5. 代码重复使用的艺术：函数

编程中的函数和我们数学中的函数内涵是不同的。简单说，编程中的函数，其实就是一组代码。那为什么要把这些代码放到一起呢？用任何语言来表达这个问题都会显得抽象和难以理解。我们不如直接回到没有函数的情况下去写代码，亲自体会发明函数的必要性。

5.1 一个例子引入

我们上次学习了如何使用“海龟”先生画图，那我们这次再复习一下用法

我们今天就来画下面这幅图

在画这种图之前，我们肯定先得画一个草图，计算好所有的坐标位置，我们用红色虚线表示坐标轴，两条虚线交点就是原点，如下

大家可以先自己画一画，代码如下

import turtle# 创建一个窗口对象，并赋值给变量window
window = turtle.Screen()# 创建一个海龟对象，并赋值给变量tt
tt = turtle.Turtle()# 抬起画笔
tt.penup()# 将画笔移动到坐标为（150,150）的位置
tt.goto(150, 150)# 落下画笔
tt.pendown()# 右转90度
tt.right(90)# 画外层的大长方形
tt.forward(450)
tt.right(90)
tt.forward(300)
tt.right(90)
tt.forward(450)
tt.right(90)
tt.forward(300)# 画顶部的直角三角形
tt.left(135)
tt.forward(212)
tt.left(90)
tt.forward(212)# 画中心的半圆形
tt.penup()
tt.goto(50, 0)
tt.pendown()
tt.left(225)
tt.circle(50, 180)# 画正方形窗户,需要注意，画完圆形后，画笔朝向已经向下
tt.penup()
tt.goto(50, 0)
tt.pendown()tt.forward(100)
tt.right(90)
tt.forward(100)
tt.right(90)
tt.forward(100)
tt.right(90)
tt.forward(100)# 画窗户中的十字
tt.penup()
tt.home()
tt.pendown()
tt.right(90)
tt.forward(100)tt.penup()
tt.goto(50, -50)
tt.pendown()
tt.right(90)
tt.forward(100)# 隐藏画笔（小三角）
tt.hideturtle()
# 不让窗口立刻退出
window.mainloop()

上面的代码密密麻麻写了60多行，我们仔细观察会发现，其中有很多是重复的代码，比如下面这一段

tt.right(90)
tt.forward(100)
tt.right(90)
tt.forward(100)
tt.right(90)
tt.forward(100)

我们人类的进步是建立在偷懒的基础上的，那就会有人想了，既然是重复的代码，那我们程序员能不能偷一下懒，少写一点呢？这里的例子只有几行重复代码，那如果是一个复杂的程序，有几百行重复的代码呢？这偷懒可不是省下一点点工作量，那是节省了大量的工作量。

这个时候就可以用上我们开头说的函数了，将相关代码放到一起，形成一组代码。修改代码如下

import turtle# 创建一个窗口对象，并赋值给变量window
window = turtle.Screen()# 创建一个海龟对象，并赋值给变量tt
tt = turtle.Turtle()# 抬起画笔
tt.penup()# 将画笔移动到坐标为（150,150）的位置
tt.goto(150, 150)
# 落下画笔
tt.pendown()
# 右转90度
tt.right(90)# 画外层的大长方形
tt.forward(450)
tt.right(90)
tt.forward(300)
tt.right(90)
tt.forward(450)
tt.right(90)
tt.forward(300)# 画顶部的直角三角形
tt.left(135)
tt.forward(212)
tt.left(90)
tt.forward(212)# 画中心的半圆形
tt.penup()
tt.goto(50, 0)
tt.pendown()
tt.left(225)
tt.circle(50, 180)# 画正方形窗户,需要注意，画完圆形后，画笔朝向已经向下
tt.penup()
tt.goto(50, 0)
tt.pendown()tt.forward(100)# tt.right(90)
# tt.forward(100)
# tt.right(90)
# tt.forward(100)
# tt.right(90)
# tt.forward(100)def repeat():tt.right(90)tt.forward(100)# 调用repeat函数
repeat()
repeat()
repeat()# 画窗户中的十字
tt.penup()
tt.home()
tt.pendown()
tt.right(90)
tt.forward(100)tt.penup()
tt.goto(50, -50)
tt.pendown()
tt.right(90)
tt.forward(100)# 隐藏画笔（小三角）
tt.hideturtle()
# 不让窗口立刻退出
window.mainloop()

