Fundamento teórico de decoradores

En Python, los decoradores representan una poderosa herramienta de programación que permite modificar o extender el comportamiento de funciones o métodos sin alterar su código interno. Este patrón de diseño se basa en el concepto de funciones de orden superior - funciones que pueden recibir otras funciones como argumentos y/o devolver funciones como resultado.

Los decoradores son esencialmente una implementación del principio de envoltura (wrapping), donde una función es "envuelta" por otra que añade funcionalidad adicional. Esta técnica aprovecha la naturaleza de Python donde las funciones son objetos de primera clase, lo que significa que pueden ser manipuladas como cualquier otro objeto.

Concepto fundamental

Para entender los decoradores, debemos primero comprender que en Python:

• Las funciones son objetos que pueden asignarse a variables
• Las funciones pueden definirse dentro de otras funciones
• Las funciones pueden devolver otras funciones

Veamos un ejemplo sencillo que ilustra estos conceptos:

def saludar(nombre):
    return f"Hola, {nombre}!"

# Asignar función a una variable
mi_funcion = saludar

# Usar la función a través de la variable
print(mi_funcion("Ana"))  # Imprime: Hola, Ana!

Funciones anidadas y closures

Los decoradores aprovechan el concepto de closures (clausuras), que son funciones que "recuerdan" el entorno en el que fueron creadas. Esto permite a una función interna acceder a variables de la función externa que la contiene:

def crear_saludo(tipo):
    def saludar(nombre):
        return f"{tipo}, {nombre}!"
    return saludar

saludo_formal = crear_saludo("Buenos días")
saludo_informal = crear_saludo("Hola")

print(saludo_formal("Profesor"))  # Imprime: Buenos días, Profesor!
print(saludo_informal("Amigo"))   # Imprime: Hola, Amigo!

En este ejemplo, crear_saludo devuelve la función interna saludar, que mantiene acceso a la variable tipo incluso después de que la función externa haya terminado su ejecución.

Estructura básica de un decorador

Un decorador sigue esta estructura general:

def mi_decorador(funcion_original):
    def funcion_wrapper(*args, **kwargs):
        # Código que se ejecuta antes de la función original
        print("Antes de llamar a la función")
        
        # Llamada a la función original
        resultado = funcion_original(*args, **kwargs)
        
        # Código que se ejecuta después de la función original
        print("Después de llamar a la función")
        
        # Devolver el resultado
        return resultado
    
    # Devolver la función wrapper
    return funcion_wrapper

Esta estructura permite:

1. Recibir una función como argumento
2. Definir una nueva función (wrapper) que añade comportamiento
3. Devolver la función wrapper

Aplicación de decoradores

Python proporciona una sintaxis especial para aplicar decoradores usando el símbolo @:

@mi_decorador
def saludar(nombre):
    return f"Hola, {nombre}!"

Este código es equivalente a:

def saludar(nombre):
    return f"Hola, {nombre}!"

saludar = mi_decorador(saludar)

La sintaxis con @ es más legible y expresa claramente la intención de decorar la función.

Preservando metadatos

Un aspecto importante a considerar es que cuando decoramos una función, la función resultante (wrapper) pierde los metadatos originales como el nombre, la documentación y la firma. Para solucionar esto, Python proporciona el decorador functools.wraps:

from functools import wraps

def mi_decorador(funcion):
    @wraps(funcion)  # Preserva los metadatos de la función original
    def wrapper(*args, **kwargs):
        # Código adicional
        return funcion(*args, **kwargs)
    return wrapper

Casos de uso comunes

Los decoradores son especialmente útiles para implementar aspectos transversales (cross-cutting concerns) como:

• Registro (logging): Registrar información antes/después de llamadas a funciones
• Medición de tiempo: Calcular cuánto tarda una función en ejecutarse
• Validación: Verificar argumentos antes de ejecutar la función
• Caché: Almacenar resultados para evitar cálculos repetidos
• Control de acceso: Verificar permisos antes de permitir la ejecución

Por ejemplo, un decorador para medir el tiempo de ejecución podría verse así:

import time
from functools import wraps

def medir_tiempo(funcion):
    @wraps(funcion)
    def wrapper(*args, **kwargs):
        inicio = time.time()
        resultado = funcion(*args, **kwargs)
        fin = time.time()
        print(f"La función {funcion.__name__} tardó {fin - inicio:.4f} segundos")
        return resultado
    return wrapper

