Posted 2019-06-04Updated 2019-06-04Python / Py3Refan hour read (About 10552 words)

Special Methods

综述

特殊方法：python类中具有特殊名称的方法，实现由特殊语法 所引发的特定操作

python实现操作符重载的方式
- 允许每个类自行定义基于操作符的特定行为
- 特定操作包括python内置的钩子函数
钩子函数不能简单的看作直接调用特殊方法
- 尝试调用备用实现：iter、reversed
- 修改方法返回值：dir
大部分情况下，若没有定义适当方法，尝试执行操作将 raise AttributeError、raise TypeError
- 但__hash__、__iter__、__reversed__、 __contains__等方法即使未定义，其对应钩子函数 实现会尝试调用可能的其他方法完成操作（直接obj.__xxx__调用方法仍然报错）
- 将特殊方法设为None表示对应操作不可用，此时即使以上 hash、iter、reversed、in等操作也不会尝试调用备用方法

实例创建、销毁

调用类时，元属性方法执行顺序

__prepare__()：创建命名空间
依次执行类定义语句
__new__()：创建类实例
__init__()：初始化类
- __new__返回的新实例的__init__方法将被调用
- 用户定义__new__返回对象不一定期望类实例，调用的 __init__随之不一定是期望方法
返回__new__返回类实例

`prepare`

在所有类定义开始执行前被调用，用于创建类命名空间
一般这个方法只是简单的返回一个字典或其他映射对象

`new`

1 2	classmethod object.__new__(cls[, args, *kwargs]): pass

用途：创建、返回cls类新实例
- super().__new__(cls[,...])调用超类方法创建类实例，然后根据需要修改新创建实例再返回
参数
- cls：待实例化类
- 其余参数：类构造器表达式参数
返回值：cls类新实例
- __new__返回值就是类构造器的返回值，有绝对控制权

说明

__new__：builtin_function_or_method
__new__是静态方法：以需实例化类作为第一个参数
- __new__方法绑定当前类对象
- 特例，不需要显式声明为静态方法
原生有两个__new__函数，二者C实现不同
- type.__new__：元类继承，用于创建类对象
- object.__new__：其他类继承，用于创建实例

`init`

1 2	def object.__init__(self[, args, kwargs]): pass

用途：初始化类实例
- 类构造器中__new__返回类实例调用此方法初始化
- 若基类有用户定义__init__方法，则其派生类__init__ 应该显式调用基类__init__保证基类部分正确初始化
参数
- self：当前类实例
- 其余参数：类构造器表达式参数
返回值：None，否则raise TypeError

`del`

1	def object.__del__(self)

用途：实例销毁时（引用计数变为0）被调用
- 若基类有__del__方法，则其派生类__del__方法中需要显式调用基类__del__保证基类部分正确清除
- 对象重生：在其中创建该实例的新引用推迟其销毁
  - 不推荐
  - 重生对象被销毁时__del__是否会被再次调用取决于具体实现
  - 当前CPython实现中只会调用一次

说明

解释器退出时不会确保为仍然存在的对象调用__del__方法
“钩子函数”：del
- del x不直接调用x.__del__()
- del x仅将x的引用计数减一

输出属性

`repr`

1 2	def object.__repr__(self): pass

用途：输出对象的“官方”字符串表示
- 如果可能，应类似有效的python表达式，可以用于重建具有相同取值的对象（适当环境下）
- 若不可能，返回形如<...some useful description...> 的字符串
- 常用于调试，确保内容丰富、信息无歧义很重要
返回值：字符对象
- 内置钩子函数：repr
- 交互环境下直接“执行”变量的结果

`str`

1 2	def object.__str__(self): pass

用途：生成对象“非正式”、格式良好的字符串表示
- 返回较方便、准确的描述信息
返回值：字符串对象
- 内置钩子函数：str

说明

object.__str__方法默认实现调用object.__repr__
- 所以若未定义__str__，需要实例“非正式”字符串表示时也会使用__repr__
format、print函数会隐式调用对象__str__方法
- 此时若__str__返回非字符串会raise TypeError

`bytes`

1 2	def object.__bytes__(self): pass

用途：生成对象的字节串表示
返回值：bytes对象
- 内置钩子函数：bytes

`format`

1	def object.__format__(self, format_spec)

