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这个 Python 知识点,90% 的人都得挂

阅读本文大概需要 3 分钟。

学习 Python 这么久了,说起 Python 的优雅之处,能让我脱口而出的, Descriptor(描述符)特性可以排得上号。

描述符 是Python 语言独有的特性,它不仅在应用层使用,在语言语法糖的实现上也有使用到(在下面的文章会一一介绍)。

当你点进这篇文章时

你也许没学过描述符,甚至没听过描述符。

或者你对描述符只是一知半解

无论你是哪种,本篇都将带你全面的学习描述符,一起来感受 Python 语言的优雅。

1. 为什么要使用描述符?

假想你正在给学校写一个成绩管理系统,并没有太多编码经验的你,可能会这样子写。

看起来一切都很合理

但是程序并不像人那么智能,不会自动根据使用场景判断数据的合法性,如果老师在录入成绩的时候,不小心录入了将成绩录成了负数,或者超过100,程序是无法感知的。

聪明的你,马上在代码中加入了判断逻辑。

这下程序稍微有点人工智能了,能够自己明辨是非了。

程序是智能了,但在里有太多的判断逻辑,很影响代码的可读性。巧的是,你刚好学过 Property 特性,可以很好的应用在这里。于是你将代码修改成如下,代码的可读性瞬间提升了不少

程序还是一样的人工智能,非常好。

你以为你写的代码,已经非常优秀,无懈可击了。

没想到,人外有天,你的主管看了你的代码后,深深地叹了口气:类里的三个属性,math、chinese、english,都使用了 Property 对属性的合法性进行了有效控制。功能上,没有问题,但就是太啰嗦了,三个变量的合法性逻辑都是一样的,只要大于0,小于100 就可以,代码重复率太高了,这里三个成绩还好,但假设还有地理、生物、历史、化学等十几门的成绩呢,这代码简直没法忍。去了解一下 Python 的描述符吧。

经过主管的指点,你知道了「描述符」这个东西。怀着一颗敬畏之心,你去搜索了下关于 描述符的用法。

其实也很简单,一个实现了 的类就是一个描述符。

什么描述符协议:在类里实现了 、、 其中至少一个方法。

:用于访问属性。它返回属性的值,若属性不存在、不合法等都可以抛出对应的异常。

:将在属性分配操作中调用。不会返回任何内容。

:控制删除操作。不会返回内容。

对描述符有了大概的了解后,你开始重写上面的方法。

如前所述,Score 类是一个描述符,当从 Student 的实例访问 math、chinese、english这三个属性的时候,都会经过 Score 类里的三个特殊的方法。这里的 Score 避免了 使用Property 出现大量的代码无法复用的尴尬。

实现的效果和前面的一样,可以对数据的合法性进行有效控制(字段类型、数值区间等)

以上,我举了下具体的实例,从最原始的编码风格到 Property ,最后引出描述符。由浅入深,一步一步带你感受到描述符的优雅之处。

到这里,你需要记住的只有一点,就是描述符给我们带来的编码上的便利,它在实现 、 的基本功能,同时有大大提高代码的复用率。

2. 描述符的访问规则

描述符分两种:

数据描述符:实现了 和 两种方法的描述符

非数据描述符:只实现了 一种方法的描述符

你一定会问,他们有什么区别呢?网上的讲解,我看过几个,很多都把一个简单的东西讲得复杂了。

其实就一句话,数据描述器和非数据描述器的区别在于:它们相对于实例的字典的优先级不同

如果实例字典中有与描述符同名的属性,如果描述符是数据描述符,优先使用数据描述符,如果是非数据描述符,优先使用字典中的属性。

这边还是以上节的成绩管理的例子来说明,方便你理解。

需要注意的是,math 是数据描述符,而 chinese 是非数据描述符。从下面的验证中,可以看出,当实例属性和数据描述符同名时,会优先访问数据描述符(如下面的math),而当实例属性和非数据描述符同名时,会优先访问实例属性()

