python中基于descriptor的一些概念(上)

python中基于descriptor的一些概念(上)

1. 前言

python在2.2版本中引入了descriptor功能,也正是基于这个功能实现了新式类(new-styel class)的对象模型,
同时解决了之前版本中经典类(classic class)系统中出现的多重继承中的MRO(Method Resolution Order)的问题,
同时引入了一些新的概念,比如classmethod, staticmethod, super,Property等,这些新功能都是基于descriptor
而实现的。总而言之,通过学习descriptor可以更多地了解python的运行机制。我在这也大概写一个汇总,
写一下对这些东西的理解。欢迎大家讨论。
 
在这里,为文章中使用的词汇做一下说明:
函数:指的是第一个参数不是self的函数,不在类中定义的函数
方法:指是的第一个参数是self的函数
实例:类的对象,instance
对象模型:就是实现对象行为的整个框架,这里分为经典和新的两种
 
使用的python版本为python 2.7.2

2. 新式类与经典类

首先来了解一下新式类与经典类的区别,从创建方法上可以明显的看出:
#新式类
class C(object):
    pass
#经典类
class B:
    pass
简单的说,新式类是在创建的时候继承内置object对象(或者是从内置类型,如list,dict等),而经典类是直
接声明的。使用dir()方法也可以看出新式类中定义很多新的属性和方法,而经典类好像就2个:
 
这些新的属性和方法都是从object对象中继承过来的。

2.1 内置的object对象

内置的object对象是所有内置,object对象定义了一系列特殊的方法实现所有对象的默认行为。
1. __new__,__init__方法
这两个方法是用来创建object的子类对象,静态方法__new__()用来创建类的实例,然后再调用
__init__()来初始化实例。
 
2. __delattr__, __getattribute__, __setattr__方法
对象使用这些方法来处理属性的访问
 
3. __hash__, __repr__, __str__方法
print(someobj)会调用someobj.__str__(), 如果__str__没有定义,则会调用someobj.__repr__(),
 
__str__()和__repr__()的区别:
  • 默认的实现是没有任何作用的
  • __repr__的目标是对象信息唯一性
  • __str__的目标是对象信息的可读性
  • 容器对象的__str__一般使用的是对象元素的__repr__
  • 如果重新定义了__repr__,而没有定义__str__,则默认调用__str__时,调用的是__repr__
  • 也就是说好的编程习惯是每一个类都需要重写一个__repr__方法,用于提供对象的可读信息,
  • 而重写__str__方法是可选的。实现__str__方法,一般是需要更加好看的打印效果,比如你要制作
  • 一个报表的时候等。
可以允许object的子类重载这些方法,或者添加新的方法。

2.2 类的方法

新的对象模型中提供了两种类级别的方法,静态方法和类方法,在诸多新式类的特性中,也只有类方法这个
特性, 和经典对象模型实现的功能一样。
2.2.1 静态方法
静态方法可以被类或者实例调用,它没有常规方法的行为(比如绑定,非绑定,默认的第一个self参数),当有一
堆函数仅仅是为了一个类写的时候,采用静态方法声明在类的内部,可以提供行为上的一致性。
 
创建静态方法的代码如下,使用装饰符@staticmethod进行创建
 可以看出,不管是 类调用,还是实例调用静态方法,都是指向同一个函数对象
2.2.2 类方法
也是可以通过类和它的实例进行调用,不过它是有默认第一个参数,叫做是类对象,一般被
命名为cls,当然你也可以命名为其它名字,这样就你可以调用类对象的一些操作,
代码如下,使用装饰符@classmethod创建

2.3 新式类(new-style class)

新式类除了拥有经典类的全部特性之外,还有一些新的特性。比如__init__发生了变化,
新增了静态方法__new__
2.3.1 __init__方法
据说在python2.4版本以前,使用新式类时,如果类的初始化方法没有定义,调用的
时候写了多余的参数,编译器不会报错。我现在的python 2.7会报错,还是觉得会报错
比较好点,下面给出新式类和经典类运行这个例子的情况:
 
2.3.2 __new__静态方法
新式类都有一个__new__的静态方法,它的原型是object.__new__(cls[, ...])
cls是一个类对象,当你调用C(*args, **kargs)来创建一个类C的实例时,python的内部调用是
C.__new__(C, *args, **kargs),然后返回值是类C的实例c,在确认
c是C的实例后,python再调用C.__init__(c, *args, **kargs)来初始化实例c。
所以调用一个实例c = C(2),实际执行的代码为:
c = C.__new__(C, 2)
if isinstance(c, C):
    C.__init__(c, 23)#__init__第一个参数要为实例对象
object.__new__()创建的是一个新的,没有经过初始化的实例。当你重写__new__方法时,可以不
用使用装饰符@staticmethod指明它是静态函数,解释器会自动判断这个方法为静态方法。如果
需要重新绑定C.__new__方法时,只要在类外面执行C.__new__ = staticmethod(yourfunc)就可以了。
 
可以使用__new__来实现Singleton单例模式:
class Singleton(object):
    _singletons = {}
    def __new__(cls):
        if not cls._singletons.has_key(cls):            #若还没有任何实例
            cls._singletons[cls] = object.__new__(cls)  #生成一个实例
        return cls._singletons[cls]                             #返回这个实例
运行结果如下:
 
使用id()操作,可以看到两个实例指向同一个内存地址。Singleton的所有子类也有这一
特性,只有一个实例对象,如果它的子类定义了__init__()方法,那么必须保证它的
__init__方法能够安全的同一个实例进行多次调用。
 

