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學(xué)習(xí) Python 這么久了，說(shuō)起 Python 的優(yōu)雅之處，能讓我脫口而出的， Descriptor（描述符）特性可以排得上號(hào)。

描述符是Python 語(yǔ)言獨(dú)有的特性，它不僅在應(yīng)用層使用，在語(yǔ)言語(yǔ)法糖的實(shí)現(xiàn)上也有使用到（在下面的文章會(huì)一一介紹）。

當(dāng)你點(diǎn)進(jìn)這篇文章時(shí)

你也許沒(méi)學(xué)過(guò)描述符，甚至沒(méi)聽(tīng)過(guò)描述符。
或者你對(duì)描述符只是一知半解

無(wú)論你是哪種，本篇都將帶你全面的學(xué)習(xí)描述符，一起來(lái)感受 Python 語(yǔ)言的優(yōu)雅。

1. 為什么要使用描述符？

假想你正在給學(xué)校寫一個(gè)成績(jī)管理系統(tǒng)，并沒(méi)有太多編碼經(jīng)驗(yàn)的你，可能會(huì)這樣子寫。

class Student:
    def __init__(self, name, math, chinese, english):
        self.name = name
        self.math = math
        self.chinese = chinese
        self.english = english

    def __repr__(self):
        return "< Student: {}, math:{}, chinese: {}, english:{} >".format(
                self.name, self.math, self.chinese, self.english
            )

看起來(lái)一切都很合理

>> > std1 = Student('小明', 76, 87, 68)
 >> > std1
< Student: 小明, math:76, chinese: 87, english:68 >

但是程序并不像人那么智能，不會(huì)自動(dòng)根據(jù)使用場(chǎng)景判斷數(shù)據(jù)的合法性，如果老師在錄入成績(jī)的時(shí)候，不小心錄入了將成績(jī)錄成了負(fù)數(shù)，或者超過(guò)100，程序是無(wú)法感知的。

聰明的你，馬上在代碼中加入了判斷邏輯。

class Student:
    def __init__(self, name, math, chinese, english):
        self.name = name
        if 0 <= math <= 100:
            self.math = math
        else:
            raise ValueError("Valid value must be in [0, 100]")
        
        if 0 <= chinese <= 100:
            self.chinese = chinese
        else:
            raise ValueError("Valid value must be in [0, 100]")
      
        if 0 <= chinese <= 100:
            self.english = english
        else:
            raise ValueError("Valid value must be in [0, 100]")
        

    def __repr__(self):
        return "< Student: {}, math:{}, chinese: {}, english:{} >".format(
                self.name, self.math, self.chinese, self.english
            )

這下程序稍微有點(diǎn)人工智能了，能夠自己明辨是非了。

程序是智能了，但在__init__里有太多的判斷邏輯，很影響代碼的可讀性。巧的是，你剛好學(xué)過(guò) Property 特性，可以很好的應(yīng)用在這里。于是你將代碼修改成如下，代碼的可讀性瞬間提升了不少

class Student:
    def __init__(self, name, math, chinese, english):
        self.name = name
        self.math = math
        self.chinese = chinese
        self.english = english

    @property
    def math(self):
        return self._math

    @math.setter
    def math(self, value):
        if 0 <= value <= 100:
            self._math = value
        else:
            raise ValueError("Valid value must be in [0, 100]")

    @property
    def chinese(self):
        return self._chinese

    @chinese.setter
    def chinese(self, value):
        if 0 <= value <= 100:
            self._chinese = value
        else:
            raise ValueError("Valid value must be in [0, 100]")

    @property
    def english(self):
        return self._english

    @english.setter
    def english(self, value):
        if 0 <= value <= 100:
            self._english = value
        else:
            raise ValueError("Valid value must be in [0, 100]")

    def __repr__(self):
        return "< Student: {}, math:{}, chinese: {}, english:{} >".format(
                self.name, self.math, self.chinese, self.english
            )

程序還是一樣的人工智能，非常好。

你以為你寫的代碼，已經(jīng)非常優(yōu)秀，無(wú)懈可擊了。

沒(méi)想到，人外有天，你的主管看了你的代碼后，深深地嘆了口氣：類里的三個(gè)屬性，math、chinese、english，都使用了 Property 對(duì)屬性的合法性進(jìn)行了有效控制。功能上，沒(méi)有問(wèn)題，但就是太啰嗦了，三個(gè)變量的合法性邏輯都是一樣的，只要大于0，小于100 就可以，代碼重復(fù)率太高了，這里三個(gè)成績(jī)還好，但假設(shè)還有地理、生物、歷史、化學(xué)等十幾門的成績(jī)呢，這代碼簡(jiǎn)直沒(méi)法忍。去了解一下 Python 的描述符吧。

