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Python魔术方法-Magic Method

介绍

  在Python中,所有以“__”双下划线包起来的方法,都统称为“Magic Method”,例如类的初始化方法 __init__ ,Python中所有的魔术方法均在官方文档中有相应描述,但是对于官方的描述比较混乱而且组织比较松散。很难找到有一个例子。

构造和初始化

  每个Pythoner都知道一个最基本的魔术方法, __init__ 。通过此方法我们可以定义一个对象的初始操作。然而,当调用 x = SomeClass() 的时候, __init__ 并不是第一个被调用的方法。实际上,还有一个叫做__new__ 的方法,两个共同构成了“构造函数”。

  __new__是用来创建类并返回这个类的实例, 而__init__只是将传入的参数来初始化该实例。

  在对象生命周期调用结束时,__del__ 方法会被调用,可以将__del__理解为“构析函数”。下面通过代码的看一看这三个方法:

from os.path import join

class FileObject:
    '''给文件对象进行包装从而确认在删除时文件流关闭'''

    def __init__(self, filepath='~', filename='sample.txt'):
        #读写模式打开一个文件
        self.file = open(join(filepath, filename), 'r+')

    def __del__(self):
        self.file.close()
        del self.file

控制属性访问

  许多从其他语言转到Python的人会抱怨它缺乏类的真正封装。(没有办法定义私有变量,然后定义公共的getter和setter)。Python其实可以通过魔术方法来完成封装。我们来看一下:

  • __getattr__(self, name):

  定义当用户试图获取一个不存在的属性时的行为。这适用于对普通拼写错误的获取和重定向,对获取一些不建议的属性时候给出警告(如果你愿意你也可以计算并且给出一个值)或者处理一个 AttributeError 。只有当调用不存在的属性的时候会被返回。

  • __setattr__(self, name, value):

  与__getattr__(self, name)不同,__setattr__ 是一个封装的解决方案。无论属性是否存在,它都允许你定义对对属性的赋值行为,以为这你可以对属性的值进行个性定制。实现__setattr__时要避免”无限递归”的错误。

  • __delattr__:

  与 __setattr__ 相同,但是功能是删除一个属性而不是设置他们。实现时也要防止无限递归现象发生。

  • __getattribute__(self, name):

  __getattribute__定义了你的属性被访问时的行为,相比较,__getattr__只有该属性不存在时才会起作用。因此,在支持__getattribute__的Python版本,调用__getattr__前必定会调用 __getattribute____getattribute__同样要避免”无限递归”的错误。需要提醒的是,最好不要尝试去实现__getattribute__,因为很少见到这种做法,而且很容易出bug。

  在进行属性访问控制定义的时候很可能会很容易引起“无限递归”。如下面代码:

#  错误用法
def __setattr__(self, name, value):
    self.name = value
    # 每当属性被赋值的时候(如self.name = value), ``__setattr__()`` 会被调用,这样就造成了递归调用。
    # 这意味这会调用 ``self.__setattr__('name', value)`` ,每次方法会调用自己。这样会造成程序崩溃。

#  正确用法
def __setattr__(self, name, value):
    self.__dict__[name] = value  # 给类中的属性名分配值
    # 定制特有属性

Python的魔术方法很强大,但是用时却需要慎之又慎,了解正确的使用方法非常重要。

创建自定义容器

  有很多方法可以让你的Python类行为向内置容器类型一样,比如我们常用的list、dict、tuple、string等等。Python的容器类型分为可变类型(如list、dict)和不可变类型(如string、tuple),可变容器和不可变容器的区别在于,不可变容器一旦赋值后,不可对其中的某个元素进行修改。
  在讲创建自定义容器之前,应该先了解下协议。这里的协议跟其他语言中所谓的”接口”概念很像,它给你很多你必须定义的方法。然而在Python中的协议是很不正式的,不需要明确声明实现。事实上,他们更像一种指南。

