本文翻自：Allen B. Downey ——《Think Python》
原文链接：http://www.greenteapress.com/thinkpython/html/thinkpython005.html
翻译：Simba Gu

[自述：感觉从这一章开始算是有点“干货”了，很容易激起初学者的兴趣，想当年上学的时候就是老师随便写的一个循环语句让两个大于号“>>”沿着屏幕绕圈就像贪吃蛇一样，吸引了我并且让我入了写程序这个“坑”]

第四章

学习案例：接口设计

本章示例代码可以从这里下载：
http://thinkpython.com/code/polygon.py

4.1 TurtleWorld

　　为了配合本书，我写了一个Swampy包，你可以从这里下载并按照上面的说明安装到你的系统：http://thinkpython.com/swampy
　　包是一个模块的集合，TurtleWorld就是Swampy里面的一个模块，它提供了一些引导小海龟在屏幕上画线的函数集。你只要在系统中安装了Swampy包就可以导入TurtleWorld模块：
　　

from swampy.TurtleWorld import *

　　如果你下载了Swampy包，但是没有安装，你可以在Swampy的根目录调试程序，或者把该目录添加到Python可以搜索的路径中去，然后再这样导入TurtleWorldlike ：
　　

from TurtleWorld import *

　　安装过程和Python搜索路径的设置，取决于你的系统，本书就不作具体描述，如有疑问请参考此链接：http://thinkpython.com/swampy
　　建立一个文件mypolygon.py，输入下面的代码：
　　

from swampy.TurtleWorld import *world = TurtleWorld()
bob = Turtle()
print bobwait_for_user()

　　第一行代码表示从swampy包导入TurtleWorld 模块。接下来一行建立一个TurtleWorld 对象和Turtle对象分别赋值给变量world和bob。打印bob变量你会看到类似这样的结果：

<TurtleWorld.Turtle instance at 0xb7bfbf4c>

　　这表示bob变量引用了TurtleWorld 模块的一个实例 Turtle。从上下文中可以看出，“实例”表示集合的一个成员，这里的Turtle实例可以是一组或者集合中的一个。
　　这里的 wait_for_user 告诉TurtleWorld 等待用户下一步操作，尽管在这个案例中除了等用户关闭窗口之外并无其它。
　　TurtleWorld 提供了一些turtle转向的函数：fd和bk用于前进和后退，lt和rt用于左右转弯。并且每一个Turtle对象都有一支“笔”，可以落下或提起，如果笔落下，当Turtle对象移动的时候就会留下痕迹。函数pu和pd分别表示“提笔”和“落笔”。
　　下面的代码可以画一个直角（代码放在建立的bob对象和 wait_for_user 函数之间）：　　

fd(bob, 100)
lt(bob)
fd(bob, 100)

　　第一行代码让bob向前移动100，第二行让它向左转弯。当你运行程序的时候，你就可以看到bob向东向北移动并留下了运行轨迹。
　　请修改代码画一个正方形。在实现此功能之前请不要继续本章内容！

4.2 简单循环

　　你可能写了这样的代码（此处省略了建立TurtleWorld 对象和调用wait_for_user 函数）

fd(bob, 100)
lt(bob)fd(bob, 100)
lt(bob)fd(bob, 100)
lt(bob)fd(bob, 100)

　　我们还可以用for循环语句来实现重复的功能。请添加以下代码到mypolygon.py脚本文件并运行：

for i in range(4):print 'Hello!'

　　你应该可以看到下面的结果：

Hello!
Hello!
Hello!
Hello!

　　这个例子里面用到了for语句，后面我们还会看到更多。但是这足以让你重新编写画正方形的程序，下面就是for语句实现的代码：

for i in range(4):fd(bob, 100)lt(bob)

　　for语句的语法类似函数定义，它有一个以冒号结尾的头和缩进的正文，正文内可以包含任意数量的语句。
　　for语句有时被称为循环，因为执行流程经过正文处理之后又回到循环的顶部。在这个案例中，正文内容被执行了4次。
　　这里的代码跟之前画正方形的代码有些不同，因为在画出了正方形之后又进行了一次转弯，这样会花费额外的处理时间，但是如果是重复的动作，这样会简化代码，而且for循环的这个版本让Turtle回到原点之后也恢复了初始的方向。