經(jīng)過(guò)主管的指點(diǎn)，你知道了「描述符」這個(gè)東西。懷著一顆敬畏之心，你去搜索了下關(guān)于描述符的用法。

其實(shí)也很簡(jiǎn)單，一個(gè)實(shí)現(xiàn)了 描述符協(xié)議 的類就是一個(gè)描述符。

什么描述符協(xié)議：在類里實(shí)現(xiàn)了 __get__()、__set__()、__delete__() 其中至少一個(gè)方法。

__get__：用于訪問(wèn)屬性。它返回屬性的值，若屬性不存在、不合法等都可以拋出對(duì)應(yīng)的異常。
__set__：將在屬性分配操作中調(diào)用。不會(huì)返回任何內(nèi)容。
__delete__：控制刪除操作。不會(huì)返回內(nèi)容。

對(duì)描述符有了大概的了解后，你開(kāi)始重寫上面的方法。

如前所述，Score 類是一個(gè)描述符，當(dāng)從 Student 的實(shí)例訪問(wèn) math、chinese、english這三個(gè)屬性的時(shí)候，都會(huì)經(jīng)過(guò) Score 類里的三個(gè)特殊的方法。這里的 Score 避免了使用Property 出現(xiàn)大量的代碼無(wú)法復(fù)用的尷尬。

class Score:
    def __init__(self, default=0):
        self._score = default

    def __set__(self, instance, value):
        if not isinstance(value, int):
            raise TypeError('Score must be integer')
        if not 0 <= value <= 100:
            raise ValueError('Valid value must be in [0, 100]')

        self._score = value

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

    def __delete__(self):
        del self._score
        
class Student:
    math = Score(0)
    chinese = Score(0)
    english = Score(0)

    def __init__(self, name, math, chinese, english):
        self.name = name
        self.math = math
        self.chinese = chinese
        self.english = english


    def __repr__(self):
        return "< Student: {}, math:{}, chinese: {}, english:{} >".format(
                self.name, self.math, self.chinese, self.english
            )

實(shí)現(xiàn)的效果和前面的一樣，可以對(duì)數(shù)據(jù)的合法性進(jìn)行有效控制（字段類型、數(shù)值區(qū)間等）

以上，我舉了下具體的實(shí)例，從最原始的編碼風(fēng)格到 Property ，最后引出描述符。由淺入深，一步一步帶你感受到描述符的優(yōu)雅之處。

到這里，你需要記住的只有一點(diǎn)，就是描述符給我們帶來(lái)的編碼上的便利，它在實(shí)現(xiàn) 保護(hù)屬性不受修改、屬性類型檢查 的基本功能，同時(shí)有大大提高代碼的復(fù)用率。

2. 描述符的訪問(wèn)規(guī)則

描述符分兩種：

數(shù)據(jù)描述符：實(shí)現(xiàn)了__get__ 和 __set__ 兩種方法的描述符
非數(shù)據(jù)描述符：只實(shí)現(xiàn)了__get__ 一種方法的描述符

你一定會(huì)問(wèn)，他們有什么區(qū)別呢？網(wǎng)上的講解，我看過(guò)幾個(gè)，很多都把一個(gè)簡(jiǎn)單的東西講得復(fù)雜了。

其實(shí)就一句話， 數(shù)據(jù)描述器和非數(shù)據(jù)描述器的區(qū)別在于：它們相對(duì)于實(shí)例的字典的優(yōu)先級(jí)不同 。

如果實(shí)例字典中有與描述符同名的屬性，如果描述符是數(shù)據(jù)描述符，優(yōu)先使用數(shù)據(jù)描述符，如果是非數(shù)據(jù)描述符，優(yōu)先使用字典中的屬性。

這邊還是以上節(jié)的成績(jī)管理的例子來(lái)說(shuō)明，方便你理解。

# 數(shù)據(jù)描述符
class DataDes:
    def __init__(self, default=0):
        self._score = default

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

    def __get__(self, instance, owner):
        print("訪問(wèn)數(shù)據(jù)描述符里的 __get__")
        return self._score

