Python 黑魔法 --- 描述器(descriptor)

Python 黑魔法—描述器(descriptor)

Python黑魔法,前面已经介绍了两个魔法,装饰器和迭代器,通常还有个生成器。生成器固然也是一个很优雅的魔法。生成器更像是函数的行为。而连接类行为和函数行为的时候,还有一个描述器魔法,也称之为描述符。

我们不止一次说过,Python的优雅,很大程度在于如何设计成优雅的API。黑魔法则是一大利器。或者说Python的优雅很大程度上是建立在这些魔法巧技基础上。

何谓描述器

当定义迭代器的时候,描述是实现迭代协议的对象,即实现__iter__方法的对象。同理,所谓描述器,即实现了描述符协议,即__get__, __set__, 和 __delete__方法的对象。

单看定义,还是比较抽象的。talk is cheap。看代码吧:

定义了一个类WebFramework,它实现了描述符协议__get____set__,该对象(类也是对象,一切都是对象)即成为了一个描述器。同时实现__get____set__的称之为资料描述器(data descriptor)。仅仅实现__get__的则为非描述器。两者的差别是相对于实例的字典的优先级。

如果实例字典中有与描述器同名的属性,如果描述器是资料描述器,优先使用资料描述器,如果是非资料描述器,优先使用字典中的属性。

描述器的调用

对于这类魔法,其调用方法往往不是直接使用的。例如装饰器需要用 @ 符号调用。迭代器通常在迭代过程,或者使用 next 方法调用。描述器则比较简单,对象属性的时候会调用。

描述器与对象属性

OOP的理论中,类的成员变量包括属性和方法。那么在Python里什么是属性?修改上面的PythonSite类如下:

这里增加了一个version的类属性,以及一个实例属性site。分别查看一下类和实例对象的属性:

vars方法用于查看对象的属性,等价于对象的__dict__内容。从上面的显示结果,可以看到类PythonSite和实例pysite的属性差别在于前者有 webframework,version两个属性,以及 __init__方法,后者仅有一个site属性。

类与实例的属性

类属性可以使用对象和类访问,多个实例对象共享一个类变量。但是只有类才能修改。

正如上面的代码显示,两个实例对象都可以访问version类属性,并且是同一个类属性。当pysite1修改了version,实际上是给自己添加了一个version属性。类属性并没有被改变。当PythonSite改变了version属性的时候,pysite2的该属性也对应被改变。

属性访问的原理与描述器

知道了属性访问的结果。这个结果都是基于Python的描述器实现的。通常,类或者实例通过.操作符访问属性。例如pysite1.sitepysite1.version的访问。先访问对象的__dict__,如果没有再访问类(或父类,元类除外)的__dict__。如果最后这个__dict__的对象是一个描述器,则会调用描述器的__get__方法。

实例方法,类方法,静态方法与描述器

调用描述器的时候,实际上会调用object.__getattribute__()。这取决于调用描述其器的是对象还是类,如果是对象obj.x,则会调用type(obj).__dict__['x'].__get__(obj, type(obj))。如果是类,class.x, 则会调用type(class).__dict__['x'].__get__(None, type(class)

这样说还是比较抽象,下面来分析Python的方法,静态方法和类方法。把PythonSite重构一下:

类方法,@classmethod装饰器

先看类方法,类方法使用@classmethod装饰器定义。经过该装饰器的方法是一个描述器。类和实例都可以调用类方法:

get_version 是一个bound方法。下面再看下ps.get_version这个调用,会先查找它·的__dict__是否有get_version这个属性,如果没有,则查找其类。

并且vars(ps)中,__dict__并没有get_version这个属性,依据描述器协议,将会调用type(ps).__dict__['get_version']描述器的__get__方法,因为ps是实例,因此object.__getattribute__()会这样调用__get__(obj, type(obj))

现在再看类方法的调用:

因为这次调用get_version的是一个类对象,而不是实例对象,因此object.__getattribute__()会这样调用__get__(None, Class)

静态方法,@staticmethod

实例和类也可以调用静态方法:

和类方法差别不大,他们的主要差别是在类方法内部的时候,类方法可以有cls的类引用,静态访问则没有,如果静态方法想使用类变量,只能硬编码类名。

实例方法

实例方法最为复杂,是专门属于实例的,使用类调用的时候,会是一个unbound方法。

一切工作正常,实例方法也是类的一个属性,但是对于类,描述器使其变成了unbound方法:

由此可见,类不能直接调用实例方法,除非在描述器手动绑定一个类实例。因为使用类对象调用描述器的时候,__get__的第一个参数是None,想要成功调用,需要把这个参数替换为实例ps,这个过程就是对方法的bound过程。

描述器的应用

描述器的作用主要在方法和属性的定义上。既然我们可以重新描述类的属性,那么这个魔法就可以改变类的一些行为。最简单的应用则是可以配合装饰器,写一个类属性的缓存。Flask的作者写了一个werkzeug网络工具库,里面就使用描述器的特性,实现了一个缓存器。

运行结果可见,first calculate只在第一次调用时候被计算之后就把结果缓存起来了。这样的好处是在网络编程中,对HTTP协议的解析,通常会把HTTP的header解析成python的一个字典,而在视图函数的时候,可能不知一次的访问这个header,因此把这个header使用描述器缓存起来,可以减少多余的解析。

描述器在python的应用十分广泛,通常是配合装饰器一起使用。强大的魔法来自强大的责任。描述器还可以用来实现ORM中对sql语句的”预编译”。恰当的使用描述器,可以让自己的Python代码更优雅。

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