用途：生成对象的“格式化”字符串表示
- 内部常调用format、str.format实现格式化
- object.__format__(x, '')等同于str(x)
参数
- fomrat_spec：包含所需格式选项描述的字符串
  - 参数解读由实现__format__的类型决定
  - 大多数类将格式化委托给内置类型、或使用相似格式化语法
返回值：字符串对象
- 内置钩子函数：format

`hash`

1 2	def object.__hash__(self): pass

用途：计算对象hash值返回
- 相等的对象（即使类型不同）理应具有相同hash值
- 建议把参与比较的对象的全部组件的hash值打包为元组，对元组做hash运算
  1
  2
  def __hash__(self):
  return hash((self.name, self.nick, self.color))
返回值：整数
- 内置钩子函数：hash()

说明

hash()会从对象自定义的__hash__()方法返回值中截断为 Py_ssize_t大小
- 64bits编译平台通常为8bytes、32bits为4bytes
- 若对象__hash__()需要在不同位大小的平台上互操作，需要检查支持的平台位宽
- 查看sys.hash_info.width
set、frozenset、dict这3个hash集类型中成员的操作会调用相应__hash__()
类的__hash__方法设置为None时
- 尝试获取实例hash值时将raise TypeError
- isinstance(obj, collecitons.abc.Hashable)返回 False
- 单纯在__hash__中显式raise TypeError会被错误认为是可hash

关联`eq`

hash绝大部分应用场景是比较是否相等，所以__hash__、__eq__ 密切相关

类未定义__eq__
- 也不应该定义__hash__，单独hash结果无法保证比较结果
类实现__eq__
- 未定义__hash__：其实例将不可被用作hash集类型的项
- 类中定义了可变对象：不应该实现__hash__，因为hash集实现要求键hash值不可变
类重载__eq__方法
- 默认其__hash__被隐式设为None
- 否则须设置__has__ = <ParentClass>.__hash__显式保留来自父类__hash__实现

默认实现

float、integer、decimal.Decimal等数字类型hash运算是基于为任意有理数定义的统一数学函数
- 详细参考https://docs.python.org/zh-cn/3/library/stdtypes.html#hashing-of-numeric-types
str、bytes、datetime对象__hash__值会使用不可预知值随机加盐
- 盐在单独python进程中保持不变，但在重复执行的python 进程之间是不可预测的
- 目的是为了防止某种形式的DDos服务攻击
改变hash值会影响集合迭代次序
- python也不保证次序不会改变

`bool`

1 2	def object.__bool__(self): pass

用途：返回True、False实现真值检测
- 未定义：调用__len__返回非0值时对象逻辑为真
- __len__、__bool__均未定义：所有实例逻辑为真
返回值：False、True
- 内置构造函数：bool()

例

class Pair:
	def __init__(self, x, y):
		self.x = x
		self.y = y

	def __repr__(self):
		# 返回实例代码表示形式
		# 通常用于重新构造实例
		return "Pair({0.x!r}, {0.y!r})".format(self)
			# 格式化代码`!r`指明输出使用`__repr__`而不是默认
				# 的`__str___`
			# 格式化代码`0.x`表示第一个参数`x`属性

	def __str__(self):
		return "({0.x!s}, {0.y!s})".format(self)
			# 格式化代码`!s`指明使用默认`__str__`

	def __format__(self):
		if self.x == 0:
			return self.y
		elif self.y == 0:
			return self.x
		return "{0.x!r}, {0.y!r}".format(self)

Rich Comparison Methods

富比较方法

def object.__lt__(self, other):
	pass
def object.__le__(self, other):
	pass
def object.__eq__(self, other):
	pass
def object.__ne__(self, other):
	pass
def object.__gt__(self, other):
	pass
def object.__ge__(self, other):
	pass

用途：比较运算符重载
- x < y：调用x.__lt__(y)
- x <= y：调用x.__le__(y)
- x == y：调用x.__eq__(y)
- x != y：调用x.__ne__(y)
返回值
- 成功比较返回False、True
- 若指定方法没有相应实现，富比较方法会返回单例对象 NotImplemented