# 非數(shù)據(jù)描述符
class NoDataDes:
    def __init__(self, default=0):
        self._score = default

    def __get__(self, instance, owner):
        print("訪問(wèn)非數(shù)據(jù)描述符里的 __get__")
        return self._score


class Student:
    math = DataDes(0)
    chinese = NoDataDes(0)

    def __init__(self, name, math, chinese):
        self.name = name
        self.math = math
        self.chinese = chinese
        
    def __getattribute__(self, item):
        print("調(diào)用 __getattribute__")
        return super(Student, self).__getattribute__(item)
     
    def __repr__(self):
        return "< Student: {}, math:{}, chinese: {}, >".format(
                self.name, self.math, self.chinese)

需要注意的是，math 是數(shù)據(jù)描述符，而 chinese 是非數(shù)據(jù)描述符。從下面的驗(yàn)證中，可以看出，當(dāng)實(shí)例屬性和數(shù)據(jù)描述符同名時(shí)，會(huì)優(yōu)先訪問(wèn)數(shù)據(jù)描述符（如下面的math），而當(dāng)實(shí)例屬性和非數(shù)據(jù)描述符同名時(shí)，會(huì)優(yōu)先訪問(wèn)實(shí)例屬性（__getattribute__）

>> > std = Student('xm', 88, 99)
 >> > 
 >> > std.math
調(diào)用 __getattribute__
訪問(wèn)數(shù)據(jù)描述符里的 __get__
88
 >> > std.chinese
調(diào)用 __getattribute__
99

講完了數(shù)據(jù)描述符和非數(shù)據(jù)描述符，我們還需要了解的對(duì)象屬性的查找規(guī)律。

當(dāng)我們對(duì)一個(gè)實(shí)例屬性進(jìn)行訪問(wèn)時(shí)，Python 會(huì)按 obj.__dict__ → type(obj).__dict__ → type(obj)的父類.__dict__ 順序進(jìn)行查找，如果查找到目標(biāo)屬性并發(fā)現(xiàn)是一個(gè)描述符，Python 會(huì)調(diào)用描述符協(xié)議來(lái)改變默認(rèn)的控制行為。

3. 基于描述符如何實(shí)現(xiàn)property

經(jīng)過(guò)上面的講解，我們已經(jīng)知道如何定義描述符，且明白了描述符是如何工作的。

正常人所見(jiàn)過(guò)的描述符的用法就是上面提到的那些，我想說(shuō)的是那只是描述符協(xié)議最常見(jiàn)的應(yīng)用之一，或許你還不知道，其實(shí)有很多 Python 的特性的底層實(shí)現(xiàn)機(jī)制都是基于 描述符協(xié)議 的，比如我們熟悉的@property 、@classmethod 、@staticmethod 和 super 等。

先來(lái)說(shuō)說(shuō) property 吧。

有了前面的基礎(chǔ)，我們知道了 property 的基本用法。這里我直接切入主題，從第一篇的例子里精簡(jiǎn)了一下。

class Student:
    def __init__(self, name):
        self.name = name

    @property
    def math(self):
        return self._math

    @math.setter
    def math(self, value):
        if 0 <= value <= 100:
            self._math = value
        else:
            raise ValueError("Valid value must be in [0, 100]")

不防再簡(jiǎn)單回顧一下它的用法，通過(guò)property裝飾的函數(shù)，如例子中的 math 會(huì)變成 Student 實(shí)例的屬性。而對(duì) math 屬性賦值會(huì)進(jìn)入使用 math.setter 裝飾函數(shù)的邏輯代碼塊。

為什么說(shuō) property 底層是基于描述符協(xié)議的呢？通過(guò) PyCharm 點(diǎn)擊進(jìn)入 property 的源碼，很可惜，只是一份類似文檔一樣的偽源碼，并沒(méi)有其具體的實(shí)現(xiàn)邏輯。

不過(guò)，從這份偽源碼的魔法函數(shù)結(jié)構(gòu)組成，可以大體知道其實(shí)現(xiàn)邏輯。

這里我自己通過(guò)模仿其函數(shù)結(jié)構(gòu)，結(jié)合「描述符協(xié)議」來(lái)自己實(shí)現(xiàn)類 property 特性。