@medir_tiempo
def operacion_lenta():
    time.sleep(1)  # Simula una operación que tarda 1 segundo
    return "Operación completada"

operacion_lenta()  # Imprime: La función operacion_lenta tardó 1.0005 segundos

Fundamentos teóricos avanzados

Los decoradores en Python están relacionados con varios conceptos de programación funcional y patrones de diseño:

• Composición de funciones: Los decoradores permiten componer funciones de manera elegante
• Patrón Decorator: Implementan el patrón de diseño Decorator del libro "Gang of Four"
• Programación orientada a aspectos: Permiten separar aspectos transversales del código principal
• Metaprogramación: Modifican el comportamiento del programa en tiempo de ejecución

Múltiples decoradores

Es posible aplicar varios decoradores a una misma función. Se aplican de abajo hacia arriba:

@decorador1
@decorador2
def mi_funcion():
    pass

Esto es equivalente a:

mi_funcion = decorador1(decorador2(mi_funcion))

El decorador más cercano a la definición de la función (decorador2) se aplica primero, y luego se aplica el siguiente (decorador1).

Los decoradores son una característica elegante y poderosa de Python que permite escribir código más limpio, modular y mantenible, siguiendo el principio DRY (Don't Repeat Yourself) al extraer funcionalidades comunes a múltiples funciones.

Crear un decorador simple

Ahora que comprendemos los fundamentos teóricos de los decoradores, vamos a crear nuestro primer decorador simple. Un decorador es esencialmente una función que envuelve a otra función para extender su comportamiento sin modificar su código interno.

Para crear un decorador básico, seguiremos un patrón de tres pasos:

1. Definir una función que reciba otra función como argumento
2. Crear una función interna (wrapper) que añada funcionalidad
3. Devolver la función wrapper

Ejemplo básico: un decorador de registro (logger)

Comencemos con un ejemplo práctico: un decorador que registra cuándo se llama a una función.

def registrar_llamada(funcion):
    def wrapper(*args, **kwargs):
        print(f"Llamando a la función: {funcion.__name__}")
        resultado = funcion(*args, **kwargs)
        print(f"La función {funcion.__name__} ha terminado")
        return resultado
    return wrapper

Este decorador imprime un mensaje antes y después de ejecutar la función decorada. Veamos cómo aplicarlo:

@registrar_llamada
def sumar(a, b):
    return a + b

# Probemos la función decorada
resultado = sumar(5, 3)
print(f"Resultado: {resultado}")

Al ejecutar este código, veremos:

Llamando a la función: sumar
La función sumar ha terminado
Resultado: 8

Observa cómo el decorador ha añadido comportamiento antes y después de la ejecución de la función sumar, sin modificar su código interno.

Decorador de temporizador

Un caso de uso común es medir el tiempo que tarda una función en ejecutarse. Creemos un decorador para ello:

import time

def medir_tiempo(funcion):
    def wrapper(*args, **kwargs):
        tiempo_inicio = time.time()
        resultado = funcion(*args, **kwargs)
        tiempo_fin = time.time()
        print(f"La función {funcion.__name__} tardó {tiempo_fin - tiempo_inicio:.6f} segundos")
        return resultado
    return wrapper

@medir_tiempo
def proceso_lento():
    time.sleep(1)  # Simulamos un proceso que tarda 1 segundo
    print("Proceso completado")

proceso_lento()

Este decorador es útil para identificar cuellos de botella en nuestro código o simplemente para tener una idea del rendimiento de nuestras funciones.

Preservando metadatos con wraps

Un problema con los decoradores simples es que pierden los metadatos de la función original, como el nombre, la documentación y la firma. Esto puede causar confusión al depurar o generar documentación.

Para solucionar este problema, usamos el decorador wraps del módulo functools:

from functools import wraps

def mi_decorador(funcion):
    @wraps(funcion)  # Preserva los metadatos de la función original
    def wrapper(*args, **kwargs):
        print("Antes de la función")
        resultado = funcion(*args, **kwargs)
        print("Después de la función")
        return resultado
    return wrapper

@mi_decorador
def saludar(nombre):
    """Esta función saluda a alguien por su nombre."""
    return f"¡Hola, {nombre}!"

# Verificamos que los metadatos se preservan
print(saludar.__name__)  # Imprime: saludar (no wrapper)
print(saludar.__doc__)   # Imprime: Esta función saluda a alguien por su nombre.

Siempre es recomendable usar @wraps en tus decoradores para mantener la transparencia en tu código.