比较运算默认实现参见cs_python/py3ref/expressions

说明

默认情况下，__ne__会委托给__eq__，并将结果取反，除非结果为NotImplemented
比较运算符之间没有其他隐含关系
- x < y or x == y为真不意味着x <= y
- 要根据单个运算自动生成排序操作可以利用 functools.total_ordering()装饰器简化实现
以上方法没有对调参数版本（左边参数不支持该操作，右边参数支持该操作）
- 若两个操作数类型不同、且右操作数是左操作数直接或间接子类，优先选择右操作数的反射方法，否则左操作数方法（不考虑虚拟子类）
- 反射方法
  - __lt__、__gt__互为反射
  - __le__、__ge__互为反射
  - __eq__、__ne__各为自身反射

内部信息

`dict`

钩子函数：vars、dir（部分）
- vars是真正对应的钩子函数，返回键值对
- dir执行过程中会访问__dict__、__class__，而且只返回keys
对象底层字典，存储对象属性、方法
- 注意区分开：实例属性、类属性、基类属性，__dict__ 只包括当前实例属性、方法
- 返回结果是dir结果的子集
调用实例obj的属性时，按照以下顺序查找
- obj.__dict__：当前实例的__dict__中
- type(obj).__dict__：实例所属类的__dict__中
- type(obj).mro().__dict__：基类的__dict__中
在大部分情况下__dict__会自动更新，如setattr函数时，或说实例的属性、方法更新就是__dict__的变动
- 一般情况下不要直接访问__dict__，除非真的清楚所有细节，如果类使用了cls.__slots__、@property、描述器类等高级技术时代码可能会被破坏
- 尽量使用setattr函数，让python控制其更新

`class`

用途：返回实例所属类
返回值：实例（狭义）返回类、类返回元类
- 钩子函数：type

`objclass`

用途：被inspect模块解读为指定实例所在的类
- 合适的设置可以有助于动态类属性的运行时检查
- 对于可调用对象：指明第一个位置参数应为特定类型的实例、子类
  - 描述器类：instance参数
    todo

`slots`

用途：显式声明数据成员、特征属性，限制实例添加属性
- 可赋值为：字符串、可迭代对象、实例使用的变量名构成的字符串序列
  - 可迭代对象中元素可以是任何类型
  - 还可以映射类型，未来可能会分别赋给每个键特殊含义的值
- __slots__会为已声明变量保留空间
  - 直接访问将raise AttributeError
  - dir可以找到__slots__中声明的变量
阻止默认为每个实例创建__dict__、__weakref__的行为，除非在__slots__中显式声明、或在父类中可用
- 无__dict__属性实例无法给未在__slots__中列出的新变量赋值
  - 但是python很多特性依赖于普通的依赖字典实现，定义 __slots__的类不再支持普通类某些特性
  - 大多数情况下，应该只在经常使用到作为数据结构的类上定义__slots__
  - 不应该把__slots__作为防止用户给实例增加新属性的封装工具
- 无__weakref__属性实例不支持对实例的弱引用

是阻止给实例创建__dict__，类本身仍然有__dict__属性（dir返回值中无__dict__，__dir__返回值中有）

说明

__slots__声明的行为不只限于定义其的类
- 父类中声明__slots__可以在子类中使用，但子类将获得 __dict__、__weakref__，除非其也定义了__slots__
- 子类__slots__中定义的slot将覆盖父类中同名slot
  - 需要直接从基类直接获取描述器才能访问
  - 这会导致程序未定义，以后增加检查避免
- 多重继承中只允许一个父类具有非空__slots__，否则 raise TypeError
__slots__是在类层次上的实现：为每个变量创建描述器
- 类属性不能被用于给在__slots__中定义变量设置默认值
- 否则类属性会覆盖描述器赋值，变成只读属性
非空的__slots__不适用于派生自“可变长度”内置类型，如 int、bytes、tuple
定义类属性__slots__后，python会为实例属性使用紧凑内部表示
- 实例属性使用固定大小、很小的数组构建，而不是为每个实例定义字典
- 在__slots__列出的属性名在内部映射到数组指定下标上
- 类似于R中factor类型、C中enum类型
- 相比__dict__可以显著节省空间、提升属性查找速度

class Date:
	__slots__ = ["year", "month", "day"]
	def __init__(self, year, month, day):
		self.year = year
		self.month = month
		self.day = day

继承自未定义__slots__类时，实例中__dict__、 __weakref__属性将总是可访问的
__class__赋值仅在两个类具有相同__slots__值时才有用