代碼如下：

class TestProperty(object):

    def __init__(self, fget=None, fset=None, fdel=None, doc=None):
        self.fget = fget
        self.fset = fset
        self.fdel = fdel
        self.__doc__ = doc

    def __get__(self, obj, objtype=None):
        print("in __get__")
        if obj is None:
            return self
        if self.fget is None:
            raise AttributeError
        return self.fget(obj)

    def __set__(self, obj, value):
        print("in __set__")
        if self.fset is None:
            raise AttributeError
        self.fset(obj, value)

    def __delete__(self, obj):
        print("in __delete__")
        if self.fdel is None:
            raise AttributeError
        self.fdel(obj)


    def getter(self, fget):
        print("in getter")
        return type(self)(fget, self.fset, self.fdel, self.__doc__)

    def setter(self, fset):
        print("in setter")
        return type(self)(self.fget, fset, self.fdel, self.__doc__)

    def deleter(self, fdel):
        print("in deleter")
        return type(self)(self.fget, self.fset, fdel, self.__doc__)

然后 Student 類，我們也相應(yīng)改成如下

class Student:
    def __init__(self, name):
        self.name = name

    # 其實(shí)只有這里改變
    @TestProperty
    def math(self):
        return self._math

    @math.setter
    def math(self, value):
        if 0 <= value <= 100:
            self._math = value
        else:
            raise ValueError("Valid value must be in [0, 100]")

為了盡量讓你少產(chǎn)生一點(diǎn)疑惑，我這里做兩點(diǎn)說(shuō)明：

使用TestProperty裝飾后，math 不再是一個(gè)函數(shù)，而是TestProperty 類的一個(gè)實(shí)例。所以第二個(gè)math函數(shù)可以使用 math.setter 來(lái)裝飾，本質(zhì)是調(diào)用TestProperty.setter 來(lái)產(chǎn)生一個(gè)新的 TestProperty 實(shí)例賦值給第二個(gè)math。
第一個(gè) math 和第二個(gè) math 是兩個(gè)不同 TestProperty 實(shí)例。但他們都屬于同一個(gè)描述符類（TestProperty），當(dāng)對(duì) math 對(duì)于賦值時(shí)，就會(huì)進(jìn)入 TestProperty.__set__，當(dāng)對(duì)math 進(jìn)行取值里，就會(huì)進(jìn)入 TestProperty.__get__。仔細(xì)一看，其實(shí)最終訪問(wèn)的還是Student實(shí)例的 _math 屬性。

說(shuō)了這么多，還是運(yùn)行一下，更加直觀一點(diǎn)。

# 運(yùn)行后，會(huì)直接打印這一行，這是在實(shí)例化 TestProperty 并賦值給第二個(gè)math
in setter
 >> >
 >> > s1.math = 90
in __set__
 >> > s1.math
in __get__
90

對(duì)于以上理解 property 的運(yùn)行原理有困難的同學(xué)，請(qǐng)務(wù)必參照我上面寫的兩點(diǎn)說(shuō)明。如有其他疑問(wèn)，可以加微信與我進(jìn)行探討。

4. 基于描述符如何實(shí)現(xiàn)staticmethod

說(shuō)完了 property ，這里再來(lái)講講 @classmethod 和 @staticmethod 的實(shí)現(xiàn)原理。

我這里定義了一個(gè)類，用了兩種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)靜態(tài)方法。

class Test:
    @staticmethod
    def myfunc():
        print("hello")

# 上下兩種寫法等價(jià)

class Test:
    def myfunc():
        print("hello")
    # 重點(diǎn)：這就是描述符的體現(xiàn)
    myfunc = staticmethod(myfunc)

這兩種寫法是等價(jià)的，就好像在 property 一樣，其實(shí)以下兩種寫法也是等價(jià)的。

@TestProperty
def math(self):
    return self._math
  
math = TestProperty(fget=math)

話題還是轉(zhuǎn)回到 staticmethod 這邊來(lái)吧。

由上面的注釋，可以看出 staticmethod 其實(shí)就相當(dāng)于一個(gè)描述符類，而myfunc 在此刻變成了一個(gè)描述符。關(guān)于 staticmethod 的實(shí)現(xiàn)，你可以參照下面這段我自己寫的代碼，加以理解。

調(diào)用這個(gè)方法可以知道，每調(diào)用一次，它都會(huì)經(jīng)過(guò)描述符類的 __get__ 。

>> > Test.myfunc()
in staticmethod __get__
hello
 >> > Test().myfunc()
in staticmethod __get__
hello

5. 基于描述符如何實(shí)現(xiàn)classmethod

同樣的 classmethod 也是一樣。

class classmethod(object):
    def __init__(self, f):
        self.f = f

    def __get__(self, instance, owner=None):
        print("in classmethod __get__")
        
        def newfunc(*args):
            return self.f(owner, *args)
        return newfunc

class Test:
    def myfunc(cls):
        print("hello")
        