讲完了数据描述符和非数据描述符,我们还需要了解的对象属性的查找规律。

当我们对一个实例属性进行访问时,Python 会按 顺序进行查找,如果查找到目标属性并发现是一个描述符,Python 会调用描述符协议来改变默认的控制行为。

3. 基于描述符如何实现property

经过上面的讲解,我们已经知道如何定义描述符,且明白了描述符是如何工作的。

正常人所见过的描述符的用法就是上面提到的那些,我想说的是那只是描述符协议最常见的应用之一,或许你还不知道,其实有很多 Python 的特性的底层实现机制都是基于 的,比如我们熟悉的 、 、 和 等。

先来说说 吧。

有了前面的基础,我们知道了 property 的基本用法。这里我直接切入主题,从第一篇的例子里精简了一下。

不防再简单回顾一下它的用法,通过property装饰的函数,如例子中的 math 会变成 Student 实例的属性。而对 math 属性赋值会进入 使用 装饰函数的逻辑代码块。

为什么说 property 底层是基于描述符协议的呢?通过 PyCharm 点击进入 property 的源码,很可惜,只是一份类似文档一样的伪源码,并没有其具体的实现逻辑。

不过,从这份伪源码的魔法函数结构组成,可以大体知道其实现逻辑。

这里我自己通过模仿其函数结构,结合「描述符协议」来自己实现类 特性。

代码如下:

然后 Student 类,我们也相应改成如下

为了尽量让你少产生一点疑惑,我这里做两点说明:

使用装饰后, 不再是一个函数,而是 类的一个实例。所以第二个math函数可以使用 来装饰,本质是调用 来产生一个新的 实例赋值给第二个。

第一个 和第二个 是两个不同 实例。但他们都属于同一个描述符类(TestProperty),当对 math 对于赋值时,就会进入 ,当对math 进行取值里,就会进入 。仔细一看,其实最终访问的还是Student实例的 属性。

说了这么多,还是运行一下,更加直观一点。

对于以上理解 的运行原理有困难的同学,请务必参照我上面写的两点说明。如有其他疑问,可以加微信与我进行探讨。

4. 基于描述符如何实现staticmethod

说完了 ,这里再来讲讲   和 的实现原理。

我这里定义了一个类,用了两种方式来实现静态方法。

这两种写法是等价的,就好像在 一样,其实以下两种写法也是等价的。

话题还是转回到 这边来吧。

由上面的注释,可以看出 其实就相当于一个描述符类,而 在此刻变成了一个描述符。关于 的实现,你可以参照下面这段我自己写的代码,加以理解。

调用这个方法可以知道,每调用一次,它都会经过描述符类的 。

5. 基于描述符如何实现classmethod

同样的 也是一样。

验证结果如下

讲完了 、和 与 描述符的关系。我想你应该对描述符在 Python 中的应用有了更深的理解。对于 super 的实现原理,就交由你来自己完成。

6. 所有实例共享描述符

通过以上内容的学习,你是不是觉得自己已经对描述符足够了解了呢?

可在这里,我想说以上的描述符代码都有问题。

问题在哪里呢?请看下面这个例子。

Student 里没有像前面那样写了构造函数,但是关键不在这儿,没写只是因为没必要写。

然后来看一下会出现什么样的问题呢

从结果上来看,std2 居然共享了 std1 的属性值,只要其中一个实例的变量发生改变,另一个实例的变量也会跟着改变。

探其根因,是由于此时 math,chinese,english 三个全部是类变量,导致 std2 和 std1 在访问 math,chinese,english 这三个变量时,其实都是访问类变量。

问题是不是来了?小明和小强的分数怎么可能是绑定的呢?这很明显与实际业务不符。

使用描述符给我们制造了便利,却无形中给我们带来了麻烦,难道这也是描述符的特性吗?

描述符是个很好用的特性,会出现这个问题,是由于我们之前写的描述符代码都是错误的。

描述符的机制,在我看来,只是抢占了访问顺序,而具体的逻辑却要因地制宜,视情况而定。

如果要把 math,chinese,english  这三个变量变成实例之间相互隔离的属性,应该这么写。

引导程序逻辑进入描述符之后,不管你是获取属性,还是设置属性,都是直接作用于 instance 的。

这段代码,你可以仔细和前面的对比一下。

不难看出:

之前的错误代码,更像是把描述符当做了存储节点。

之后的正确代码,则是把描述符直接当做代理,本身不存储值。

以上便是我对描述符的全部分享,希望能对你有所帮助。

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