如上，我们将重复的代码注释掉了（即不再生效），然后定义了一个函数叫repeat，这个函数块里面包含两句代码，这个函数就相当于是一个组，然后调用三次这个函数，就替代了之前被注释的那段代码。我们重新运行程序，功能和之前一模一样。

使用函数封装了一组代码，今后只需要调用这个函数就可以了，这里代码量少，看不出有什么优势，我们后面会接着封装。

5.2 定义函数

我们先学习一下函数的定义方式

def是单词define的缩写，定义的意思。要记住，Python中的所有缩进都是4个空格。这里我们没有定义参数，所以参数列表是空的。要注意，定了一个函数，这个函数里面的代码并不会执行，只有当调用函数时，函数里面的代码才会执行！调用函数就很简单了，我们已经调用过很多次函数了，只需要在函数名后面加一对因为括号就可以。如果这个函数有参数，那么需要在括号中传入参数。

先看一个简单示例

def add(x,y):print(x + y)add(19,1)

输出结果：
20

我们定义了一个加法函数，在参数列表处定义了两个参数x和y，这说明调用这个函数时，必须传入两个参数，否则会报错。定义完成后，我们去调用这个函数，并传入两个参数。参数列表中的参数，其实就是一个变量，变量名可以自己取。

在定义一个函数时，应该将逻辑上的某一种功能封装成一个函数，而我们之前定义repeat函数时，只是简单的将重复代码放到一个函数而已，在逻辑上没有什么意义。但是后面定义的add函数就是有意义的，它对应的功能是将传入的参数相加，它是一个加法函数。

这一次我们就再深入一层，定义函数时，从功能角度去封装。首先观察我们一开始画的那幅图，我们发现它有一处重复的地方，它的最外层是一个三角形加长方形，内部呢，又有一个正方形的窗户。我们知道，长方形和正方形统称为矩形，这样我们就可以定义一个画矩形的函数，然后调用两次这个函数画两个矩形，不就完美了吗？

import turtle# 定义一个函数，画正方形。它有两个参数，第一个是画笔，第二个是边长
def draw_square(pen, length):pen.right(90)pen.forward(length)pen.right(90)pen.forward(length)pen.right(90)pen.forward(length)pen.right(90)pen.forward(length)# 创建一个窗口对象，并赋值给变量window
window = turtle.Screen()# 创建一个海龟对象，并赋值给变量tt
tt = turtle.Turtle()# 调用我们的draw_square函数，将画笔、正方形边长传进函数中
draw_square(tt, 100)tt.hideturtle()
# 不让窗口立刻退出
window.mainloop()

执行这段代码后成功的画了一个正方形，但是我们这个函数一点也不灵活，我们第二次调用的时候，它仍然在原地画了一个正方形，我们希望能传一个坐标，以这个坐标点为右上角，在指定的位置画正方形，另一个问题则是这个函数中仍然有重复的代码，我们再很早之前就讲过，重复的艺术——循环，要画四条边，那我们循环执行四次就可以了，再次改进代码

import turtle# 定义一个函数，画正方形。它有4个参数，第一个是画笔，第二、三是坐标，最后一个是边长
def draw_square(pen, x, y, length):# 抬起画笔pen.penup()# 复位画笔，主要是为了让画笔方向朝向右侧pen.home()# 将画笔移动到指定的点pen.goto(x, y)# 放下画笔pen.pendown()# 通过for循环让块中的代码循环运行四次for i in range(4):pen.right(90)pen.forward(length)# 创建一个窗口对象，并赋值给变量window
window = turtle.Screen()# 创建一个海龟对象，并赋值给变量tt
tt = turtle.Turtle()# 调用draw_square函数，将画笔、右上角x、y坐标，边长传入
draw_square(tt, 30, -100, 50)
draw_square(tt, 30, 100, 50)tt.hideturtle()
# 不让窗口立刻退出
window.mainloop()

运行上面的代码，我们成功的分别以(30, -100)、（30, 100）两个点为右上角画了两个边长为50的正方形。有了我们的draw_square函数，我们再也不需要去写那么多代码画正方形了，每次调用这个函数就可以了，这真是写一个函数，永远受益啊，大家完成这个函数，是不是特别有成就感呢！这里一定要好好体会一下，函数的妙用，以及对代码的封装。