2.4. 新式类的实例

除了新式类本身具有新的特性外,新式类的实例也具有新的特性。比如它拥有Property功能,该
功能会对属性的访问方式产生影响;还有__slots__新属性,该属性会对生成子类实例产生影响;还
添加了一个新的方法__getattribute__,比原有的__getattr__更加通用。
2.4.1 Property
在介绍完descriptor会回过头来讲这个。
2.4.2 __slots__属性
 
通常每一个实例x都会有一个__dict__属性,用来记录实例中所有的属性和方法,也是通过这个字典,
可以让实例绑定任意的属性。而__slots__属性作用就是,当类C有比较少的变量,而且拥有__slots__属性时,
类C的实例 就没有__dict__属性,而是把变量的值存在一个固定的地方。如果试图访问一个__slots__中没有
的属性,实例就会报错。这样操作有什么好处呢?__slots__属性虽然令实例失去了绑定任意属性的便利,
但是因为每一个实例没有__dict__属性,却能有效节省每一个实例的内存消耗,有利于生成小而精
干的实例。
 
为什么需要这样的设计呢?
在一个实际的企业级应用中,当一个类生成上百万个实例时,即使一个实例节省几十个字节都可以节省
一大笔内存,这种情况就值得使用__slots__属性。
 
怎么去定义__slots__属性?
__slots__是一个类变量,__slots__属性可以赋值一个包含类属性名的字符串元组,或者是可迭代变量,或者
是一个字符串,只要在类定义的时候,使用__slots=aTuple来定义该属性就可以了:
可以看出实例a中没有__dict__字典,而且不能随意添加新的属性,不定义__slots__是可以随意添加的:
使用时__slots__时需要注意的几点:
1.  当一个类的父类没有定义__slots__属性,父类中的__dict__属性总是可以访问到的,所以只在子
类中定义__slots__属性,而不在父类中定义是没有意义的。
 
2. 如果定义了__slots属性,还是想在之后添加新的变量,就需要把'__dict__'字符串添加到__slots__的
元组里。
 
3. 定义了__slots__属性,还会消失的一个属性是__weakref__,这样就不支持实例的weak reference,
如果还是想用这个功能,同样,可以把'__weakref__'字符串添加到元组里。
 
4. __slots__功能是通过descriptor实现的,会为每一个变量创建一个descriptor。
 
5. __slots__的功能只影响定义它的类,因此,子类需要重新定义__slots__才能有它的功能。
2.4.3 __getattribute__方法
对新式类的实例来说,所有属性和方法的访问操作都是通过__getattribute__完成,
这是由object基类实现的。如果有特殊的要求,可以重载__getattribute__方法,下面
实现一个不能使用append方法的list:
  
2.4.4 实例的方法
经典的与新的对象模型都允许一个实例拥有私有的属性和方法(可以通过绑定和重绑定)。实例
的私有属性会覆盖掉类中定义的同名属性,举例说明:
 
然而在python中,隐式调用实例的私有特殊方法时,新的对象模型和经典对象模型表现上不太一样。
在经典对象模型中,无论是显示调用还是隐式调用特殊方法,都会调用实例中后绑定的特殊方法。
而在新的对象模型中,除非显式地调用实例的特殊方法,否则python总是会去调用类中定义的特殊方法,
如果没有定义的话,就报错。代码如下:
经典类:
 
新式类:
  
调用a[1],将产生一个隐式的__getitem__方法的调用,在新式类中,因为类中没有定义这个方法,也不是
object基类有的方法,所以报错。需要显示地调用才可以运行。

2.5 新的对象模型

在新的对象模型中,继承方式和经典对象模型大体相同,一个关键的区别就是新式类能够从python的内置
类型中继承,而经典类不行。
2.5.1 多继承
新式类同样支持多继承,但是如果新式类想要从多个内置类型中继承生成一个新类的话,则这些内置类必须是
经过精心设计,能够互相兼容的。显然,python也没会让你随意的从多个内置类中进行多继承,想创建一个超级类
不是那么容易的。。。通常情况下,至多可以继承一个内置类,比如list, set, dict等。
2.5.2 MRO(Method Resolution Order, 方法解析顺序)
对于下图的多继承关系:
b = A(),当调用b.a的时候会发生什么事呢?
在经典对象模型中,方法和属性的查找链是按照从左到右,深度优先的方式进行查找。所以当A的实例b
要使用属性a时,它的查找顺序为:A->B->D->C->A,这样做就会忽略类C的定义a,而先找到的基类D的
属性a,这是一个bug,这个问题在新式类中得到修复,新的对象模型采用的是从左到右,广度优先的方式
进行查找,所以查找顺序为A->B->C->D,可以正确的返回类C的属性a。
经典类:
新式类:
  
这个顺序的实现是通过新式类中特殊的只读属性__mro__,类型是一个元组,保存着解析顺序信息。只能通过
类来使用,不能通过实例调用。
顺序还和继承时,括号中写的父类顺序有关:
2.5.3 协作式调用父类方法
当子类重写了父类的一个方法时,通常会调用父类的同名方法做一些工作,这是比较常见的使用
方式--使用非绑定语法来调用父类的方法。不过在多继承中,这种方法有缺馅:
可以看到,基类A的方法重复运行了两次。怎样才能确保父类中的方法只被顺序的调用一次呢?
在新的对象系统中,有一种特殊的方法super(aclass, obj),可以返回obj实例的一个特殊类型
superobject(超对象, 不是简单的父类的对象),当我们使用超对象调用父类的方法时,就
能保证只被运行一次:
可以看到,D的父类中所有的foo方法都得到执行,并且基类A的foo方法只执行了一次。如果养成了
使用super去调用父类方法的习惯,那么你的类就可以适应无论多么复杂的继承调用结构。super()
可以看成是更加安全调用父类方法的一种新方式。
 
 
 
 





posted @ 2012-09-17 17:59 btchenguang 阅读(...) 评论(...) 编辑 收藏