4.3 练习

　　下面是TurtleWorld系列的一些练习，这些本来是为了好玩，但是其中也不乏一些编程思想。当你在练习的时候请思考一下重点是什么。
　　本书提供了下面练习的解决方案，你可以先尝试一下，不要直接抄答案。

　　　　1. 编写一个名为square的函数，它传递一个名为 t 的turtle对象参数，实现用turtle对象画一个正方形。编写一个函数调用，将bob作为参数传递给square，然后再次运行程序。

　　　　2. 在square函数添加另一个名为length的参数。修改函数内容，实现所画正方形的边长度为length，然后修改函数调用，加入第二个参数，再次运行程序。使用一定长度范围的值来测试程序。

　　3. 默认情况下，lt和rt函数进行90度旋转，但您可以提供第二个参数，指定角度的数量。例如，lt(bob, 45) 可以让bob向左旋转45度。复制一个square函数，把它的名字改成polygon。再添加另一个名为n的参数并修改polygon函数主体，使其绘制一个n边正多边形。提示:n边正多边形的外角是360/n 度。

　　4. 编写一个名为circle的函数，该函数以turtle对象 t 和半径 r 为参数，通过调用具有适当长度和边数的多边形来绘制一个近似圆。用一定范围的 r 来测试函数。

• 提示:求出圆的周长，确保 length * n = circumference。
• 另一个提示:如果你觉得 bob 速度太慢，你可以通过改变bob.delay(移动间隔时间)来加快速度，以秒为单位，例如 bob.delay = 0.01。

　　5. 制作一个更通用的circle 函数，添加一个额外的参数angle，用来决定画一个圆弧的哪个部分。以angle为单位，当angle=360时，circle 函数就会画一个完整的圆。

4.4 封装

　　上文中的第一个练习要求将画正方形图形的代码放入函数定义中，然后调用函数，并将turtle作为参数传递。解决方案如下：

def square(t):for i in range(4):fd(t, 100)lt(t)square(bob)

　　在最内层的语句，fd 和 lt 缩进两次以表名它们位于for循环中，而for循环位于函数定义中。函数调用行square(bob)与左侧空白齐平，因此这是for循环和函数定义的结尾。
　　在函数内部，t 表示Turtle对象bob，因此 lt(t) 与 lt(bob) 具有相同的效果。那这里为什么不直接调用参数bob呢？这是因为这里的 t 可以是任何Turtle对象，而不仅仅是bob，因为你可以创建另一个Turtle对象并将它作为参数传递给square函数：

ray = Turtle()
square(ray)

　　在函数中包装一段代码称为封装。封装的好处之一是它可以将一个名称附加到代码上，作为一种文档。另一个优点是，如果重用代码，调用函数两次比复制和粘贴主体更简单方便!

4.5 泛化

　　接下来是给square函数添加一个参数length。实现代码如下：

def square(t, length):for i in range(4):fd(t, length)lt(t)square(bob, 100)

　　向函数添加参数称为泛化，因为它使函数更通用:在以前的版本中，正方形的大小是相同的；在这个版本中，它可以是可变的。
　　下一步也是泛化。polygon 函数是画出任意数量的正多边形，而不是正方形。实现代码如下：

def polygon(t, n, length):angle = 360.0 / nfor i in range(n):fd(t, length)lt(t, angle)polygon(bob, 7, 70)

　　这段代码将绘制一个边长度为70的7边形。如果函数有多个数值参数，那将会很容易忘记它们是什么，或者它们应该处于什么顺序。在参数列表中包含参数的名称是合法的，有时是很有帮助的:

polygon(bob, n=7, length=70)

　　这些被称为关键字参数，因为它们包含参数名作为“关键字”(不要与Python关键字，如while和def等混淆)。
　　这种语法使程序更具可读性，还提醒了参数和参数是如何工作的:当您调用一个函数时，实参数被分配给形参。

4.6 接口设计

　　下一步就是写以半径 r 为参数的circle函数。这里有一个简单的解决方案，就是用polygon 函数画一个50面的多边形。

def circle(t, r):circumference = 2 * math.pi * rn = 50length = circumference / npolygon(t, n, length)

