Python 黑魔法之描述符

引言

Descriptors(描述符)是Python語言中一個(gè)深?yuàn)W但很重要的一個(gè)黑魔法，它被廣泛應(yīng)用于Python語言的內(nèi)核，熟練掌握描述符將會(huì)為Python程序員的工具箱添加一個(gè)額外的技巧。本文我將講述描述符的定義以及一些常見的場(chǎng)景，并且在文末會(huì)補(bǔ)充一下__getattr，__getattribute__, __getitem__這三個(gè)同樣涉及到屬性訪問的魔術(shù)方法。

描述符的定義descr__get__(self, obj, objtype=None) --> valuedescr.__set__(self, obj, value) --> Nonedescr.__delete__(self, obj) --> None

只要一個(gè)object attribute(對(duì)象屬性)定義了上面三個(gè)方法中的任意一個(gè)，那么這個(gè)類就可以被稱為描述符類。

描述符基礎(chǔ)

下面這個(gè)例子中我們創(chuàng)建了一個(gè)RevealAcess類，并且實(shí)現(xiàn)了__get__方法，現(xiàn)在這個(gè)類可以被稱為一個(gè)描述符類。

class RevealAccess(object):    def __get__(self, obj, objtype):        print('self in RevealAccess: {}'.format(self))        print('self: {}\nobj: {}\nobjtype: {}'.format(self, obj, objtype))class MyClass(object):    x = RevealAccess()    def test(self):        print('self in MyClass: {}'.format(self))

EX1實(shí)例屬性

接下來我們來看一下__get__方法的各個(gè)參數(shù)的含義，在下面這個(gè)例子中，self即RevealAccess類的實(shí)例x，obj即MyClass類的實(shí)例m，objtype顧名思義就是MyClass類自身。從輸出語句可以看出，m.x訪問描述符x會(huì)調(diào)用__get__方法。

>>> m = MyClass()>>> m.test()self in MyClass: <__main__.MyClass object at 0x7f19d4e42160>>>> m.xself in RevealAccess: <__main__.RevealAccess object at 0x7f19d4e420f0>self: <__main__.RevealAccess object at 0x7f19d4e420f0>obj: <__main__.MyClass object at 0x7f19d4e42160>objtype: <class '__main__.MyClass'>

EX2類屬性

如果通過類直接訪問屬性x，那么obj接直接為None，這還是比較好理解，因?yàn)椴淮嬖贛yClass的實(shí)例。

>>> MyClass.xself in RevealAccess: <__main__.RevealAccess object at 0x7f53651070f0>self: <__main__.RevealAccess object at 0x7f53651070f0>obj: Noneobjtype: <class '__main__.MyClass'>描述符的原理描述符觸發(fā)

上面這個(gè)例子中，我們分別從實(shí)例屬性和類屬性的角度列舉了描述符的用法，下面我們來仔細(xì)分析一下內(nèi)部的原理：

如果是對(duì)實(shí)例屬性進(jìn)行訪問，實(shí)際上調(diào)用了基類object的__getattribute__方法，在這個(gè)方法中將obj.d轉(zhuǎn)譯成了type(obj).__dict__['d'].__get__(obj, type(obj))。

如果是對(duì)類屬性進(jìn)行訪問，相當(dāng)于調(diào)用了元類type的__getattribute__方法，它將cls.d轉(zhuǎn)譯成cls.__dict__['d'].__get__(None, cls)，這里__get__()的obj為的None，因?yàn)椴淮嬖趯?shí)例。

簡(jiǎn)單講一下__getattribute__魔術(shù)方法，這個(gè)方法在我們?cè)L問一個(gè)對(duì)象的屬性的時(shí)候會(huì)被無條件調(diào)用，詳細(xì)的細(xì)節(jié)比如和__getattr, __getitem__的區(qū)別我會(huì)在文章的末尾做一個(gè)額外的補(bǔ)充，我們暫時(shí)并不深究。