    # 重點(diǎn)：這就是描述符的體現(xiàn)
    myfunc = classmethod(myfunc)

驗(yàn)證結(jié)果如下

>> > Test.myfunc()
in classmethod __get__
hello
 >> > Test().myfunc()
in classmethod __get__
hello

講完了 property、staticmethod和classmethod 與描述符的關(guān)系。我想你應(yīng)該對(duì)描述符在 Python 中的應(yīng)用有了更深的理解。對(duì)于 super 的實(shí)現(xiàn)原理，就交由你來(lái)自己完成。

6. 所有實(shí)例共享描述符

通過(guò)以上內(nèi)容的學(xué)習(xí)，你是不是覺(jué)得自己已經(jīng)對(duì)描述符足夠了解了呢？

可在這里，我想說(shuō)以上的描述符代碼都有問(wèn)題。

問(wèn)題在哪里呢？請(qǐng)看下面這個(gè)例子。

class Score:
    def __init__(self, default=0):
        self._value = default

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

    def __set__(self, instance, value):
        if 0 <= value <= 100:
            self._value = value
        else:
            raise ValueError


class Student:
    math = Score(0)
    chinese = Score(0)
    english = Score(0)

    def __repr__(self):
        return "< Student math:{}, chinese:{}, english:{} >".format(self.math, self.chinese, self.english)

Student 里沒(méi)有像前面那樣寫了構(gòu)造函數(shù)，但是關(guān)鍵不在這兒，沒(méi)寫只是因?yàn)闆](méi)必要寫。

然后來(lái)看一下會(huì)出現(xiàn)什么樣的問(wèn)題呢

>> > std1 = Student()
 >> > std1
< Student math:0, chinese:0, english:0 >
 >> > std1.math = 85
 >> > std1
< Student math:85, chinese:0, english:0 >
 >> > std2 = Student()
 >> > std2 # std2 居然共享了std1 的屬性值
< Student math:85, chinese:0, english:0 >
 >> > std2.math = 100
 >> > std1 # std2 也會(huì)改變std1 的屬性值
< Student math:100, chinese:0, english:0 >

從結(jié)果上來(lái)看，std2 居然共享了 std1 的屬性值，只要其中一個(gè)實(shí)例的變量發(fā)生改變，另一個(gè)實(shí)例的變量也會(huì)跟著改變。

探其根因，是由于此時(shí) math，chinese，english 三個(gè)全部是類變量，導(dǎo)致 std2 和 std1 在訪問(wèn) math，chinese，english 這三個(gè)變量時(shí)，其實(shí)都是訪問(wèn)類變量。

問(wèn)題是不是來(lái)了？小明和小強(qiáng)的分?jǐn)?shù)怎么可能是綁定的呢？這很明顯與實(shí)際業(yè)務(wù)不符。

使用描述符給我們制造了便利，卻無(wú)形中給我們帶來(lái)了麻煩，難道這也是描述符的特性嗎？

描述符是個(gè)很好用的特性，會(huì)出現(xiàn)這個(gè)問(wèn)題，是由于我們之前寫的描述符代碼都是錯(cuò)誤的。

描述符的機(jī)制，在我看來(lái)，只是搶占了訪問(wèn)順序，而具體的邏輯卻要因地制宜，視情況而定。

如果要把 math，chinese，english 這三個(gè)變量變成實(shí)例之間相互隔離的屬性，應(yīng)該這么寫。

class Score:
    def __init__(self, subject):
        self.name = subject

    def __get__(self, instance, owner):
        return instance.__dict__[self.name]

    def __set__(self, instance, value):
        if 0 <= value <= 100:
            instance.__dict__[self.name] = value
        else:
            raise ValueError


class Student:
    math = Score("math")
    chinese = Score("chinese")
    english = Score("english")

    def __init__(self, math, chinese, english):
        self.math = math
        self.chinese = chinese
        self.english = english

    def __repr__(self):
        return "< Student math:{}, chinese:{}, english:{} >".format(self.math, self.chinese, self.english)

引導(dǎo)程序邏輯進(jìn)入描述符之后，不管你是獲取屬性，還是設(shè)置屬性，都是直接作用于 instance 的。

這段代碼，你可以仔細(xì)和前面的對(duì)比一下。

不難看出：

之前的錯(cuò)誤代碼，更像是把描述符當(dāng)做了存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)。
之后的正確代碼，則是把描述符直接當(dāng)做代理，本身不存儲(chǔ)值。

以上便是我對(duì)描述符的全部分享，希望能對(duì)你有所幫助。

阅读全文

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