自定义属性访问

`getattr`

1 2	def object.__getattr__(self, name): pass

用途：.默认属性访问引发AttributeError而失败时调用
- 如果属性通过正常机制找到，__getattr__不会被调用
  - 在__getattr__、__setattr__之间故意设置的不对称性
  - 出于效率考虑
- 对实例变量而言，无需在实例属性字典中插入值，就可以模拟对其的完全控制
返回值：计算后的属性值、或raise AttributeError

说明

可能引发AttributeError
- 调用__getattribute__时因为name不是实例属性、或是类关系树中属性
- 对调用__get__获取name描述器
调用__getattr__是.运算符中逻辑
- __getattribute__显式调用raise AtttributeError 不会调用__getattr__
__getattr__甚至不是object具有的 <wrapper_descriptor>
相较于__getattribute__其实更常用，因为修改所有对对对象的访问逻辑没啥价值

`getattribute`

def __getattribute__(self, key):
	"Emulate type_getattro() in Objects/typeobject.c"
	v = object.__getattribute__(self, key)
	if hasattr(v, "__get__"):
		return v.__get__(None, self)
	return v

用途：访问对象属性时无条件被调用
- 判断访问属性类型、做对应操作
  - 描述器：调用描述器方法
  - 实例方法：为类中函数绑定实例
  - 类方法：为类中函数绑定类
  - 静态方法：不绑定
  - 普通属性
- 作为通过特定语法、内置函数隐式调用的结果情况下，查找特殊方法时仍可能被跳过
返回值：找到的属性值、或raise AttributeError

__getattribute__仅对继承自object的新式类实例可用

说明

内置类型均有各自__getattribute__函数实例
- 其均为wrapper_descriptor类型（C实现的函数）
- 各函数实例标识符不同，若其均“继承自object”，其应为同一个函数实例
- 自定义类真继承自object类，其__getattribute__同 object.__getattribute__
自定义实现
- 为避免方法中无限递归，实现总应该调用具有相同名称基类方法访问所需要的属性

钩子函数

.运算符：首先调用__getattribute__，若无访问结果，调用__getattr__
- .运算符说明参见cs_python/py3ref/cls_basics
getattr：基本同.运算符，除可捕获异常，设置默认返回值
hasattr：内部调用getattr，根据raise Exception判断属性是否存在
- 可以通过@property.getter中raise AttributeError 使得属性看起来不存在
- 内部有更多boilerplate相较于getattr更慢
- 则按照字面意思使用不需要考虑过多

`setattr`

1 2	def object.__setattr__(self, name, value): pass

用途：属性被尝试赋值时被调用
- 默认实现：将值保存到实例字典
- 若__setattr__要赋值给实例属性，应该调用同名基类方法
返回指：None
- 钩子函数：setattr

`delattr`

1 2	def object.__delattr__(self, name): pass

用途：删除实例属性时被调用
- 默认实现：从实例字典中删除对应项
- 应该在del obj.name对该对象有意义时才实现
返回值：None
- 内置钩子函数：delattr、del

`dir`

1 2	def object.__dir__(self): pass

用途：返回实例中“可访问”名称的字符串列表
- 默认实现：返回实例、类、祖先类所有属性
- 交互式解释器就是在__dir__/dir返回列表中进行查询进行补全
返回值：序列
- 内置钩子函数：dir
  - dir()获取__dir__返回序列，转换为列表、排序
  - dir()会剔除__dir__返回值中部分值
  - 若__dir__返回值不可迭代，报错

自定义模块属性访问

__getattr__、__dir__可以用于自定义对模块属性的访问
- 模块层次__getattr__类似普通类
  - 接受属性名作为参数
  - 返回计算后结果、或raise AttributeError
  - 若正常查找__getattribute__无法在模块中找到某个属性，调用__getattr__
- 模块层次__dir__类似普通类
  - 不接受参数
  - 返回模块中可访问名称的字符串列表