描述符優(yōu)先級(jí)

首先，描述符分為兩種:

如果一個(gè)對(duì)象同時(shí)定義了__get__()和__set__()方法，則這個(gè)描述符被稱為data descriptor。

如果一個(gè)對(duì)象只定義了__get__()方法，則這個(gè)描述符被稱為non-data descriptor。

我們對(duì)屬性進(jìn)行訪問的時(shí)候存在下面四種情況：

data descriptor

instance dict

non-data descriptor

__getattr__()

它們的優(yōu)先級(jí)大小是：

data descriptor > instance dict > non-data descriptor > __getattr__()

這是什么意思呢？就是說如果實(shí)例對(duì)象obj中出現(xiàn)了同名的data descriptor->d 和 instance attribute->d，obj.d對(duì)屬性d進(jìn)行訪問的時(shí)候，由于data descriptor具有更高的優(yōu)先級(jí)，Python便會(huì)調(diào)用type(obj).__dict__['d'].__get__(obj, type(obj))而不是調(diào)用obj.__dict__[‘d’]。但是如果描述符是個(gè)non-data descriptor，Python則會(huì)調(diào)用obj.__dict__['d']。

Property

每次使用描述符的時(shí)候都定義一個(gè)描述符類，這樣看起來非常繁瑣。Python提供了一種簡(jiǎn)潔的方式用來向?qū)傩蕴砑訑?shù)據(jù)描述符。

property(fget=None, fset=None, fdel=None, doc=None) -> property attribute

fget、fset和fdel分別是類的getter、setter和deleter方法。我們通過下面的一個(gè)示例來說明如何使用Property：

class Account(object):    def __init__(self):        self._acct_num = None    def get_acct_num(self):        return self._acct_num    def set_acct_num(self, value):        self._acct_num = value    def del_acct_num(self):        del self._acct_num    acct_num = property(get_acct_num, set_acct_num, del_acct_num, '_acct_num property.')

如果acct是Account的一個(gè)實(shí)例，acct.acct_num將會(huì)調(diào)用getter，acct.acct_num = value將調(diào)用setter，del acct_num.acct_num將調(diào)用deleter。

>>> acct = Account()>>> acct.acct_num = 1000>>> acct.acct_num1000

Python也提供了@property裝飾器，對(duì)于簡(jiǎn)單的應(yīng)用場(chǎng)景可以使用它來創(chuàng)建屬性。一個(gè)屬性對(duì)象擁有g(shù)etter,setter和deleter裝飾器方法，可以使用它們通過對(duì)應(yīng)的被裝飾函數(shù)的accessor函數(shù)創(chuàng)建屬性的拷貝。

class Account(object):    def __init__(self):        self._acct_num = None    @property     # the _acct_num property. the decorator creates a read-only property    def acct_num(self):        return self._acct_num    @acct_num.setter    # the _acct_num property setter makes the property writeable    def set_acct_num(self, value):        self._acct_num = value    @acct_num.deleter    def del_acct_num(self):        del self._acct_num

如果想讓屬性只讀，只需要去掉setter方法。

在運(yùn)行時(shí)創(chuàng)建描述符

我們可以在運(yùn)行時(shí)添加property屬性：

class Person(object):    def addProperty(self, attribute):        # create local setter and getter with a particular attribute name        getter = lambda self: self._getProperty(attribute)        setter = lambda self, value: self._setProperty(attribute, value)        # construct property attribute and add it to the class        setattr(self.__class__, attribute, property(fget=getter, \                                                    fset=setter, \                                                    doc="Auto-generated method"))    def _setProperty(self, attribute, value):        print("Setting: {} = {}".format(attribute, value))        setattr(self, '_' + attribute, value.title())    def _getProperty(self, attribute):        print("Getting: {}".format(attribute))        return getattr(self, '_' + attribute)>>> user = Person()>>> user.addProperty('name')>>> user.addProperty('phone')>>> user.name = 'john smith'Setting: name = john smith>>> user.phone = '12345'Setting: phone = 12345>>> user.nameGetting: name'John Smith'>>> user.__dict__{'_phone': '12345', '_name': 'John Smith'}靜態(tài)方法和類方法

