点击这里成为作者 · 更新于 2017-09-22 07:00:29

定制类和魔法方法

在 Python 中,我们可以经常看到以双下划线 __ 包裹起来的方法,比如最常见的 __init__,这些方法被称为魔法方法(magic method)或特殊方法(special method)。简单地说,这些方法可以给 Python 的类提供特殊功能,方便我们定制一个类,比如 __init__ 方法可以对实例属性进行初始化。

完整的特殊方法列表可在这里查看,本文介绍部分常用的特殊方法:

  • __new__
  • __str__ , __repr__
  • __iter__
  • __getitem__ , __setitem__ , __delitem__
  • __getattr__ , __setattr__ , __delattr__
  • __call__

new

在 Python 中,当我们创建一个类的实例时,类会先调用 __new__(cls[, ...]) 来创建实例,然后 __init__ 方法再对该实例(self)进行初始化。

关于 __new____init__ 有几点需要注意:

  • __new__ 是在 __init__ 之前被调用的;
  • __new__ 是类方法,__init__ 是实例方法;
  • 重载 __new__ 方法,需要返回类的实例;

一般情况下,我们不需要重载 __new__ 方法。但在某些情况下,我们想控制实例的创建过程,这时可以通过重载 __new_ 方法来实现。

让我们看一个例子:

class A(object):
    _dict = dict()

    def __new__(cls):
        if 'key' in A._dict:
            print "EXISTS"
            return A._dict['key']
        else:
            print "NEW"
            return object.__new__(cls)

    def __init__(self):
        print "INIT"
        A._dict['key'] = self

在上面,我们定义了一个类 A,并重载了 __new__ 方法:当 keyA._dict 中时,直接返回 A._dict['key'],否则创建实例。

执行情况:

>>> a1 = A()
NEW
INIT
>>> a2 = A()
EXISTS
INIT
>>> a3 = A()
EXISTS
INIT

str & repr

先看一个简单的例子:

class Foo(object):
    def __init__(self, name):
        self.name = name

>>> print Foo('ethan')
<__main__.Foo object at 0x10c37aa50>

在上面,我们使用 print 打印一个实例对象,但如果我们想打印更多信息呢,比如把 name 也打印出来,这时,我们可以在类中加入 __str__ 方法,如下:

class Foo(object):
    def __init__(self, name):
        self.name = name
    def __str__(self):
        return 'Foo object (name: %s)' % self.name

>>> print Foo('ethan')      # 使用 print
Foo object (name: ethan)
>>>
>>> str(Foo('ethan'))       # 使用 str
'Foo object (name: ethan)'
>>>
>>> Foo('ethan')             # 直接显示
<__main__.Foo at 0x10c37a490>

可以看到,使用 print 和 str 输出的是 __str__ 方法返回的内容,但如果直接显示则不是,那能不能修改它的输出呢?当然可以,我们只需在类中加入 __repr__ 方法,比如:

class Foo(object):
    def __init__(self, name):
        self.name = name
    def __str__(self):
        return 'Foo object (name: %s)' % self.name
    def __repr__(self):
        return 'Foo object (name: %s)' % self.name

>>> Foo('ethan')
'Foo object (name: ethan)'

可以看到,现在直接使用 Foo('ethan') 也可以显示我们想要的结果了,然而,我们发现上面的代码中,__str____repr__ 方法的代码是一样的,能不能精简一点呢,当然可以,如下:

class Foo(object):
    def __init__(self, name):
        self.name = name
    def __str__(self):
        return 'Foo object (name: %s)' % self.name
    __repr__ = __str__

iter

在某些情况下,我们希望实例对象可被用于 for...in 循环,这时我们需要在类中定义 __iter__next(在 Python3 中是 __next__)方法,其中,__iter__ 返回一个迭代对象,next 返回容器的下一个元素,在没有后续元素时抛出 StopIteration 异常。

看一个斐波那契数列的例子:

class Fib(object):
    def __init__(self):
        self.a, self.b = 0, 1

    def __iter__(self):  # 返回迭代器对象本身
        return self      

    def next(self):      # 返回容器下一个元素
        self.a, self.b = self.b, self.a + self.b
        return self.a    

>>> fib = Fib()
>>> for i in fib:
...     if i > 10:
...         break
...     print i
...
1
1
2
3
5
8

getitem

有时,我们希望可以使用 obj[n] 这种方式对实例对象进行取值,比如对斐波那契数列,我们希望可以取出其中的某一项,这时我们需要在类中实现 __getitem__ 方法,比如下面的例子:

class Fib(object):
    def __getitem__(self, n):
        a, b = 1, 1
        for x in xrange(n):
            a, b = b, a + b
        return a

>>> fib = Fib()
>>> fib[0], fib[1], fib[2], fib[3], fib[4], fib[5]
(1, 1, 2, 3, 5, 8)

我们还想更进一步,希望支持 obj[1:3] 这种切片方法来取值,这时 __getitem__ 方法传入的参数可能是一个整数,也可能是一个切片对象 slice,因此,我们需要对传入的参数进行判断,可以使用 isinstance 进行判断,改后的代码如下:

class Fib(object):
    def __getitem__(self, n):
        if isinstance(n, slice):   # 如果 n 是 slice 对象
            a, b = 1, 1
            start, stop = n.start, n.stop
            L = []
            for i in xrange(stop):
                if i >= start:
                    L.append(a)
                a, b = b, a + b
            return L
        if isinstance(n, int):     # 如果 n 是 int 型
            a, b = 1, 1
            for i in xrange(n):
                a, b = b, a + b
            return a

