Python进阶之路：探秘描述符的工作原理

Posted 2021-06-26 不加班的程序员丶

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了Python进阶之路：探秘描述符的工作原理相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

在 Python 开发中，你可能听说过「描述符」这个概念，由于我们很少直接使用它，所以大部分开发人员并不了解它的原理。

但作为熟练使用 Python，想要进阶的你，建议还是了解一下描述符的原理，这也便于你更深层次地理解 Python 的设计思想。

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其实，在开发过程中，虽然我们没有直接使用到描述符，但是它在底层却无时不刻地被使用到，例如以下这些：

function、bound method、unbound method
装饰器property、staticmethod、classmethod

是不是都很熟悉？

这些都与描述符有着千丝万缕的关系，这篇文章我们就来看一下描述符背后的工作原理。

什么是描述符？

在解释什么是「描述符」之前，我们先来看一个简单的例子。

这个例子非常简单，我们在类 A 中定义了一个类属性 x，然后打印它的值。

其实，除了直接定类属性之外，我们还可以这样定义一个类属性：

仔细看，这次类属性 x 不再是一个具体的值，而是一个类 Ten。Ten 中定义了一个 __get__ 方法，返回具体的值。

在 Python 中，允许把一个类属性，托管给一个类，这个属性就是一个「描述符」。

换句话说，「描述符」是一个「绑定行为」的属性。

怎么理解这句话？

回忆一下，我们开发时，一般把「行为」叫做什么？是的，「行为」一般指的是一个方法。

所以我们也可以把「描述符」理解为：对象的属性不再是一个具体的值，而是交给了一个方法去定义。

可以想一下，如果我们用一个方法去定义一个属性，这么做的好处是什么？

有了方法，我们就可以在方法内实现自己的逻辑，最简单的，我们可以根据不同的条件，在方法内给属性赋予不同的值，就像下面这样：

描述符协议

了解了描述符的定义，现在我们把重点放到托管属性的类上。

其实，一个类属性想要托管给一个类，这个类内部实现的方法不能是随便定义的，它必须遵守「描述符协议」，也就是要实现以下几个方法：

__get__(self, obj, type=None)
__set__(self, obj, value)
__delete__(self, obj)

只要是实现了以上几个方法的其中一个，那么这个类属性就可以称作描述符。

另外，描述符又可以分为「数据描述符」和「非数据描述符」：

只定义了 __get___，叫做非数据描述符
除了定义 __get__ 之外，还定义了 __set__ 或 __delete__，叫做数据描述符

它们两者有什么区别，我会在下面详述。

现在我们来看一个包含 __get__ 和 __set__ 方法的描述符例子：

在这例子中，类属性 age 是一个描述符，它的值取决于 Age 类。

从输出结果来看，当我们获取或修改 age 属性时，调用了 Age 的 __get__ 和 __set__ 方法：

当调用 p1.age 时，__get__ 被调用，参数 obj 是 Person 实例，type 是 type(Person)
当调用 Person.age 时，__get__ 被调用，参数 obj 是 None，type 是 type(Person)
当调用 p1.age = 25时，__set__ 被调用，参数 obj 是 Person 实例，value 是25
当调用 p1.age = -1时，__set__ 没有通过校验，抛出 ValueError