　　第一行计算圆的周长，公式为2π*r。因为我们使用到了pi值，所以需要导入math模块。按照惯例，通常import语句都位于脚本的开头。
　　n是画一个圆需要的近似的线的段数，所以length是每个线段的长度。因此，polygon 函数绘制了一个50边的多边形，它近似于一个半径为 r 的圆。
　　这个解决方案有一个限制就是 n 是常数，这意味着对于很大的圆，每一个线段太长，对于小的圆来说又浪费时间画很小的线段。因此，一个解决方案是把n作为参数来泛化这个函数。这将给用户(无论谁调用circle函数)更多的控制，但界面将会变得有些乱。
　　函数的接口是如何使用它:参数是什么?函数可以做什么?返回值是多少?如果接口“尽可能简单，但不简单”，那么它就是“精炼”的。(爱因斯坦)
　　在本例中，变量 r 属于接口，因为它指定了要绘制的圆。n 则不是，因为它是函数内部如何渲染圆的局部变量。
　　因此，与其让界面混乱，还不如根据周长选择合适的 n 的值:

def circle(t, r):circumference = 2 * math.pi * rn = int(circumference / 3) + 1length = circumference / npolygon(t, n, length)

　　现在画线的段数是(大约)circumference/3，所以每个段的长度是(大约)3，每一段线的长度足够小，这样画出来的圆看起来才平滑，只要线的段数大到足够有效，就可以画出任何大小的圆。

4.7 重构

　　当我在写circle函数的时候我可以重用polygon函数，应为一个许多边的多边形就是一个近似的圆。但是圆弧却不能重用circle和polygon函数。
　　有一个可选的方法就是复制一份polygon函数，再改成 arc 函数。改完之后大致如下：

def arc(t, r, angle):arc_length = 2 * math.pi * r * angle / 360n = int(arc_length / 3) + 1step_length = arc_length / nstep_angle = float(angle) / nfor i in range(n):fd(t, step_length)lt(t, step_angle)

　　这个函数的后半部分看起来像polygon函数，但是我们不能在不改变接口的情况下重用polygon函数。我们可以泛化polygon函数以一个角度作为第三个参数，但polygon将不再是一个合适的函数名字! 我们可以用一个更通用的函数名称polyline:

def polyline(t, n, length, angle):for i in range(n):fd(t, length)lt(t, angle)    

　　因此可以把polyline函数重新改写polygon函数和arc 函数：

def polygon(t, n, length):angle = 360.0 / npolyline(t, n, length, angle)def arc(t, r, angle):arc_length = 2 * math.pi * r * angle / 360n = int(arc_length / 3) + 1step_length = arc_length / nstep_angle = float(angle) / npolyline(t, n, step_length, step_angle)

　　最后，我们可以用arc函数重写circle函数：

def circle(t, r):arc(t, r, 360)

　　这个过程——重新安排程序以改进功能接口并促进代码重用可以称为“重构”。在本例中，我们注意到在arc和polygon函数中有类似的代码，因此我们将其分解为polyline函数。
　　如果我们提前规划代码，我们可能会首先编写polyline函数并避免重构，但通常在项目开始的时候，您对程序设计中所需要的接口还不够了解。只有在开始编写代码之后，您才会更好地理解问题。某种程度上来说，当你开始重构的函数的时候标志着你已经学会了一些东西了。

4.8 开发方案

　　开发计划是一个编写程序的过程。我们在本案例研究中使用的过程是“封装和泛化”。这项工作的步骤如下：
　　首先编写一个没有函数定义的小程序。
　　一旦程序可以正常运行，再把它封装在一个函数中，并且给函数起个名字。
　　通过添加适当的参数来拓展该函数。
　　重复步骤1–3，直到你有一个函数的集合。复制并粘贴工作代码，以避免重复输入（和重新调试）。
　　通过重构寻找改进程序的机会。例如，如果您在几个地方有类似的代码，考虑将其分解为适当的通用函数。
　　这个过程是有一些缺点的——我们在本书的后面会有替代方案——如果你不知道如何将程序划分为函数，这也不影响你继续本书的学习。

4.9 文档字符串

　　docstring是函数开头的一个字符串，用于解释接口（“doc”是“documentation”的缩写）。这里有一个例子：

def polyline(t, n, length, angle):"""Draws n line segments with the given length andangle (in degrees) between them. t is a turtle.""" for i in range(n):fd(t, length)lt(t, angle)