可以将模块的__class__属性设置为types.ModuleType子类

import sys
import types import ModuleType

class VersboseModule(ModuleType):
	def __repr__(self):
		return f"verbose {self.__name__}"
	def __setattr__(self, attr, value):
		print(f"settting {attr}")
		super().__setattr__(attr, value)

sys.modules[__name__].__class__ = VerboseModule

设置模块__getattr__、__class__只影响使用属性访问 语法进行查找，直接访问模块全局变量（通过模块内代码、对模块全局字典引用）不受影响

描述器类

描述器：具有“绑定行为”的对象属性

类中定义其中任意一个方法，则其实例被称为描述器
- __set__
- __get__
- __delete__
所有对描述器属性的访问会被__get__、__set__、 __delete__方法捕获/重载
- 如果只是想简单的自定义某个类的属性处理逻辑，使用 @porperty装饰器简化实现

@property参见cs_python/py3ref/cls_basics

描述器协议

以下方法仅包含其的类的实例出现在类属性中才有效
- 即以下方法必须在（祖先）类__dict__中出现，而不是实例__dict__中
- 即描述器只能定义为类属性，不能定义为实例属性

`get`

1 2	def object.__get__(self, instance, owner=None): pass

用途：访问描述器属性时调用，重载实例属性访问
- 若描述器未定义__get__，则访问属性会返回描述器对象自身，除非实例字典__dict__中有同名属性
- 若仅仅只是从底层实例字典中获取属性值，__get__方法不用实现
参数
- instance：用于方法属性的实例
- owner：实例所属类，若通过类获取属性则为None
返回值：计算后属性值、或raise AttributeError

示例

def __get__(self, instance, cls):
	if instance is None:
		# 装饰器类一般作为类属性，需要考虑通过类直接访问
			# 描述器类属性，此时`instance is None`
		# 常用操作是返回当前实例
		return self
	else:
		return instance.__dict__[self.name]

	# self：描述器类当前实例
	# instance：定义描述器作为类属性的类的实例
	# cls：定义描述器作为类属性的类

`set`

1 2	def object.__set__(self, instance, name, value): pass

用途：设置实例instance的“描述器属性”值为value，重载实例属性赋值
- 常用实现：操作实例instance.__dict__存储值，使得看起来是设置普通实例属性

示例

def __set__(self, instance, name, value):
	if instance is None:
		pass
	else:
		if not instance(value, int):
			raise TypeError("expect an int")
		instance.__dict__[self.name] = value
		# 操作实例底层`__dict__`

	# `value`：赋给描述器类属性的值

`delete`

1 2	def object.__delete__(self, instance): pass

用于：“删除”实例instance的“描述器属性”，重载实例属性删除
- 具体实现应取决于__set__实现

示例

def __delete__(self, instance):
	if instance is None:
		pass
	else:
		del instance.__dict__[self.name]
		# 操作实例底层`__dict__`

`__set_name__`

1 2	def object.__set_name__(self, owner, name): pass

用途：类owner被创建时调用，描述器被赋给name

实现原理

描述器的实现依赖于object.__getattribute__()方法
- 可以通过重写类的__getattribute__方法改变、关闭描述器行为
描述器调用：描述器x定义在类A中、a = A()
- 直接调用：x.__get__(a)
- 实例绑定：a.x
  - 转换为：type(a).__dict__['x'].__get__(a)
- 类绑定：A.x
  - 转换为：A.__dict__['x'].__get__(None,A)
- 超绑定：super(a, A).x

实例绑定—资料描述器

资料描述器：定义了__set__、__delete__方法

非资料描述器：只定义了__get__方法

访问对象属性时，描述器调用的优先级取决于描述器定义的方法
- 优先级：资料描述器 > 实例字典属性 > 非资料描述器
- 实例属性会重载非资料描述器
- 实例属性和资料描述器同名时，优先访问描述器，否则优先访问属性
只读资料描述器：__set__中raise AttributeError得到

描述器调用

todo

Python设计

function类中定义有__get__方法，则其实例（即函数）都为非资料描述器
- 所以实例可以覆盖、重载方法
- __getattribute__会根据不同方法类型选择绑定对象
  - staticmethod：静态方法
  - classmethod：类方法
  - 实例方法
super类中定义有__get__方法，则其实例也为描述器
@property方法被实现为资料描述器

特殊描述器类

todo

wrapper_descripter：<slot wrapper>，封装C实现的函数
- 等价于CPython3中函数
- 调用__get__绑定后得到<method-wrapper>
- object的方法全是<slot wrapper>
method-wrapper：<method-wrapper>，封装C实现的绑定方法
- 等价于CPython3中绑定方法