自定义容器的magic method

  下面细致了解下定义容器可能用到的魔术方法。首先,实现不可变容器的话,你只能定义 __len____getitem__ (下面会讲更多)。可变容器协议则需要所有不可变容器的所有,另外还需要 __setitem____delitem__ 。如果你希望你的对象是可迭代的话,你需要定义 __iter__ 会返回一个迭代器。迭代器必须遵循迭代器协议,需要有 __iter__(返回它本身) 和 next。

  • __len__(self):

  返回容器的长度。对于可变和不可变容器的协议,这都是其中的一部分。

  • __getitem__(self, key):

  定义当某一项被访问时,使用self[key]所产生的行为。这也是不可变容器和可变容器协议的一部分。如果键的类型错误将产生TypeError;如果key没有合适的值则产生KeyError。

  • __setitem__(self, key, value):

  当你执行self[key] = value时,调用的是该方法。

  • __delitem__(self, key):

  定义当一个项目被删除时的行为(比如 del self[key])。这只是可变容器协议中的一部分。当使用一个无效的键时应该抛出适当的异常。

  • __iter__(self):

  返回一个容器迭代器,很多情况下会返回迭代器,尤其是当内置的iter()方法被调用的时候,以及当使用for x in container:方式循环的时候。迭代器是它们本身的对象,它们必须定义返回self__iter__方法。

  • __reversed__(self):

  实现当reversed()被调用时的行为。应该返回序列反转后的版本。仅当序列可以是有序的时候实现它,例如对于列表或者元组。

  • __contains__(self, item):

  定义了调用in和not in来测试成员是否存在的时候所产生的行为。你可能会问为什么这个不是序列协议的一部分?因为当__contains__没有被定义的时候,如果没有定义,那么Python会迭代容器中的元素来一个一个比较,从而决定返回True或者False。

  • __missing__(self, key):

  dict字典类型会有该方法,它定义了key如果在容器中找不到时触发的行为。比如d = {‘a’: 1}, 当你执行d[notexist]时,d.__missing__['notexist']就会被调用。

一个列子

  下面是书中的例子,用魔术方法来实现Haskell语言中的一个数据结构。

# -*- coding: utf-8 -*-
class FunctionalList:
    ''' 实现了内置类型list的功能,并丰富了一些其他方法: head, tail, init, last, drop, take'''

    def __init__(self, values=None):
        if values is None:
            self.values = []
        else:
            self.values = values

    def __len__(self):
        return len(self.values)

    def __getitem__(self, key):
        return self.values[key]

    def __setitem__(self, key, value):
        self.values[key] = value

    def __delitem__(self, key):
        del self.values[key]

    def __iter__(self):
        return iter(self.values)

    def __reversed__(self):
        return FunctionalList(reversed(self.values))

    def append(self, value):
        self.values.append(value)
    def head(self):
        # 获取第一个元素
        return self.values[0]
    def tail(self):
        # 获取第一个元素之后的所有元素
        return self.values[1:]
    def init(self):
        # 获取最后一个元素之前的所有元素
        return self.values[:-1]
    def last(self):
        # 获取最后一个元素
        return self.values[-1]
    def drop(self, n):
        # 获取所有元素,除了前N个
        return self.values[n:]
    def take(self, n):
        # 获取前N个元素
        return self.values[:n]

  
  其实在collections模块中已经有了很多类似的实现,比如Counter、OrderedDict等等。

反射

  你也可以控制怎么使用内置在函数sisinstance()和issubclass()方法 反射定义魔术方法. 这个魔术方法是:

  • __instancecheck__(self, instance):

  检查一个实例是不是你定义的类的实例

  • __subclasscheck__(self, subclass):
      检查一个类是不是你定义的类的子类

  这些魔术方法的用例看起来很小, 并且确实非常实用. 它们反应了关于面向对象程序上一些重要的东西在Python上,并且总的来说Python: 总是一个简单的方法去找某些事情, 即使是没有必要的. 这些魔法方法可能看起来不是很有用, 但是一旦你需要它们,你会感到庆幸它们的存在。

