Python__slots__详解

当一个类需要创建大量实例时，可以通过__slots__声明实例所需要的属性，

例如，class Foo(object): __slots__ = ['foo', 'bar']。这样做带来以下优点：

1. 限制实例的属性
2. 更快的属性访问速度
3. 减少内存消耗

限制实例的属性：

class A:
    __slots__ = ['x', 'y']
a = A()
a.x    # 抛出异常，因为此时还没赋值x
a.x = 10  # 在__slots__中的属性，可以赋值
a.x      # 在__slots__中的属性，如果赋值了，可以访问
a.z = 10  # 不在__slots__中的属性，不可以赋值，也不可以访问

 

为什么定义了__slots__之后，会限制其它属性的添加、访问？因为

默认情况下，__new__方法会为每个实例创建一个字典__dict__来存储实例的属性。

但如果定义了__slots__，__new__方法就不会再创建这个字典。

由于不存在__dict__来存储新的属性，所以使用一个不在__slots__中的属性时，程序会报错。

Traceback (most recent call last):
 File "<stdin>", line 1, in <module>
Attribute: 'A' object has no attribute 'z'

更快的属性访问速度：

我们知道，默认情况下，类的成员都存储在__dict__字典中，如要访问属性x，就相当于访问a.__dict__['x']。为了便于理解，我粗略地将它拆分为四步：

1. a.x     2. a.__dict__      3. a.__dict__['x']     4. 结果

 

如果一个类实现__slots__，就不会创建__dict__字典。

定义了__slots__的类会为每个属性创建一个描述器。

如：当一个A类定义了__slots__ = ('x', 'y')，A.x就是一个有__get__和__set__方法的member_descriptor，并且在每个实例中可以通过直接访问内存（direct memory access）获得。（具体实现是用偏移地址来记录描述器，通过公式可以直接计算出其在内存中的实际地址 ，访问__dict__也是用相同的方法，也就是说访问A.__dict__和A.x描述器的速度是相近的）

访问属性时就直接调用这个描述器。在这里我将它拆分为三步：

1. b.x              2. member decriptor             3. 结果

在上文提到，访问__dict__和描述器的速度是相近的，而通过__dict__访问属性多了a.__dict__['x']字典访值一步（一个哈希函数的消耗）。由此可以推断出，使用了__slots__的类的属性访问速度比没有使用的要快。

from timeit import repeat

class A(object): pass

class B(object): __slots__ = ('x')

def get_set_del_fn(obj):
    def get_set_del():
        obj.x = 1
        obj.x
        del obj.x
    return get_set_del

a = A()
b = B()
ta = min(repeat(get_set_del_fn(a)))
tb = min(repeat(get_set_del_fn(b)))
print("%.2f%%" % ((ta/tb - 1)*100))   # 29.20%，可见使用__slots__访问属性，速度提高了20%

 

减少内存消耗

Python内置的字典本质是一个哈希表，它是一种用空间换时间的数据结构。为了解决冲突的问题，当字典使用量超过2/3时，Python会根据情况进行2-4倍的扩容。由此可预见，取消__dict__的使用可以大幅减少实例的空间消耗。

关于slots的继承问题

在一般情况下，使用slots的类需要直接继承object，如class Foo(object): __slots__ = ()

在继承自己创建的类时，我根据子类父类是否定义了__slots__，将它细分为六种情况:

1.父类有，子类没有：
子类的实例还是会自动创建__dict__来存储属性，不过父类__slots__已有的属性不受影响。

class Father(object): __slots__ = ('x')
class Son(Father): pass
son = Son()
son.x, son.y = 1, 1
son.__dict__
# Out[17]: {'y': 1}

2.父类没有，子类有：
虽然子类取消了__dict__，但继承父类后它会继续生成。同上面一样，__slots__已有的属性不受影响。

class Father(object): pass
class Son(Father): __slots__ = ('x')
son = Son()
son.x, son.y = 1, 1
son.__dict__
# Out[20]: {'y': 1}

3.父类有，子类有：
父类与子类都没有__dict__，子类除了拥有自己的__slots__属性，也拥有父类的__slots__属性。

 

__slots__的实现不仅取消了__dict__的生成，也取消了__weakref__的生成。同样的，在__slots__将其添加可以重新获取弱引用这一功能。

添加__dict__获取动态特性：

在特殊情况下，可以在__slots__里添加__dict__来获取与普通实例同样的动态特性。

class A: __slots = ("__dict__", "x")
a = A()
a.__dict__
# Out[9]: {}