我們可以使用描述符來模擬Python中的@staticmethod和@classmethod的實(shí)現(xiàn)。我們首先來瀏覽一下下面這張表：

Transformation

Called from an Object

Called from a Class

function

f(obj, *args)

f(*args)

staticmethod

f(*args)

f(*args)

classmethod

f(type(obj), *args)

f(klass, *args)

靜態(tài)方法

對(duì)于靜態(tài)方法f。c.f和C.f是等價(jià)的，都是直接查詢object.__getattribute__(c, ‘f’)或者object.__getattribute__(C, ’f‘)。靜態(tài)方法一個(gè)明顯的特征就是沒有self變量。

靜態(tài)方法有什么用呢？假設(shè)有一個(gè)處理專門數(shù)據(jù)的容器類，它提供了一些方法來求平均數(shù)，中位數(shù)等統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)方式，這些方法都是要依賴于相應(yīng)的數(shù)據(jù)的。但是類中可能還有一些方法，并不依賴這些數(shù)據(jù)，這個(gè)時(shí)候我們可以將這些方法聲明為靜態(tài)方法，同時(shí)這也可以提高代碼的可讀性。

使用非數(shù)據(jù)描述符來模擬一下靜態(tài)方法的實(shí)現(xiàn)：

class StaticMethod(object):    def __init__(self, f):        self.f = f    def __get__(self, obj, objtype=None):        return self.f

我們來應(yīng)用一下：

class MyClass(object):    @StaticMethod    def get_x(x):        return xprint(MyClass.get_x(100))  # output: 100類方法

Python的@classmethod和@staticmethod的用法有些類似，但是還是有些不同，當(dāng)某些方法只需要得到類的引用而不關(guān)心類中的相應(yīng)的數(shù)據(jù)的時(shí)候就需要使用classmethod了。

使用非數(shù)據(jù)描述符來模擬一下類方法的實(shí)現(xiàn)：

class ClassMethod(object):    def __init__(self, f):        self.f = f    def __get__(self, obj, klass=None):        if klass is None:            klass = type(obj)        def newfunc(*args):            return self.f(klass, *args)        return newfunc其他的魔術(shù)方法

首次接觸Python魔術(shù)方法的時(shí)候，我也被__get__, __getattribute__, __getattr__, __getitem__之間的區(qū)別困擾到了，它們都是和屬性訪問相關(guān)的魔術(shù)方法，其中重寫__getattr__，__getitem__來構(gòu)造一個(gè)自己的集合類非常的常用，下面我們就通過一些例子來看一下它們的應(yīng)用。

__getattr__

Python默認(rèn)訪問類/實(shí)例的某個(gè)屬性都是通過__getattribute__來調(diào)用的，__getattribute__會(huì)被無條件調(diào)用，沒有找到的話就會(huì)調(diào)用__getattr__。如果我們要定制某個(gè)類，通常情況下我們不應(yīng)該重寫__getattribute__，而是應(yīng)該重寫__getattr__，很少看見重寫__getattribute__的情況。

從下面的輸出可以看出，當(dāng)一個(gè)屬性通過__getattribute__無法找到的時(shí)候會(huì)調(diào)用__getattr__。

In [1]: class Test(object):    ...:     def __getattribute__(self, item):    ...:         print('call __getattribute__')    ...:         return super(Test, self).__getattribute__(item)    ...:     def __getattr__(self, item):    ...:         return 'call __getattr__'    ...:In [2]: Test().acall __getattribute__Out[2]: 'call __getattr__'應(yīng)用

