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Python描述符 详解Python描述符的工作原理

不加班的程序员丶   2021-06-10 我要评论
想了解详解Python描述符的工作原理的相关内容吗不加班的程序员丶在本文为您仔细讲解Python描述符的相关知识和一些Code实例欢迎阅读和指正我们先划重点:Python描述符的工作原理,Python描述符下面大家一起来学习吧

一、前言

其实在开发过程中虽然我们没有直接使用到描述符但是它在底层却无时不刻地被使用到例如以下这些:

functionbound methodunbound method

装饰器propertystaticmethodclassmethod

是不是都很熟悉?

这些都与描述符有着千丝万缕的关系这篇文章我们就来看一下描述符背后的工作原理

二、什么是描述符?

在解释什么是「描述符」之前我们先来看一个简单的例子

这个例子非常简单我们在类 A 中定义了一个类属性 x然后打印它的值

其实除了直接定类属性之外我们还可以这样定义一个类属性:

仔细看这次类属性 x 不再是一个具体的值而是一个类 TenTen 中定义了一个 __get__ 方法返回具体的值

在 Python 中允许把一个类属性托管给一个类这个属性就是一个「描述符」

换句话说「描述符」是一个「绑定行为」的属性

怎么理解这句话?

回忆一下我们开发时一般把「行为」叫做什么?是的「行为」一般指的是一个方法

所以我们也可以把「描述符」理解为:对象的属性不再是一个具体的值而是交给了一个方法去定义

可以想一下如果我们用一个方法去定义一个属性这么做的好处是什么?

有了方法我们就可以在方法内实现自己的逻辑最简单的我们可以根据不同的条件在方法内给属性赋予不同的值就像下面这样:

三、描述符协议

了解了描述符的定义现在我们把重点放到托管属性的类上

其实一个类属性想要托管给一个类这个类内部实现的方法不能是随便定义的它必须遵守「描述符协议」也就是要实现以下几个方法:

__get__(self, obj, type=None)
__set__(self, obj, value)
__delete__(self, obj)

只要是实现了以上几个方法的其中一个那么这个类属性就可以称作描述符

另外描述符又可以分为「数据描述符」和「非数据描述符」:

只定义了 __get___叫做非数据描述符
除了定义 __get__ 之外还定义了 __set__ 或 __delete__叫做数据描述符

它们两者有什么区别我会在下面详述

现在我们来看一个包含 __get__ 和 __set__ 方法的描述符例子:

在这例子中类属性 age 是一个描述符它的值取决于 Age 类

从输出结果来看当我们获取或修改 age 属性时调用了 Age 的 __get__ 和 __set__ 方法:

  • 当调用 p1.age 时__get__ 被调用参数 obj 是 Person 实例type 是 type(Person)
  • 当调用 Person.age 时__get__ 被调用参数 obj 是 Nonetype 是 type(Person)
  • 当调用 p1.age = 25时__set__ 被调用参数 obj 是 Person 实例value 是25
  • 当调用 p1.age = -1时__set__ 没有通过校验抛出 ValueError

其中调用 __set__ 传入的参数我们比较容易理解但是对于 __get__ 方法通过类或实例调用传入的参数是不同的这是为什么?

这就需要我们了解一下描述符的工作原理

四、描述符的工作原理

要解释描述符的工作原理首先我们需要先从属性的访问说起

在开发时不知道你有没有想过这样一个问题:通常我们写这样的代码 a.b其背后到底发生了什么?

这里的 a 和 b 可能存在以下情况:

1.a 可能是一个类也可能是一个实例我们这里统称为对象

2.b 可能是一个属性也可能是一个方法方法其实也可以看做是类的属性

其实无论是以上哪种情况在 Python 中都有一个统一的调用逻辑:

1.先调用 __getattribute__ 尝试获得结果

2.如果没有结果调用 __getattr__

用代码表示就是下面这样:

我们这里需要重点关注一下 __getattribute__因为它是所有属性查找的入口它内部实现的属性查找顺序是这样的:

1.要查找的属性在类中是否是一个描述符

2.如果是描述符再检查它是否是一个数据描述符

3.如果是数据描述符则调用数据描述符的 __get__

4.如果不是数据描述符则从 __dict__ 中查找

5.如果 __dict__ 中查找不到再看它是否是一个非数据描述符

6.如果是非数据描述符则调用非数据描述符的 __get__

7.如果也不是一个非数据描述符则从类属性中查找

8.如果类中也没有这个属性抛出 AttributeError 异常

写成代码就是下面这样:

如果不好理解你最好写一个程序测试一下观察各种情况下的属性的查找顺序

到这里我们可以看到在一个对象中查找一个属性都是先从 __getattribute__ 开始的

在 __getattribute__ 中它会检查这个类属性是否是一个描述符如果是一个描述符那么就会调用它的 __get__ 方法但具体的调用细节和传入的参数是下面这样的:

如果 a 是一个实例调用细节为:

所以我们就能看到上面例子输出的结果

五、数据描述符和非数据描述符

了解了描述符的工作原理我们继续来看数据描述符和非数据描述符的区别

从定义上来看它们的区别是:

  • 只定义了 __get___叫做非数据描述符
  • 除了定义 __get__ 之外还定义了 __set__ 或 __delete__叫做数据描述符

此外我们从上面描述符调用的顺序可以看到在对象中查找属性时数据描述符要优先于非数据描述符调用

在之前的例子中我们定义了 __get__ 和 __set__所以那些类属性都是数据描述符

我们再来看一个非数据描述符的例子:

这段代码我们定义了一个相同名字的属性和方法 foo如果现在执行 A().foo你觉得会输出什么结果?

答案是 abc

为什么打印的是实例属性 foo 的值而不是方法 foo 呢?

这就和非数据描述符有关系了

我们执行 dir(A.foo)观察结果:

看到了吗?A 的 foo 方法其实实现了 __get__我们在上面的分析已经得知:只定义 __get__ 方法的对象它其实是一个非数据描述符也就是说我们在类中定义的方法其实本身就是一个非数据描述符

所以在一个类中如果存在相同名字的属性和方法按照上面所讲的 __getattribute__ 中查找属性的顺序这个属性就会优先从实例中获取如果实例中不存在才会从非数据描述符中获取所以在这里优先查找的是实例属性 foo 的值

到这里我们可以总结一下关于描述符的相关知识点:

  • 描述符必须是一个类属性
  • __getattribute__ 是查找一个属性(方法)的入口
  • __getattribute__ 定义了一个属性(方法)的查找顺序:数据描述符、实例属性、非数据描述符、类属性
  • 如果我们重写了 __getattribute__ 方法会阻止描述符的调用
  • 所有方法其实都是一个非数据描述符因为它定义了 __get__

六、描述符的使用场景

了解了描述符的工作原理那描述符一般用在哪些业务场景中呢?

在这里我用描述符实现了一个属性校验器你可以参考这个例子在类似的场景中去使用它

首先我们定义一个校验基类 Validator在 __set__ 方法中先调用 validate 方法校验属性是否符合要求然后再对属性进行赋值

现在当我们对 Person 实例进行初始化时就可以校验这些属性是否符合预定义的规则了

七、function与method

我们再来看一下在开发时经常看到的 functionunbound methodbound method 它们之间到底有什么区别?

来看下面这段代码:

从结果我们可以看出它们的区别:

  • function 准确来说就是一个函数并且它实现了 __get__ 方法因此每一个 function 都是一个非数据描述符而在类中会把 function 放到 __dict__ 中存储
  • 当 function 被实例调用时它是一个 bound method
  • 当 function 被类调用时 它是一个 unbound method

function 是一个非数据描述符我们之前已经讲到了

而 bound method 和 unbound method 的区别就在于调用方的类型是什么如果是一个实例那么这个 function 就是一个 bound method否则它是一个 unbound method

八、property/staticmethod/classmethod

我们再来看 propertystaticmethodclassmethod

这些装饰器的实现默认是 C 来实现的

其实我们也可以直接利用 Python 描述符的特性来实现这些装饰器

property 的 Python 版实现:

除此之外你还可以实现其他功能强大的装饰器

由此可见通过描述符我们可以实现强大而灵活的属性管理功能对于一些要求属性控制比较复杂的场景我们可以选择用描述符来实现


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