`function`描述器类

function描述器类：实例化即得到函数

class function:
	function(code, globals[, name[, argdefs[, closure]]])

	def __call__(self, /, *args, **kwargs):
		# 作为一个函数调用自身

	def __get__(self, instance, owner, /):
		# 返回`owner`类型实例`instance`的属性
		# 即返回绑定方法

`method`描述器类

method描述器类：实例化即得到(bound )method，绑定方法

class method:
	method(function, instance)

	def __call__(self, /, *args, **kwargs):
		# 作为函数调用自身

	def __get__(self, instance, owner, /):
		# 返回自身

(bound )method：绑定方法，（首个参数）绑定为具体实例的函数，即实例属性

`XXmethod`描述类

代码是C实现，这里是python模拟，和help结果不同

class classmethod:
	def __init__(self, method):
		self.method = method
	def __get__(self, obj, cls):
		return lambda *args, **kw: self.method(cls,*args,**kw)

class staticmethod:
	def __init__(self, callable):
		self.f = callable
	def __get__(self, obj, cls=None):
		return self.f
	@property
	def __func__(self):
		return self.f

类中静态方法、类方法就是以上类型的描述器
- 静态方法：不自动传入第一个参数
- 类方法：默认传递类作为第一个参数
- 描述器用途就是避免默认传入实例为第一个参数的行为
静态方法、类方法均是非资料描述器，所以和实例属性重名时会被覆盖
所以类静态方法、类方法不能直接通过__dict__获取、调用，需要调用__get__方法返回绑定方法才能调用
- 直接访问属性则由__getattribute__方法代劳

例

class Integer:
	# 描述器类
	def __init__(self, name):
		self.name = name

	def __get__(self, instance, cls):
		# 描述器的每个方法会接受一个操作实例`instance`
		if instance is None:
			# 描述器只能定义为类属性，在这里处理直接使用类
				# 访问描述器类的逻辑
			return self
		else:
			return instance.__dict__(self.name)

	def __set__(self, instance, value):
		if not instance(value, int):
			rasie TypeError("expect an int")
		instance.__dict__[self.name] = value
			# 描述器方法会操作实例底层`__dict__`属性

	def __delete__(self, instance):
		del instance.__dict__[self.name]

class Point:
	x = Integer("x")
	y = Integer("y")
		# 需要将描述器的实例作为类属性放在类的定义中使用

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

def test():
	p = Point(2, 3)
	print(p.x)
		# 调用`Point.x.__get__(p, Point)`
	print(Point.x)
		# 调用`Point.x.__get__(None, Point)`
	p.y = 5
		# 调用`Point.y.__set__(p, 5)`

自定义类创建

`__init_subclass__`

1 2	classmethod object.__init_subclass__(cls): pass

用途：派生类继承父类时，基类的__init_subclas__被调用
- 可以用于编写能够改变子类行为的类
- 类似类装饰器，但是类装饰其影响其应用的类，而 __init_subclass__影响基类所有派生子类
- 默认实现：无行为、只有一个参数cls
- 方法默认、隐式为类方法，不需要classmethod封装

参数

cls：指向新的子类
默认实现无参数，可以覆盖为自定义参数

class Philosopher:
	def __init_subclass__(self, default_name, **kwargs):
		super().__init_subclass__(**kwrags)
		cls.default_name = default_name

class AstraliaPhilosopher(Philosopher, default_name="Bruce"):
	pass

定义派生类时需要注意传递参数
元类参数metaclass会被其他类型机制消耗，不会被传递给__init_subclass__

元类

默认情况下，类使用type构建
- 类体在新的命名空间中执行，类名被局部绑定到元类创建结果type(name, bases, namespace)
可在类定义部分传递metaclass关键字参数，自定义类创建过程
- 类继承同样继承父类元类参数
- 其他类定义过程中的其他关键字参数会在以下元类操作中进行传递
  - 解析MRO条目
  - 确定适当元类
  - 准备类命名空间__prepare__
  - 执行类主体
  - 创建类对象

解释MRO条目

1 2	def type.__mro_entries__(): pass

用途：若类定义中基类不是type的实例，则使用此方法对基类进行搜索
- 找到结果时，以原始基类元组作为参数进行调用
返回值：类的元组替代基类被使用
- 元组可以为空，此时原始基类将被忽略