其中，调用 __set__ 传入的参数，我们比较容易理解，但是对于 __get__ 方法，通过类或实例调用，传入的参数是不同的，这是为什么？

这就需要我们了解一下描述符的工作原理。

描述符的工作原理

要解释描述符的工作原理，首先我们需要先从属性的访问说起。

在开发时，不知道你有没有想过这样一个问题：通常我们写这样的代码 a.b，其背后到底发生了什么？

这里的 a 和 b 可能存在以下情况：

a 可能是一个类，也可能是一个实例，我们这里统称为对象
b 可能是一个属性，也可能是一个方法，方法其实也可以看做是类的属性

其实，无论是以上哪种情况，在 Python 中，都有一个统一的调用逻辑：

先调用 __getattribute__ 尝试获得结果
如果没有结果，调用 __getattr__

用代码表示就是下面这样：

我们这里需要重点关注一下 __getattribute__，因为它是所有属性查找的入口，它内部实现的属性查找顺序是这样的：

要查找的属性，在类中是否是一个描述符
如果是描述符，再检查它是否是一个数据描述符
如果是数据描述符，则调用数据描述符的 __get__
如果不是数据描述符，则从 __dict__ 中查找
如果 __dict__ 中查找不到，再看它是否是一个非数据描述符
如果是非数据描述符，则调用非数据描述符的 __get__
如果也不是一个非数据描述符，则从类属性中查找
如果类中也没有这个属性，抛出 AttributeError 异常

写成代码就是下面这样：

如果不好理解，你最好写一个程序测试一下，观察各种情况下的属性的查找顺序。

到这里我们可以看到，在一个对象中查找一个属性，都是先从 __getattribute__ 开始的。

在 __getattribute__ 中，它会检查这个类属性是否是一个描述符，如果是一个描述符，那么就会调用它的 __get__ 方法。但具体的调用细节和传入的参数是下面这样的：

如果 a 是一个实例，调用细节为：

所以我们就能看到上面例子输出的结果。

数据描述符和非数据描述符

了解了描述符的工作原理，我们继续来看数据描述符和非数据描述符的区别。

从定义上来看，它们的区别是：

只定义了 __get___，叫做非数据描述符
除了定义 __get__ 之外，还定义了 __set__ 或 __delete__，叫做数据描述符

此外，我们从上面描述符调用的顺序可以看到，在对象中查找属性时，数据描述符要优先于非数据描述符调用。

在之前的例子中，我们定义了 __get__ 和 __set__，所以那些类属性都是数据描述符。

我们再来看一个非数据描述符的例子：

这段代码，我们定义了一个相同名字的属性和方法 foo，如果现在执行 A().foo，你觉得会输出什么结果？

答案是 abc。

为什么打印的是实例属性 foo 的值，而不是方法 foo 呢？

这就和非数据描述符有关系了。

我们执行 dir(A.foo)，观察结果：

看到了吗？A 的 foo 方法其实实现了 __get__，我们在上面的分析已经得知：只定义 __get__ 方法的对象，它其实是一个非数据描述符，也就是说，我们在类中定义的方法，其实本身就是一个非数据描述符。

所以，在一个类中，如果存在相同名字的属性和方法，按照上面所讲的 __getattribute__ 中查找属性的顺序，这个属性就会优先从实例中获取，如果实例中不存在，才会从非数据描述符中获取，所以在这里优先查找的是实例属性 foo 的值。

到这里我们可以总结一下关于描述符的相关知识点：

描述符必须是一个类属性
__getattribute__ 是查找一个属性（方法）的入口
__getattribute__ 定义了一个属性（方法）的查找顺序：数据描述符、实例属性、非数据描述符、类属性
如果我们重写了 __getattribute__ 方法，会阻止描述符的调用
所有方法其实都是一个非数据描述符，因为它定义了 __get__

描述符的使用场景

了解了描述符的工作原理，那描述符一般用在哪些业务场景中呢？

在这里我用描述符实现了一个属性校验器，你可以参考这个例子，在类似的场景中去使用它。

首先我们定义一个校验基类 Validator，在 __set__ 方法中先调用 validate 方法校验属性是否符合要求，然后再对属性进行赋值。

现在，当我们对 Person 实例进行初始化时，就可以校验这些属性是否符合预定义的规则了。

function与method

我们再来看一下，在开发时经常看到的 function、unbound method、bound method 它们之间到底有什么区别？

来看下面这段代码：

从结果我们可以看出它们的区别：

function 准确来说就是一个函数，并且它实现了 __get__ 方法，因此每一个 function 都是一个非数据描述符，而在类中会把 function 放到 __dict__ 中存储
当 function 被实例调用时，它是一个 bound method
当 function 被类调用时，它是一个 unbound method