这段代码只有一个地方需要简单说明一下，我们在函数中调用了pen.home()，这是因为每次调用draw_square函数时，我们无法确定画笔在此时的朝向，如果无法确定朝向，我们也根本没办法画正方形，因为我们的画法是默认画笔朝向右侧的，然后我们调用pen.right(90)将画笔转向朝下，然后从右上角开始朝下方画。pen.home()函数就是将画笔复位的意思，调用之后，不管画笔曾经是什么状态，此刻它都已经复位，处于原点位置，且朝向右侧。

到这里，离我们今天的目标已经很近了，我们前面订的目标是写一个画矩形的函数，现在只是完成了画正方形，那该如何改造，让这个函数也能画矩形呢？

import turtle# 定义一个函数，画矩形。它有5个参数，与之前不同的是，我们将边长拆成两个参数，表示宽（width）和高（height）
def draw_rectangle(pen, x, y, width, height):# 抬起画笔pen.penup()# 复位画笔，主要是为了让画笔方向朝向右侧pen.home()# 将画笔移动到指定的点pen.goto(x, y)# 放下画笔pen.pendown()if width == height:for i in range(4):pen.right(90)pen.forward(width)else:for i in range(2):pen.right(90)pen.forward(height)pen.right(90)pen.forward(width)# 创建一个窗口对象，并赋值给变量window
window = turtle.Screen()# 创建一个海龟对象，并赋值给变量tt
tt = turtle.Turtle()# 调用我们的draw_square函数，将画笔、正方形边长传进函数中
draw_rectangle(tt, 30, -100, 50, 50)
draw_rectangle(tt, 30, 100, 50, 90)tt.hideturtle()
# 不让窗口立刻退出
window.mainloop()

我们首先将函数名改为draw_rectangle，意思是画矩形。我们知道，正方形其实就是特殊的矩形，也就是边长相等的矩形。因此我们之前的draw_square函数其实改动不大，我们只是加了一个if-else判断，当宽和高相等时，说明是正方形，那就仍然走以前的代码，如果宽高不相等，那显然是长方形，由于长方形的特殊性，我们的代码只能循环两次，这一点结合上面的画法图很容易理解。最后我们调用draw_rectangle在指定坐标处各画了一个正方形和长方形

到这里我们彻底实现了定义一个函数画矩形的目标，大家一定要好好体会体会这里的妙用。

5.3 使用函数重构代码

最后，使用我们编写的函数，改造最开始我们画房子的代码

import turtle# 定义一个画矩形的函数
def draw_rectangle(pen, x, y, width, height):# 抬起画笔pen.penup()# 复位画笔，主要是为了让画笔方向朝向右侧pen.home()# 将画笔移动到指定的点pen.goto(x, y)# 放下画笔pen.pendown()if width == height:for i in range(4):pen.right(90)pen.forward(width)else:for i in range(2):pen.right(90)pen.forward(height)pen.right(90)pen.forward(width)# 创建一个窗口对象，并赋值给变量window
window = turtle.Screen()# 创建一个海龟对象，并赋值给变量tt
tt = turtle.Turtle()# 画一个300x450的矩形
draw_rectangle(tt, 150, 150, 300, 450)# 抬起画笔
tt.penup()
# 将画笔移动到坐标为（150,150）的位置
tt.goto(150, 150)
tt.pendown()# 画一个直角三角形
tt.left(135)
tt.forward(212)
tt.left(90)
tt.forward(212)tt.penup()
# 移动到（50,0）位置，画一个半圆
tt.goto(50, 0)
tt.pendown()
tt.left(225)
tt.circle(50, 180)# 画一个100x100的正方形
draw_rectangle(tt, 50, 0, 100, 100)# 画窗户中的十字
tt.penup()
tt.home()
tt.pendown()
tt.right(90)
tt.forward(100)tt.penup()
tt.goto(50, -50)
tt.pendown()
tt.right(90)
tt.forward(100)tt.hideturtle()
# 不让窗口立刻退出
window.mainloop()

改造后，代码从逻辑上就异常清晰了。这一章的学习中，我们要学习好函数的使用，充分体会函数的复用性，这种重复使用不仅仅是一次性的，而是今后我们再也不需要去手动的一笔一笔的画矩形了，甚至我们还能把这个函数发给别人使用。而且有了函数后，代码变得更加清晰，一个函数就对应一种功能，以后我们会不断学习函数的使用，写代码中灵活定义函数，这样我们的代码就有了结构，再也不是一锅粥的都写在一起，这就好比写文章我们要分段，绝不是一篇文章只有一段那样。

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