爲何 Python 的 f-string 能夠鏈接字符串與數字？

本文出自「Python爲何」系列，歸檔在 Github 上：https://github.com/chinesehuazhou/python-whydo

毫無疑問，Python 是一門強類型語言。強類型語言。強類型語言！（關於強弱類型話題，推薦閱讀這篇 技術科普文）

這就意味着，不一樣類型的對象一般須要先作顯式地類型轉化， 而後才能進行某些操做。

下面以字符串和數字爲例，看看強行操做會產生什麼結果：

>>> "Python貓" + 666
Traceback (most recent call last):
  File "<stdin>", line 1, in <module>
TypeError: can only concatenate str (not "int") to str

它報類型錯誤了（TypeError），說字符串只能鏈接（concatenate）字符串，不能鏈接 int 類型。 這正是強類型語言的基本約束。

可是，若是咱們先把數字「轉化」成字符串類型，再執行「+」操做，就不會報錯了：

>>> "Python貓" + str(666)
'Python貓666'

上面的這個例子，對讀者們來講，應該並不難理解。

由此，咱們要引出一個問題：如何在不做顯式類型轉化的狀況下，進行字符串與數字類型的拼接呢？

在《詳解Python拼接字符串的七種方式》這篇文章中，它梳理了七種拼接字符串的寫法，咱們能夠逐個來試驗一下。

幾種字符串拼接方式：

一、格式化類：%、format()、template

二、拼接類：+、()、join()

三、插值類：f-string

爲了節省篇幅，此處直接把能夠順利拼接的 4 種寫法羅列以下：

>>> "%s %d" % ("Python貓", 666)
'Python貓 666'

>>> from string import Template
>>> s = Template('${s1}${s2}')
>>> s.safe_substitute(s1='Python貓',s2=666)
'Python貓666'

>>> "Python貓{}".format(666)
'Python貓666'

>>> num = 666
>>> f"Python貓{num}"
'Python貓666'

第一種寫法（即 % 格式化）來自古老的 C 語言，其中的「%d」是一個佔位符，表示它將要接收一個整數，並格式化成字符串。

第二和第三種寫法，它們是第一種寫法的升級版，不一樣的是，它們的佔位符是通用型的，沒必要指定「%s」、「%d」等等明確的類型。這兩種寫法中，數字類型的參數被傳給特定的格式化方法（即 safe_substitute 與 format），在這些方法的內部，它們會做類型轉化處理。

能夠說，上述三種寫法都不難理解，它們的意圖都有跡可循。

可是，如今再看看最後一種寫法，也就是 f-string 寫法，彷佛就不是那麼明顯了。

首先，在字符串內部，它並無像「%格式化」那樣指定佔位符的類型；其次，所要拼接的數字並無做爲任何函數的參數來傳遞。

也就是說，在明面上根本看不出任何要做類型轉化的意圖。可是，因爲咱們已知 Python 是強類型語言，已知數字類型絕對不可能直接拼接到字符串裏，所以，只能說明 f-string 語法在底層做了某種類型轉化的操做！

那麼，咱們就能夠再提出一個新的問題：f-string 語法在處理字符串與數字時，是如何實現數字的類型轉化的呢？

也許有的讀者會猜測它是調用了內置的 str() 或 repr()（或它們對應的魔術方法__str__() 與 __repr__()），從而實現類型轉化，可是，答案並無如此簡單！

f-string 語法是在 Python 3.6 版本引入的。爲了省事，咱們直接找到 PEP-498 文檔，在裏面查閱看是否有關於實現原理的線索。

文檔地址：https://www.python.org/dev/peps/pep-0498

PEP 裏提到，f-string 的語法格式是這樣的：

f'<text> { <expression> <optional !s, !r, or !a> <optional : format specifier> } <text> ...'

其中，花括號裏的內容就是要做格式化的內容，除去可選的「optional」部分後，「expression」部分就是真正要處理的內容。對應前文的例子，數字 666 就是一個 expression。

expression 會按 __format__ 協議進行格式化，可是並不會直接調用 __format__() 這個方法。

文檔上指出，實際的執行過程等效於type(value).__format__(value, format_spec) 或者 format(value, format_spec) 。

事實上，字符串對象的 foramt() 方法跟 Python 內置的 foramt() 函數，它們都會調用__format__() 魔術方法，因此，f-string 實際上是前文中 format() 格式化寫法的升級版。

在默認狀況下，format_spec 是一個空字符串，而format(value, "") 的效果等同於str(value) ，所以，在不指定其它 format_spec 的狀況下，能夠簡單地認爲 f-string 就是調用了 str() 來做的類型轉化……

至此，咱們看到了 f-string 的實現原理，明白了它在拼接字符串與數字時，效果等效於前文的 format() 格式化方法，也等效於使用 str() 進行類型轉化。

寫在最後：本文屬於「Python爲何」系列（Python貓出品），該系列主要關注 Python 的語法、設計和發展等話題，以一個個「爲何」式的問題爲切入點，試着展示 Python 的迷人魅力。更多精彩文章，請移步 Github 查看，項目地址：https://github.com/chinesehuazhou/python-whydo