Python超程式設計：控制你想控制的一切

鬆直發表於2017-10-14
Python程式設計

很多人不理解“超程式設計”是個什麼東西，關於它也沒有一個十分準確的定義。這篇文章要說的是Python裡的超程式設計，實際上也不一定就真的符合“超程式設計”的定義。只不過我無法找到一個更準確的名字來代表這篇文章的主題，所以就借了這麼一個名號。

副標題是控制你想控制的一切，實際上這篇文章講的都是一個東西，利用Python提供給我們的特性，儘可能的使程式碼優雅簡潔。具體而言，通過程式設計的方法，在更高的抽象層次上對一種層次的抽象的特性進行修改。

首先說，Python中一切皆物件，老生常談。還有，Python提供了許多特殊方法、元類等等這樣的“超程式設計”機制。像給物件動態新增屬性方法之類的，在Python中根本談不上是“超程式設計”，但在某些靜態語言中卻是需要一定技巧的東西。我們來談些Python程式設計師也容易被搞糊塗的東西。

我們先來把物件分分層次，通常我們知道一個物件有它的型別，老早以前Python就將型別也實現為物件。這樣我們就有了例項物件和類物件。這是兩個層次。稍有基礎的讀者就會知道還有元類這個東西的存在，簡言之，元類就是“類”的“類”，也就是比類更高層次的東西。這又有了一個層次。還有嗎？

ImportTime vs RunTime

如果我們換個角度，不用非得和之前的三個層次使用同樣的標準。我們再來區分兩個東西：ImportTime和RunTime，它們之間也並非界限分明，顧名思義，就是兩個時刻，匯入時和執行時。

當一個模組被匯入時，會發生什麼？在全域性作用域的語句（非定義性語句）被執行。函式定義呢？一個函式物件被建立，但其中的程式碼不會被執行。類定義呢？一個類物件被建立，類定義域的程式碼被執行，類的方法中的程式碼自然也不會被執行。

執行時呢？函式和方法中的程式碼會被執行。當然你要先呼叫它們。

元類

所以我們可以說元類和類是屬於ImportTime的，import一個模組之後，它們就會被建立。例項物件屬於RunTime，單import是不會建立例項物件的。不過話不能說的太絕對，因為如果你要是在模組作用域例項化類，例項物件也是會被建立的。只不過我們通常把它們寫在函式裡面，所以這樣劃分。

如果你想控制產生的例項物件的特性該怎麼做？太簡單了，在類定義中重寫__init__方法。那麼我們要控制類的一些性質呢？有這種需求嗎？當然有！

經典的單例模式，大家都知道有很多種實現方式。要求就是，一個類只能有一個例項。

最簡單的實現方法是這樣的

class _Spam:
    def __init__(self):
        print("Spam!!！")

_spam_singleton =None

def Spam():
    global _spam_singleton
    if _spam_singleton is not None:
        return _spam_singleton
    else:
        _spam_singleton = _Spam()
        return _spam_singleton
複製程式碼

工廠模式，不太優雅。我們再來審視一下需求，要一個類只能有一個例項。我們在類中定義的方法都是例項物件的行為，那麼要想改變類的行為，就需要更高層次的東西。元類在這個時候登場在合適不過了。前面說過，元類是類的類。也就是說，元類的__init__方法就是類的初始化方法。 我們知道還有__call__這個東西，它能讓例項像函式那樣被呼叫，那麼元類的這個方法就是類在被例項化時呼叫的方法。

程式碼就可以寫出來了:

class Singleton(type):
    def __init__(self, *args, **kwargs):
        self._instance = None
        super().__init__(*args, **kwargs)

    def __call__(self, *args, **kwargs):
        if self._instance is None:
            self._instance = super().__call__(*args, **kwargs)
            return self._instance
        else:
            return self._instance


class Spam(metaclass=Singleton):
    def __init__(self):
        print("Spam!!!")
複製程式碼

主要有兩個地方和一般的類定義不同，一是Singleton的基類是type，一是Spam定義的地方有一個metaclass=Singleton。type是什麼？它是object的子類，object是它的例項。也就是說，type是所有類的類，也就是最基本的元類，它規定了一些所有類在產生時需要的一些操作。所以我們的自定義元類需要子類化type。同時type也是一個物件，所以它又是object的子類。有點不太好理解，大概知道就可以了。

裝飾器

我們再來說說裝飾器。大多數人認為裝飾器是Python裡面最難理解的概念之一。其實它不過就是一個語法糖，理解了函式也是物件之後。就可以很輕易的寫出自己的裝飾器了。

from functools import wraps

def print_result(func):