　　这个docstring是一个用三引号括起来的字符串，也称为多行字符串，因为三元引号允许字符串跨越多行。
　　它很简洁，但是它包含了一些函数所需要的重要信息。它简明地解释了函数的作用（没有详细介绍它是如何完成的）。它解释了每个参数对函数行为的影响，以及每个参数应该是什么类型（如果不是很明显的话）。
　　编写这种文档是接口设计的一个重要部分。设计良好的接口应该很容易解释；如果您在解释您的某个函数时遇到了困难，这意味着这个接口还可以再改进。

4.10 调试

　　接口就像函数和调用者之间的契约。调用方同意提供某些参数，该函数同意执行某些工作。
　　例如，polyline 函数需要四个参数：t 必须是Turtle对象，n是线段的数目，所以n必须是一个整数；length应该是一个正数；angle必须是一个数字，表示角度的意思。
　　这些需求被称为先决条件，因为它们应该在函数开始执行之前准备好。相反，函数末尾的条件是后置条件。后置条件包括函数的预期效果（比如画线段）和任何副加作用（如移动Turtle或在TurtleWorld中进行其他修改）。
　　先决条件是调用方的责任。如果调用方违反了一个（适当的文档化的）先决条件，并且函数不能正常工作，那问题就在函数调用的地方，而不是函数里面。

4.11 术语表

实例：
　　一个集合中的成员。本章中的TurtleWorld是TurtleWorld集合的成员。
循环：
　　程序中可以重复执行的部分。
封装：
　　将语句序列转换为函数定义的过程。
概括：
　　用适当的通用（如变量或参数）替换不必要的特定对象（如数字）的过程。
关键参数：
　　包含参数名称作为“关键字”的参数。
接口：
　　描述如何使用一个函数，包括参数的名称和描述以及返回值。
重构：
　　修改工作程序的过程，以改进函数接口和代码的其他质量。
开发计划：
　　编写程序的过程。
文档字符串：
　　在函数定义中显示的用于记录函数接口的字符串。
先决条件：
　　函数启动前调用方应该满足的需求。
后置条件：
　　函数结束前应该满足的需求。

4.12 练习

练习 1
　　从http://thinkpython.com/code/polygon.py下载本章下载本章中的代码。
　　为polygon、arc 和circle函数编写适当的文档。
　　绘制一个堆栈图，显示执行圆时程序的状态（bob，radius）。您可以手工进行算术或向代码中添加打印语句。
　　第4.7节中弧的版本不是很精确，因为圆的线性近似总是在真圆之外。因此导致Turtle离正确的目的地还差了几个单位。我给出的解决方案减小此错误影响的方法。请阅读代码，看看它对您是否有意义。如果你画一个图表，你可能会看清除它是如何工作的。

图4.1

练习 2
　　编写一组适当的通用函数，可以绘制如图4.1所示的图案。
　　解决方案：
　　http://thinkpython.com/code/flor.py
　　http://thinkpython.com/code/polygon.py

图4.2

练习 3
　　编写一组适当的通用函数，可以绘制如图4.2所示的形状。
　　解决方案：http://thinkpython.com/code/pie.py

练习 4
　　字母表中的字母可以用一定数量的基本元素构成，如垂直线和水平线以及一些曲线。设计一种字体，它可以用最少的基本元素绘制，然后编写绘制字母的函数。
　　您需要为每个字母编写一个函数，并命名为draw_a, draw_b, ...等，并将您的函数放入名为letters.py 的文件。你可以从可以从 http://thinkpython.com/code/typewriter.py 下载一个下载一个“Turtle打字机”来帮助你测试你的代码。
　　解决方案：
　　http://thinkpython.com/code/letters.py
　　http://thinkpython.com/code/polygon.py

练习 5
　　请阅读请阅读 http://en.wikipedia.org/wiki/Spiral 上的相关文章；然后编写一个绘制阿基米德螺旋（或其他种类的程序）
　　解决方案：
　　http://thinkpython.com/code/spiral.py.

#英文版权  Allen B. Downey
#翻译中文版权  Simba Gu
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