對(duì)于默認(rèn)的字典，Python只支持以obj['foo']形式來訪問，不支持obj.foo的形式，我們可以通過重寫__getattr__讓字典也支持obj['foo']的訪問形式，這是一個(gè)非常經(jīng)典常用的用法：

class Storage(dict):    """    A Storage object is like a dictionary except `obj.foo` can be used    in addition to `obj['foo']`.    """    def __getattr__(self, key):        try:            return self[key]        except KeyError as k:            raise AttributeError(k)    def __setattr__(self, key, value):        self[key] = value    def __delattr__(self, key):        try:            del self[key]        except KeyError as k:            raise AttributeError(k)    def __repr__(self):        return '<Storage ' + dict.__repr__(self) + '>'

我們來使用一下我們自定義的加強(qiáng)版字典：

>>> s = Storage(a=1)>>> s['a']1>>> s.a1>>> s.a = 2>>> s['a']2>>> del s.a>>> s.a...AttributeError: 'a'__getitem__

getitem用于通過下標(biāo)[]的形式來獲取對(duì)象中的元素，下面我們通過重寫__getitem__來實(shí)現(xiàn)一個(gè)自己的list。

class MyList(object):    def __init__(self, *args):        self.numbers = args    def __getitem__(self, item):        return self.numbers[item]my_list = MyList(1, 2, 3, 4, 6, 5, 3)print my_list[2]

這個(gè)實(shí)現(xiàn)非常的簡(jiǎn)陋，不支持slice和step等功能，請(qǐng)讀者自行改進(jìn)，這里我就不重復(fù)了。

應(yīng)用

下面是參考requests庫(kù)中對(duì)于__getitem__的一個(gè)使用，我們定制了一個(gè)忽略屬性大小寫的字典類。

程序有些復(fù)雜，我稍微解釋一下：由于這里比較簡(jiǎn)單，沒有使用描述符的需求，所以使用了@property裝飾器來代替，lower_keys的功能是將實(shí)例字典中的鍵全部轉(zhuǎn)換成小寫并且存儲(chǔ)在字典self._lower_keys中。重寫了__getitem__方法，以后我們?cè)L問某個(gè)屬性首先會(huì)將鍵轉(zhuǎn)換為小寫的方式，然后并不會(huì)直接訪問實(shí)例字典，而是會(huì)訪問字典self._lower_keys去查找。賦值/刪除操作的時(shí)候由于實(shí)例字典會(huì)進(jìn)行變更，為了保持self._lower_keys和實(shí)例字典同步，首先清除self._lower_keys的內(nèi)容，以后我們重新查找鍵的時(shí)候再調(diào)用__getitem__的時(shí)候會(huì)重新新建一個(gè)self._lower_keys。

class CaseInsensitiveDict(dict):    @property    def lower_keys(self):        if not hasattr(self, '_lower_keys') or not self._lower_keys:            self._lower_keys = dict((k.lower(), k) for k in self.keys())        return self._lower_keys    def _clear_lower_keys(self):        if hasattr(self, '_lower_keys'):            self._lower_keys.clear()    def __contains__(self, key):        return key.lower() in self.lower_keys    def __getitem__(self, key):        if key in self:            return dict.__getitem__(self, self.lower_keys[key.lower()])    def __setitem__(self, key, value):        dict.__setitem__(self, key, value)        self._clear_lower_keys()    def __delitem__(self, key):        dict.__delitem__(self, key)        self._lower_keys.clear()    def get(self, key, default=None):        if key in self:            return self[key]        else:            return default

我們來調(diào)用一下這個(gè)類：

>>> d = CaseInsensitiveDict()>>> d['ziwenxie'] = 'ziwenxie'>>> d['ZiWenXie'] = 'ZiWenXie'>>> print(d){'ZiWenXie': 'ziwenxie', 'ziwenxie': 'ziwenxie'}>>> print(d['ziwenxie'])ziwenxie# d['ZiWenXie'] => d['ziwenxie']>>> print(d['ZiWenXie'])ziwenxie

作者：黑馬程序員人工智能+python培訓(xùn)學(xué)院
首發(fā)：http://python.itheima.com/