    @wraps(func)
    def wrappper(*args, **kwargs):
        result = func(*args, **kwargs)
        print(result)
        return result

    return wrappper

@print_result
def add(x, y):
    return x + y
#相當於：
#add = print_result(add)

add(1, 3)
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這裡我們還用到了一個裝飾器@wraps，它是用來讓我們返回的內部函式wrapper和原來的函式擁有相同的函式簽名的，基本上我們在寫裝飾器時都要加上它。

我在註釋裡寫了，@decorator這樣的形式等價於func=decorator（func），理解了這一點，我們就可以寫出更多種類的裝飾器。比如類裝飾器，以及將裝飾器寫成一個類。

def attr_upper(cls):
    for attrname,value in cls.__dict__.items():
        if isinstance(value,str):
            if not value.startswith('__'):
                setattr(cls,attrname,bytes.decode(str.encode(value).upper()))
    return cls    

@attr_upper
class Person:
    sex = 'man'

print(Person.sex) # MAN
複製程式碼

注意普通的裝飾器和類裝飾器實現的不同點。

對資料的抽象--描述符

如果我們想讓某一些類擁有某些相同的特性，或者說可以實現在類定義對其的控制，我們可以自定義一個元類，然後讓它成為這些類的元類。如果我們想讓某一些函式擁有某些相同的功能，又不想把程式碼複製貼上一遍，我們可以定義一個裝飾器。那麼，假如我們想讓例項的屬性擁有某些共同的特點呢？有人可能會說可以用property，當然可以。但是這些邏輯必須在每個類定義的時候都寫一遍。如果我們想讓這些類的例項的某些屬性都有相同的特點的話，就可以自定義一個描述符類。

關於描述符，這篇文章docs.python.org/3/howto/des…講得很好，同時它還講解了描述符是怎麼隱藏在函式的背後，實現函式、方法的統一和不同的。這裡我們給出一些例子。

class TypedField:
    def __init__(self, _type):
        self._type = _type

    def __get__(self, instance, cls):
        if instance is None:
            return self
        else:
            return getattr(instance, self.name)

    def __set_name__(self, cls, name):
        self.name = name

    def __set__(self, instance, value):
        if not isinstance(value, self._type):
            raise TypeError('Expected' + str(self._type))
        instance.__dict__[self.name] = value

class Person:
    age = TypedField(int)
    name = TypedField(str)

    def __init__(self, age, name):
        self.age = age
        self.name = name

jack = Person(15, 'Jack')
jack.age = '15'  # 會報錯
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在這裡面有幾個角色，TypedField是一個描述符類，Person的屬性是描述符類的例項，看似描述符是作為Person，也就是類的屬性而不是例項屬性存在的。但實際上，一旦Person的例項訪問了同名的屬性，描述符就會起作用。需要注意的是，在Python3.5及之前的版本中，是沒有__set_name__這個特殊方法的，這意味著如果你想要知道在類定義中描述符被起了一個什麼樣的名字，是需要在描述符例項化時顯式傳遞給它的，也就是需要多一個引數。不過在Python3.6中，這個問題得到了解決，只需要在描述符類定義中重寫__set_name__這個方法就好了。還需要注意的是__get__的寫法，基本上對instance的判斷是必需的，不然會報錯。原因也不難理解，就不細說了。

控制子類的建立——代替元類的方法

在Python3.6中，我們可以通過實現__init_subclass__特殊方法，來自定義子類的建立，這樣我們就可以在某些情況下襬脫元類這個討厭的東西。

class PluginBase:
    subclasses = []

    def __init_subclass__(cls, **kwargs):
        super().__init_subclass__(**kwargs)
        cls.subclasses.append(cls)

class Plugin1(PluginBase):
    pass

class Plugin2(PluginBase):
    pass
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小結

諸如元類等超程式設計對於大多數人來說有些晦澀難懂，大多數時候也無需用到它們。但是大多數框架背後的實現都使用到了這些技巧，這樣才能讓使用者寫出來的程式碼簡潔易懂。如果你想更深入的瞭解這些技巧，可以參看一些書籍例如《Fluent Python》、《Python Cookbook》（這篇文章有的內容就是參考了它們），或者看官方文件中的某些章節例如上文說的描述符HowTo，還有Data Model一節等等。或者直接看Python的原始碼，包括用Python寫的以及CPython的原始碼。

記住，只有在充分理解了它們之後再去使用，也不要是個地方就想著使用這些技巧。


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