可调用的对象

  你也许已经知道,在Python中,方法是最高级的对象。这意味着他们也可以被传递到方法中,就像其他对象一样。这是一个非常惊人的特性。

  在Python中,一个特殊的魔术方法可以让类的实例的行为表现的像函数一样,你可以调用它们,将一个函数当做一个参数传到另外一个函数中等等。这是一个非常强大的特性,其让Python编程更加舒适甜美。

  • __call__(self, [args...]):

  允许一个类的实例像函数一样被调用。实质上说,这意味着 x()x.__call__() 是相同的。注意 __call__ 的参数可变。这意味着你可以定义 __call__ 为其他你想要的函数,无论有多少个参数。

  __call__ 在那些类的实例经常改变状态的时候会非常有效。调用这个实例是一种改变这个对象状态的直接和优雅的做法。用一个实例来表达最好不过了:

# -*- coding: UTF-8 -*-

class Entity:
    """
    调用实体来改变实体的位置
    """

def __init__(self, size, x, y):
    self.x, self.y = x, y
    self.size = size


def __call__(self, x, y):
    """
    改变实体的位置
    """
    self.x, self.y = x, y

上下文管理

  with声明是从Python2.5开始引进的关键词。你应该遇过这样子的代码:

with open('foo.txt') as bar:
    # do something with bar

  在with声明的代码段中,我们可以做一些对象的开始操作和退出操作,还能对异常进行处理。这需要实现两个魔术方法: __enter____exit__

  • __enter__(self):

  定义了当使用with语句的时候,会话管理器在块被初始创建时要产生的行为。请注意,__enter__的返回值与with语句的目标或者as后的名字绑定。

  • __exit__(self, exception_type, exception_value, traceback):

  定义了当一个代码块被执行或者终止后,会话管理器应该做什么。它可以被用来处理异常、执行清理工作或做一些代码块执行完毕之后的日常工作。如果代码块执行成功,exception_type,exception_value,和traceback将会为None。否则,你可以选择处理这个异常或者是直接交给用户处理。如果你想处理这个异常的话,请确保__exit__在所有语句结束之后返回True。如果你想让异常被会话管理器处理的话,那么就让其产生该异常。

创建对象描述器

  描述器是通过获取、设置以及删除的时候被访问的类。当然也可以改变其它的对象。描述器并不是独立的。相反,它意味着被一个所有者类持有。当创建面向对象的数据库或者类,里面含有相互依赖的属相时,描述器将会非常有用。一种典型的使用方法是用不同的单位表示同一个数值,或者表示某个数据的附加属性。
  为了成为一个描述器,一个类必须至少有__get____set____delete__方法被实现:

  • __get__(self, instance, owner):

    定义了当描述器的值被取得的时候的行为。instance是拥有该描述器对象的一个实例。owner是拥有者本身

  • __set__(self, instance, value):

    定义了当描述器的值被改变的时候的行为。instance是拥有该描述器类的一个实例。value是要设置的值。

  • __delete__(self, instance):

    定义了当描述器的值被删除的时候的行为。instance是拥有该描述器对象的一个实例。

  下面是一个描述器的实例:单位转换。

# -*- coding: UTF-8 -*-
class Meter(object):
    """
    对于单位"米"的描述器
    """

    def __init__(self, value=0.0):
        self.value = float(value)

    def __get__(self, instance, owner):
        return self.value

    def __set__(self, instance, value):
        self.value = float(value)


class Foot(object):
    """
    对于单位"英尺"的描述器
    """

    def __get__(self, instance, owner):
        return instance.meter * 3.2808

    def __set__(self, instance, value):
        instance.meter = float(value) / 3.2808


class Distance(object):
    """
    用米和英寸来表示两个描述器之间的距离
    """
    meter = Meter(10)
    foot = Foot()

  使用时:

>>>d = Distance()
>>>print d.foot
>>>print d.meter
32.808
10.0

复制

  有时候,尤其是当你在处理可变对象时,你可能想要复制一个对象,然后对其做出一些改变而不希望影响原来的对象。这就是Python的copy所发挥作用的地方。

  • __copy__(self):