Decorador de validación

Los decoradores son excelentes para implementar validaciones antes de ejecutar una función. Veamos un ejemplo que valida los tipos de los argumentos:

from functools import wraps

def validar_tipos(tipo_a, tipo_b):
    def decorador(funcion):
        @wraps(funcion)
        def wrapper(a, b):
            if not isinstance(a, tipo_a) or not isinstance(b, tipo_b):
                raise TypeError(f"Los argumentos deben ser de tipo {tipo_a.__name__} y {tipo_b.__name__}")
            return funcion(a, b)
        return wrapper
    return decorador

@validar_tipos(int, int)
def dividir(a, b):
    if b == 0:
        raise ZeroDivisionError("No se puede dividir por cero")
    return a / b

# Prueba correcta
print(dividir(10, 2))  # Imprime: 5.0

# Prueba con tipos incorrectos
try:
    print(dividir("10", 2))
except TypeError as e:
    print(f"Error: {e}")  # Imprime: Error: Los argumentos deben ser de tipo int y int

Este decorador verifica que los argumentos sean del tipo esperado antes de ejecutar la función, lo que ayuda a detectar errores temprano.

Decorador de caché simple

Otro uso común de los decoradores es implementar un sistema de caché para evitar cálculos repetidos:

def cache_simple(funcion):
    memoria = {}
    
    @wraps(funcion)
    def wrapper(*args):
        # Usamos args como clave porque es inmutable (a diferencia de kwargs)
        if args not in memoria:
            memoria[args] = funcion(*args)
            print(f"Calculando resultado para {args}")
        else:
            print(f"Usando resultado en caché para {args}")
        return memoria[args]
    
    return wrapper

@cache_simple
def fibonacci(n):
    """Calcula el n-ésimo número de Fibonacci."""
    if n <= 1:
        return n
    return fibonacci(n-1) + fibonacci(n-2)

# Primera llamada (calcula y guarda en caché)
print(fibonacci(5))  # Calcula fibonacci(5), fibonacci(4), etc.

# Segunda llamada (usa valores en caché)
print(fibonacci(5))  # Usa el valor en caché directamente

Este decorador almacena los resultados de llamadas previas, lo que es especialmente útil para funciones recursivas o cálculos costosos.

Decorador con argumentos

También podemos crear decoradores que acepten argumentos propios, lo que aumenta su flexibilidad:

def repetir(veces):
    def decorador(funcion):
        @wraps(funcion)
        def wrapper(*args, **kwargs):
            for _ in range(veces):
                resultado = funcion(*args, **kwargs)
            return resultado
        return wrapper
    return decorador

@repetir(veces=3)
def saludar(nombre):
    print(f"¡Hola, {nombre}!")
    return nombre

saludar("María")  # Imprime "¡Hola, María!" tres veces

Observa la estructura de tres niveles: una función que devuelve un decorador, que a su vez devuelve una función wrapper.

Aplicaciones prácticas

Los decoradores simples tienen numerosas aplicaciones en el desarrollo real:

• Registro de actividad: Registrar llamadas a funciones críticas
• Gestión de excepciones: Capturar y manejar errores de forma centralizada
• Control de acceso: Verificar permisos antes de ejecutar funciones
• Depuración: Añadir información de depuración en desarrollo
• Sincronización: Implementar bloqueos para acceso concurrente

Por ejemplo, un decorador para gestión de excepciones:

def manejar_excepciones(funcion):
    @wraps(funcion)
    def wrapper(*args, **kwargs):
        try:
            return funcion(*args, **kwargs)
        except Exception as e:
            print(f"Error en {funcion.__name__}: {str(e)}")
            # Aquí podríamos registrar el error en un archivo o sistema
            return None  # O un valor por defecto apropiado
    return wrapper

@manejar_excepciones
def dividir(a, b):
    return a / b

# Prueba normal
print(dividir(10, 2))  # Imprime: 5.0

# Prueba con error
print(dividir(10, 0))  # Imprime: Error en dividir: division by zero

Este decorador captura cualquier excepción que ocurra en la función decorada, evitando que el programa se detenga abruptamente.

Buenas prácticas al crear decoradores

Al crear tus propios decoradores, considera estas recomendaciones:

• Usa functools.wraps para preservar metadatos
• Maneja correctamente los argumentos variables (*args y **kwargs)
• Mantén los decoradores enfocados en una sola responsabilidad
• Documenta claramente el propósito y comportamiento del decorador
• Evita efectos secundarios que puedan sorprender a otros desarrolladores

Los decoradores simples son una herramienta poderosa que, cuando se usan correctamente, pueden hacer que tu código sea más limpio, modular y mantenible.