Python中的類超程式設計

Hanwencheng發表於2019-02-16
Python程式設計

導語：本文章記錄了本人在學習Python基礎之超程式設計篇的重點知識及個人心得，打算入門Python的朋友們可以來一起學習並交流。

本文重點：

1、瞭解執行時建立類的方法——類工廠函式；
2、熟悉元類的基礎知識和使用場景；
3、瞭解元類的__prepare__的意義；
4、瞭解class的屬性以及Python直譯器如何處理匯入的模組。

類超程式設計是指在執行時建立或定製類的技藝。

一、類工廠函式

類是一等物件，因此任何時候都可以使用函式新建類，而無需使用class關鍵字。

例項： 下面我們寫一個簡單的類工廠函式：

def record_factory(cls_name,field_names):
    try:
        field_names=field_names.replace(`,`,` `).split()
    except AttributeError:
        pass
    field_names=tuple(field_names)#使用屬性名構建元組，這將成為新的__slots__。

    def __init__(self,*args,**kwards):#通過字典解析輸入資料，然後將值賦給新建的類的屬性。
        attrs=dict(zip(self.__slots__,args))
        attrs.update(kwards)
        for key,value in attrs.items():
            setattr(self,key,value)

    def __iter__(self):#迭代特殊方法的思想在於讓直譯器查詢到屬性對應的值。
        for name in self.__slots__:
            yield getattr(self,name)#實現迭代的方法在於：通過內建getattr方法獲取已經初始化的類屬性對應的值。
    def __repr__(self):#返回一個合適的字串。
        msg=`, `.join(`{}={!r}`.format(*i) for i in zip(self.__slots__,self))
        return `{}({})`.format(self.__class__.__name__,msg)

    cls_attrs=dict(__slots__=field_names,
                   __init__=__init__,
                  __iter__=__iter__,
                   __repr__=__repr__)

    return type(cls_name,(object,),cls_attrs)#使用type構造方法構建新類並返回，注意object後的逗號很重要。
animal=record_factory(`animal`,`name,age,price`)
dog=animal(`dog`,`Bob`,`1000`)
print(dog)#構造animal例項物件
a,b,_=dog#可以實現預期的拆包賦值
print(a,b）

輸出：

animal(name=`dog`, age=`Bob`, price=`1000`)
dog Bob

type的三個引數：class type(name, bases, dict)
type最後一個引數是一個對映，指定新類的屬性名和值。

注意：在Python中做超程式設計時, 最好不要用 exec 和 eval 函式.。如果接接收的字串來自不可信的源，這兩個函式會帶來嚴重的安全風險.

二、定製描述符的類裝飾器

類裝飾器：本質上是高階函式，其引數是被裝飾的類，用於審查審查、修改、甚至把被裝飾的類替換成其他類。

類裝飾器的重大缺點：只對直接依附的類有效。即被裝飾的類的子類可能繼承也可能不繼承裝飾器所做的改動，具體情況視改動的方式而定。

三、元類

1、基礎知識

元類：是類超程式設計最高階的工具：使用元類可以建立具有某種特質的全新變種，例如抽象基類。
功能：元類是建立類的類。
特點：

  • 所有類都直接或間接地是type的例項，不過只有元類同時也是type的子類。
  • 具體而言，元類可以通過實現__init__方法定製類。
  • 為了避免無限回溯，type.__class是type，即type是自身的例項。

建議：除非開發框架，否則不要在生產程式碼中定義元類或抽象基類。

例項：使用元類定製描述符

class EntityMeta(type):
    """Metaclass for business entities with validated fields"""

    def __init__(cls, name, bases, attr_dict):
        super().__init__(name, bases, attr_dict)  # 建立類物件。
        for key, attr in attr_dict.items():  # <2>
            if isinstance(attr, Validated):
                type_name = type(attr).__name__
                attr.storage_name = `_{}#{}`.format(type_name, key)

class Entity(metaclass=EntityMeta):  # <3>
    """Business entity with validated fields"""

2、元類的使用場景：

  • 驗證屬性
  • 一次把裝飾器依附到多個方法上
  • 序列化物件或轉換資料
  • 物件關係對映
  • 基於物件的持久儲存
  • 動態轉換使用其他語言編寫為所有類定義的方法

四、元類的特殊方法__prepare__

__prepare__的功能：知道類的屬性定義的順序。
使用場景：__prepare__只在元類中有用，而且必須宣告為類方法（即要使用@classmethod 裝飾器定義）。
引數要求：__prepare__方法的第一個引數是元類，隨後兩個引數分別是要構建的類的名稱和基類組成的元組， 返回值必須是對映。
工作原理：元類構建新類時，直譯器會先呼叫__prepare__ 方法，使用類定義體中的屬性建立對映。接著把__prepare__方法返回的對映會傳給__new__ 方法的最後一個引數，然後再傳給__init__ 方法。

例項：使用__prepare__

class EntityMeta(type):
    """Metaclass for business entities with validated fields"""

    @classmethod
    def __prepare__(cls, name, bases):
        return collections.OrderedDict()  # 返回一個空的 OrderedDict 例項，類屬性將儲存在裡面。

    def __init__(cls, name, bases, attr_dict):
        super().__init__(name, bases, attr_dict)
        cls._field_names = []  # 中建立一個 _field_names 屬性
        for key, attr in attr_dict.items():
            if isinstance(attr, Validated):
                type_name = type(attr).__name__
                attr.storage_name = `_{}#{}`.format(type_name, key)
                cls._field_names.append(key)

class Entity(metaclass=EntityMeta):
    """Business entity with validated fields"""

    @classmethod
    def field_names(cls):  # field_names 類方法的作用簡單：按照新增欄位的順序產出欄位的名稱
        for name in cls._field_names:
            yield name

五、其他

1、Python中的匯入時和執行時

在程式中首次匯入模組時，Python直譯器還會執行所匯入模組中的全部頂層程式碼。以後匯入相同的模組則使用快取，只做名稱繫結。

對函式而言，首次匯入模組時：直譯器會執行頂層的 def 語句，編譯函式的定義體，把函式物件繫結到對應的全域性名稱上，但是顯然直譯器不會執行函式的定義體。通常這意味著直譯器在匯入時定義頂層函式，但是僅當在執行時呼叫函式時才會執行函式的定義體。

對類而言，首次匯入模組時：直譯器會執行每個類的定義體，甚至會執行巢狀類的定義體。執行類定義體的結果是，定義了類的屬性和方法，並構建了類物件。從這個意義上理解，類的定義體屬於“頂層程式碼”，因為它在匯入時執行。

2、類的屬性

class除了除__mro__、__class__、和__name__之外還有以下屬性：

  • cls.__bases__：由類的基類組成的元組。
  • cls.__qualname__：其值是類或函式的限定名稱，即從模組的全域性作用域到類的點分路徑。
  • cls.__subclasses__()：這個方法返回一個列表，包含類的直接子類。其實現使用弱引用，防止超類和子類之間出現迴圈引用。這個方法返回的列表是記憶體裡現存的子類。
  • cls.mro()：構建類時，如果需要獲取儲存在類屬性__mro__ 中的超類元組，直譯器會呼叫這個方法。元類可以覆蓋這個方法，定製要構建的類解析方法的順序。

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