现在,我们试试用切片方法:

>>> fib = Fib()
>>> fib[0:3]
[1, 1, 2]
>>> fib[2:6]
[2, 3, 5, 8]

上面,我们只是简单地演示了 getitem 的操作,但是它还很不完善,比如没有对负数处理,不支持带 step 参数的切片操作 obj[1:2:5] 等等,读者有兴趣的话可以自己实现看看。

__geitem__ 用于获取值,类似地,__setitem__ 用于设置值,__delitem__ 用于删除值,让我们看下面一个例子:

class Point(object):
    def __init__(self):
        self.coordinate = {}

    def __str__(self):
        return "point(%s)" % self.coordinate

    def __getitem__(self, key):
        return self.coordinate.get(key)

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

    def __delitem__(self, key):
        del self.coordinate[key]
        print 'delete %s' % key

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

    __repr__ = __str__

在上面,我们定义了一个 Point 类,它有一个属性 coordinate(坐标),是一个字典,让我们看看使用:

>>> p = Point()
>>> p['x'] = 2    # 对应于 p.__setitem__('x', 2)
>>> p['y'] = 5    # 对应于 p.__setitem__('y', 5)
>>> p             # 对应于 __repr__
point({'y': 5, 'x': 2})
>>> len(p)        # 对应于 p.__len__
2
>>> p['x']        # 对应于 p.__getitem__('x')
2
>>> p['y']        # 对应于 p.__getitem__('y')
5
>>> del p['x']    # 对应于 p.__delitem__('x')
delete x
>>> p
point({'y': 5})
>>> len(p)
1

getattr

当我们获取对象的某个属性,如果该属性不存在,会抛出 AttributeError 异常,比如:

class Point(object):
    def __init__(self, x=0, y=0):
        self.x = x
        self.y = y

>>> p = Point(3, 4)
>>> p.x, p.y
(3, 4)
>>> p.z
---------------------------------------------------------------------------
AttributeError                            Traceback (most recent call last)
<ipython-input-547-6dce4e43e15c> in <module>()
----> 1 p.z

AttributeError: 'Point' object has no attribute 'z'

那有没有办法不让它抛出异常呢?当然有,只需在类的定义中加入 __getattr__ 方法,比如:

class Point(object):
    def __init__(self, x=0, y=0):
        self.x = x
        self.y = y
    def __getattr__(self, attr):
        if attr == 'z':
            return 0

>>> p = Point(3, 4)
>>> p.z
0

现在,当我们调用不存在的属性(比如 z)时,解释器就会试图调用 __getattr__(self, 'z') 来获取值,但是,上面的实现还有一个问题,当我们调用其他属性,比如 w ,会返回 None,因为 __getattr__ 默认返回就是 None,只有当 attr 等于 'z' 时才返回 0,如果我们想让 __getattr__ 只响应几个特定的属性,可以加入异常处理,修改 __getattr__ 方法,如下:

def __getattr__(self, attr):
    if attr == 'z':
        return 0
    raise AttributeError("Point object has no attribute %s" % attr)

这里再强调一点,__getattr__ 只有在属性不存在的情况下才会被调用,对已存在的属性不会调用 __getattr__

__getattr__ 一起使用的还有 __setattr__, __delattr__,类似 obj.attr = value, del obj.attr,看下面一个例子:

class Point(object):
    def __init__(self, x=0, y=0):
        self.x = x
        self.y = y

    def __getattr__(self, attr):
        if attr == 'z':
            return 0
        raise AttributeError("Point object has no attribute %s" % attr)

    def __setattr__(self, *args, **kwargs):  
        print 'call func set attr (%s, %s)' % (args, kwargs)
        return object.__setattr__(self, *args, **kwargs)

    def __delattr__(self, *args, **kwargs):  
        print 'call func del attr (%s, %s)' % (args, kwargs)
        return object.__delattr__(self, *args, **kwargs)

>>> p = Point(3, 4)
call func set attr (('x', 3), {})
call func set attr (('y', 4), {})
>>> p.z
0
>>> p.z = 7
call func set attr (('z', 7), {})
>>> p.z
7
>>> p.w
Traceback (most recent call last):
  File "<stdin>", line 1, in <module>
  File "<stdin>", line 8, in __getattr__
AttributeError: Point object has no attribute w
>>> p.w = 8
call func set attr (('w', 8), {})
>>> p.w
8
>>> del p.w
call func del attr (('w',), {})
>>> p.__dict__
{'y': 4, 'x': 3, 'z': 7}

call

我们一般使用 obj.method() 来调用对象的方法,那能不能直接在实例本身上调用呢?在 Python 中,只要我们在类中定义 __call__ 方法,就可以对实例进行调用,比如下面的例子:

class Point(object):
    def __init__(self, x, y):
        self.x, self.y = x, y
    def __call__(self, z):
        return self.x + self.y + z

使用如下:

>>> p = Point(3, 4)
>>> callable(p)     # 使用 callable 判断对象是否能被调用
True
>>> p(6)            # 传入参数,对实例进行调用,对应 p.__call__(6)
13                  # 3+4+6

可以看到,对实例进行调用就好像对函数调用一样。

小结

  • __new____init__ 之前被调用,用来创建实例。
  • __str__ 是用 print 和 str 显示的结果,__repr__ 是直接显示的结果。
  • __getitem__ 用类似 obj[key] 的方式对对象进行取值
  • __getattr__ 用于获取不存在的属性 obj.attr
  • __call__ 使得可以对实例进行调用

参考资料

上一篇: 类方法和静态方法 下一篇: slots 魔法