Python 中的属性访问与描述符

在Python中,对于一个对象的属性访问,我们一般采用的是点(.)属性运算符进行操作。例如,有一个类实例对象foo,它有一个name属性,那便可以使用foo.name对此属性进行访问。一般而言,点(.)属性运算符比较直观,也是我们经常碰到的一种属性访问方式。然而,在点(.)属性运算符的背后却是别有洞天,值得我们对对象的属性访问进行探讨。

在进行对象属性访问的分析之前,我们需要先了解一下对象怎么表示其属性。为了便于说明,本文以新式类为例。有关新式类和旧式类的区别,大家可以查看Python官方文档。

对象的属性

Python中,“一切皆对象”。我们可以给对象设置各种属性。先来看一个简单的例子:

上面的例子中,我们定义了两个类。类Animal定义了一个属性run;类Dog继承自Animal,定义了一个属性fly和两个函数。接下来,我们实例化一个对象。对象的属性可以从特殊属性__dict__中查看。

由上面的例子可以看出:属性在哪个对象上定义,便会出现在哪个对象的__dict__中。例如:

  • Animal定义了一个属性run,那这个run属性便只会出现在类Animal__dict__中,而不会出现在其子类中。
  • Dog定义了一个属性fly和两个函数,那这些属性和方法便会出现在类Dog__dict__中,同时它们也不会出现在实例的__dict__中。
  • 实例对象dog__dict__中只出现了一个属性age,这是在初始化实例对象的时候添加的,它没有父类的属性和方法。
  • 由此可知:Python中对象的属性具有 “层次性”,属性在哪个对象上定义,便会出现在哪个对象的__dict__中。

在这里我们首先了解的是属性值会存储在对象的__dict__中,查找也会在对象的__dict__中进行查找的。至于Python对象进行属性访问时,会按照怎样的规则来查找属性值呢?这个问题在后文中进行讨论。

对象属性访问与特殊方法__getattribute__

正如前面所述,Python的属性访问方式很直观,使用点属性运算符。在新式类中,对对象属性的访问,都会调用特殊方法__getattribute____getattribute__允许我们在访问对象属性时自定义访问行为,但是使用它特别要小心无限递归的问题。

还是以上面的情景为例:

上面的例子中我们重写了__getattribute__方法。注意我们使用了super()方法来避免无限循环问题。下面我们实例化一个对象来说明访问对象属性时__getattribute__的特性。

由上面的验证可知,__getattribute__是实例对象查找属性或方法的入口。实例对象访问属性或方法时都需要调用到__getattribute__,之后才会根据一定的规则在各个__dict__中查找相应的属性值或方法对象,若没有找到则会调用__getattr__(后面会介绍到)。__getattribute__是Python中的一个内置方法,关于其底层实现可以查看相关官方文档,后面将要介绍的属性访问规则就是依赖于__getattribute__的。

对象属性控制

在继续介绍后面相关内容之前,让我们先来了解一下Python中和对象属性控制相关的相关方法。

  • __getattr__(self, name)__getattr__可以用来在当用户试图访问一个根本不存在(或者暂时不存在)的属性时,来定义类的行为。前面讲到过,当__getattribute__方法找不到属性时,最终会调用__getattr__方法。它可以用于捕捉错误的以及灵活地处理AttributeError。只有当试图访问不存在的属性时它才会被调用。
  • __setattr__(self, name, value)__setattr__方法允许你自定义某个属性的赋值行为,不管这个属性存在与否,都可以对任意属性的任何变化都定义自己的规则。关于__setattr__有两点需要说明:第一,使用它时必须小心,不能写成类似self.name = “Tom”这样的形式,因为这样的赋值语句会调用__setattr__方法,这样会让其陷入无限递归;第二,你必须区分 对象属性类属性 这两个概念。后面的例子中会对此进行解释。
  • __delattr__(self, name)__delattr__用于处理删除属性时的行为。和__setattr__方法要注意无限递归的问题,重写该方法时不要有类似del self.name的写法。

还是以上面的例子进行说明,不过在这里我们要重写三个属性控制方法。

以下进行验证。首先是__getattr__:

可以看到,属性访问时,当访问一个不存在的属性时触发__getattr__,它会对访问行为进行控制。接下来是__setattr__

实例对象的__setattr__方法可以定义属性的赋值行为,不管属性是否存在。当属性存在时,它会改变其值;当属性不存在时,它会添加一个对象属性信息到对象的__dict__中,然而这并不改变类的属性。从上面的例子可以看出来。

