更少行數完成功能而犧牲效率等問題，其實也為 list comprehension 帶來更多可能性。

譬如下列程式碼是產生 0 到 9 的累計和(cumulative sum) list 的程式，累計和結果會是：

[
  0,  # 0
  1,  # 0 + 1
  3,  # 0 + 1 + 2
  6,  # 0 + 1 + 2 + 3
  ... # 以此類推
]

我們可能會用以下 Python 程式碼產生 0 到 9 的累計和：

cumulative_sum = []
for x in range(0, 10):
    if not cumulative_sum:
        cumulative_sum.append(x)
    else:
        cumulative_sum.append(cumulative_sum[-1] + x)

但是藉由海象運算子，我們可以將上述程式轉變為 list comprehension 形式，盡情享受 Python 的優美：

sum = 0
cumulative_sum = [sum := sum + x for x in range(0, 10)]

可以說海象運算子解放了 list comprehension 更多可能性！

海象運算子的限制與問題

海象運算子雖然方便，但仍有些限制，如果不注意的話，就會出現 SyntaxError 。

海象運算子 := 不能直接當 = 用

記住， Python 的 := 不能像 Go 一樣直接當作 = 使用，以下範例會直接拋出 SyntaxError :

x = 0
x := x + 1

錯誤：

    x := x + 1
      ^
SyntaxError: invalid syntax

如果真的一定要可以運作，就只能用小括號將 x := x + 1 包起來：

x = 0
(x := x + 1)

但是真心不建議這樣使用，因為很違反直覺，容易造成可讀性下降。

海象運算子使用時，最好加上小括號

前面說過海象運算子右側的 expr 可以是任何 Python 的表達式，所以它會忠實地從左到右執行，再對最後的結果進行賦值。

例如，下列程式碼 sum 列印出來的值會是 True ，因為 Python 先執行 2 + 2 > 3 得到值為 True ，再將 True 賦值給變數 sum：

if sum := 2 + 2 > 3:
   print(sum)

但按照程式碼的原意其實正確的寫法如下， sum 列印出來的值是 4 才對：

if (sum := 2 + 2) > 3:
    print(sum)

這就是為什麼使用海象運算子最好加上小括號的原因，我們最好讓 Python 明確知道海象運算子右側的 expr 到哪裡為止，而不是讓它一路從左執行到右。

總結

其實撇除爭議認真體驗 walus operator 所要解決的問題的話，是可以感受到 walrus operator 所帶來的好處。

既然是真的有用，那其實適度使用也無妨啦！

以上！

Enjoy!

References

PEP 572 – Assignment Expressions

python

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