  定义了当对你的类的实例调用copy.copy()时所产生的行为。copy.copy()返回了你的对象的一个浅拷贝——这意味着,当实例本身是一个新实例时,它的所有数据都被引用了——例如,当一个对象本身被复制了,它的数据仍然是被引用的(因此,对于浅拷贝中数据的更改仍然可能导致数据在原始对象的中的改变)。

  • __deepcopy__(self, memodict={}):

  定义了当对你的类的实例调用copy.deepcopy()时所产生的行为。copy.deepcopy()返回了你的对象的一个深拷贝——对象和其数据都被拷贝了。memodict是对之前被拷贝的对象的一个缓存——这优化了拷贝过程并且阻止了对递归数据结构拷贝时的无限递归。当你想要进行对一个单独的属性进行深拷贝时,调用copy.deepcopy(),并以memodict为第一个参数。

附录

用于比较的魔术方法

Magic method explain
__cmp__(self, other) 是比较方法里面最基本的的魔法方法
__eq__(self, other) 定义相等符号的行为,==
__ne__(self,other) 定义不等符号的行为,!=
__lt__(self,other) 定义小于符号的行为,<
__gt__(self,other) 定义大于符号的行为,>
__le__(self,other) 定义小于等于符号的行为,<=
__ge__(self,other) 定义大于等于符号的行为,>=

数值计算的魔术方法

单目运算符和函数

Magic method explain
__pos__(self) 实现一个取正数的操作
__neg__(self) 实现一个取负数的操作
__abs__(self) 实现一个内建的abs()函数的行为
__invert__(self) 实现一个取反操作符(~操作符)的行为
__round__(self, n) 实现一个内建的round()函数的行为
__floor__(self) 实现math.floor()的函数行为
__ceil__(self) 实现math.ceil()的函数行为
__trunc__(self) 实现math.trunc()的函数行为

双目运算符或函数

Magic method explain
__add__(self, other) 实现一个加法
__sub__(self, other) 实现一个减法
__mul__(self, other) 实现一个乘法
__floordiv__(self, other) 实现一个“//”操作符产生的整除操作()
__div__(self, other) 实现一个“/”操作符代表的除法操作
__truediv__(self, other) 实现真实除法
__mod__(self, other) 实现一个“%”操作符代表的取模操作
__divmod__(self, other) 实现一个内建函数divmod()
__pow__ 实现一个指数操作(“**”操作符)的行为
__lshift__(self, other) 实现一个位左移操作(<<)的功能
__rshift__(self, other) 实现一个位右移操作(>>)的功能
__and__(self, other) 实现一个按位进行与操作(&)的行为
__or__(self, other) 实现一个按位进行或操作的行为
__xor__(self, other) __xor__(self, other)

增量运算

Magic method explain
__iadd__(self, other) 加法赋值
__isub__(self, other) 减法赋值
__imul__(self, other) 乘法赋值
__ifloordiv__(self, other) 整除赋值,地板除,相当于 //= 运算符
__idiv__(self, other) 除法赋值,相当于 /= 运算符
__itruediv__(self, other) 真除赋值
__imod_(self, other) 模赋值,相当于 %= 运算符
__ipow__ 乘方赋值,相���于 **= 运算符
__ilshift__(self, other) 左移赋值,相当于 <<= 运算符
__irshift__(self, other) 左移赋值,相当于 >>= 运算符
__iand__(self, other) 与赋值,相当于 &= 运算符
__ior__(self, other) 或赋值
__ixor__(self, other) 异或运算符,相当于 ^= 运算符

类型转换

Magic method explain
__int__(self) 转换成整型
__long__(self) 转换成长整型
__float__(self) 转换成浮点型
__complex__(self) 转换成 复数型
__oct__(self) 转换成八进制
__hex__(self) 转换成十六进制
__index__(self) 如果你定义了一个可能被用来做切片操作的数值型,你就应该定义__index__
__trunc__(self) 当 math.trunc(self) 使用时被调用__trunc__返回自身类型的整型截取
__coerce__(self, other) 执行混合类型的运算

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