最后,看一下__delattr__

描述符

描述符是Python 2.2 版本中引进来的新概念。描述符一般用于实现对象系统的底层功能, 包括绑定和非绑定方法、类方法、静态方法特特性等。关于描述符的概念,官方并没有明确的定义,可以在网上查阅相关资料。这里我从自己的认识谈一些想法,如有不当之处还请包涵。

在前面我们了解了对象属性访问和行为控制的一些特殊方法,例如__getattribute____getattr____setattr____delattr__。以我的理解来看,这些方法应当具有属性的”普适性”,可以用于属性查找、设置、删除的一般方法,也就是说所有的属性都可以使用这些方法实现属性的查找、设置、删除等操作。但是,这并不能很好地实现对某个具体属性的访问控制行为。例如,上例中假如要实现dog.age属性的类型设置(只能是整数),如果单单去修改__setattr__方法满足它,那这个方法便有可能不能支持其他的属性设置。

在类中设置属性的控制行为不能很好地解决问题,Python给出的方案是:__getattribute____getattr____setattr____delattr__等方法用来实现属性查找、设置、删除的一般逻辑,而对属性的控制行为就由属性对象来控制。这里单独抽离出来一个属性对象,在属性对象中定义这个属性的查找、设置、删除行为。这个属性对象就是描述符。

描述符对象一般是作为其他类对象的属性而存在。在其内部定义了三个方法用来实现属性对象的查找、设置、删除行为。这三个方法分别是:

  • get(self, instance, owner):定义当试图取出描述符的值时的行为。
  • set(self, instance, value):定义当描述符的值改变时的行为。
  • delete(self, instance):定义当描述符的值被删除时的行为。

其中:instance为把描述符对象作为属性的对象实例;
owner为instance的类对象。

以下以官方的一个例子进行说明:

以上定义了两个类。其中RevealAccess类的实例是作为MyClass类属性x的值存在的。而且RevealAccess类定义了__get____set__方法,它是一个描述符对象。注意,描述符对象的__get____set__方法中使用了诸如self.valself.val = val等语句,这些语句会调用__getattribute____setattr__等方法,这也说明了__getattribute____setattr__等方法在控制访问对象属性上的一般性(一般性是指对于所有属性它们的控制行为一致),以及__get____set__等方法在控制访问对象属性上的特殊性(特殊性是指它针对某个特定属性可以定义不同的行为)。

以下进行验证:

上面的例子对描述符进行了一定的解释,不过对描述符还需要更进一步的探讨和分析,这个工作先留待以后继续进行。

最后,还需要注意一点:描述符有数据描述符和非数据描述符之分。

  • 只要至少实现__get____set____delete__方法中的一个就可以认为是描述符;
  • 只实现__get__方法的对象是非数据描述符,意味着在初始化之后它们只能被读取;
  • 同时实现__get____set__的对象是数据描述符,意味着这种属性是可读写的。

属性访问的优先规则

在以上的讨论中,我们一直回避着一个问题,那就是属性访问时的优先规则。我们了解到,属性一般都在__dict__中存储,但是在访问属性时,在对象属性、类属型、基类属性中以怎样的规则来查询属性呢?以下对Python中属性访问的规则进行分析。

由上述的分析可知,属性访问的入口点是__getattribute__方法。它的实现中定义了Python中属性访问的优先规则。Python官方文档中对__getattribute__的底层实现有相关的介绍,本文暂时只是讨论属性查找的规则,相关规则可见下图:

Python属性查找

上图是查找b.x这样一个属性的过程。在这里要对此图进行简单的介绍:

  1. 查找属性的第一步是搜索基类列表,即type(b).__mro__,直到找到该属性的第一个定义,并将该属性的值赋值给descr
  2. 判断descr的类型。它的类型可分为数据描述符、非数据描述符、普通属性、未找到等类型。若descr为数据描述符,则调用desc.__get__(b, type(b)),并将结果返回,结束执行。否则进行下一步;
  3. 如果descr为非数据描述符、普通属性、未找到等类型,则查找实例b的实例属性,即b.__dict__。如果找到,则将结果返回,结束执行。否则进行下一步;
  4. 如果在b.__dict__未找到相关属性,则重新回到descr值的判断上。
    • descr为非数据描述符,则调用desc.__get__(b, type(b)),并将结果返回,结束执行;
    • descr为普通属性,直接返回结果并结束执行;
    • descr为空(未找到),则最终抛出 AttributeError 异常,结束查找。
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