元类确定

若没有显式给出基类、或元类，使用type()
若显式给出的元类不是type()的实例，直接用其作为元类
若显式给出type()实例作为元类、或定义有基类，则选取 “最派生”元类
- 最派生元类从显式指定的元类、基类中元类中选取
- 最派生元类应为所有候选元类的子类型
- 若没有满足条件的候选元类则raise TypeError

准备类命名空间

1 2	def type.__prepare__(name, bases, **kwds): pass

用途：确定合适的元类之后，准备类命名空间
- 若元类没有__prepare__属性，类命名空间将被初始化为空ordered mapping
参数：来自于类定义中的关键字参数

执行类定义主体

1 2	exec(body, globals(), namespace) # 执行类主体类似于

普通调用和exec()区别
- 类定义在函数内部时
  - 词法作用域允许类主体、方法引用来自当前、外部作用域名称
  - 但内部方法仍然无法看到在类作用域层次上名称
  - 类变量必须通过实例的第一个形参、类方法方法

创建类对象

1 2	metaclass(name, base, namespace, **kwds): pass

用途：执行类主体填充类命名空间后，将通过调用 metaclass(name, base, namespace, **kwds)创建类对象
参数：来自类定义中的关键字参数

说明

若类主体中有方法中引用__class__、super，则__class__ 将被编译器创建为隐式闭包引用
- 这使得无参数调用super可以能基于词法作用域正确定位类
- 而被用于进行当前调用的类、实例则是基于传递给方法的第一个参数来标识

自定义实例、子类检查

以下方法应该的定义在元类中，不能在类中定义为类方法
- 类似于实例从类中查找方法
元类abc.ABCMeta实现了以下方法以便允许将抽象基类ABC 作为“虚拟基类”添加到任何类、类型（包括内置类型）中

`instancecheck`

1 2	def class.__instancecheck__(self, instance): pass

用途：若instance被视为class直接、间接实例则返回真值
- 重载instance内置函数行为
返回：布尔值
- 内置钩子函数：isintance(instance, class)

`subclasscheck`

1 2	class.__subclasscheck__(self, subclass): pass

用途：若subclass被视为class的直接、间解子类则返回真值
- 重载issubclass内置函数行为
返回：布尔值
- 内置钩子函数：issubclass(subclass, class)

模拟范型类型

`__class_getitem__`

1 2	classmethod object.__class_getitem__(cls, key): pass

用途：按照key指定类型返回表示泛型类的专门化对象
- 实现PEP 484规定的泛型类语法
- 查找基于对象自身
- 主要被保留用于静态类型提示，不鼓励其他尝试使用
- 方法默认、隐式为类方法，不需要classmethod封装
参数
- cls：当前类
- key：类型

模拟可调用对象

`call`

1 2	def object.__call__(self[,args...]): pass

用途：实例作为函数被调用时被调用
- 若定义此方法x(arg1, arg2, ...)等价于 x.__call__(arg1, args2, ...)

模拟容器类型

collections.abc.MutableMapping为抽象基类
- 其实现基本方法集__getitem__、__setitem__、 __delitem__、keys()
- 可以方法继承、扩展、实现自定义映射类

`len`

1 2	def object.__len__(self): pass

用途：计算、返回实例长度
- 若对象未定义__bool__，以__len__是否返回非0作为布尔运算结果
返回值：非负整形
- 钩子函数：len()

CPython：要求长度最大为sys.maxsize，否则某些特征可能会raise OverflowError

`__length_hint__`

1 2	def object.__length_hist__(self): pass

用途：返回对象长度估计值
- 存粹为优化性能，不要求正确无误
返回值：非负整形
- 钩子函数：operator.length_hint()

`getitem`

1 2	def object.__getitem__(self, key): pass

用途：实现根据索引取值
参数
- 序列key：整数、切片对象
  - key类型不正确将raise TypeError
  - key在实例有效范围外将raise IndexError
- 映射key：可hash对象
  - key不存在将raise KeyError
返回值：self[key]

`setitem`

1 2	def object.__setitem__(self, key, value): pass

用途：实现根据索引赋值
参数：同__geitem__

`delitem`

1 2	def object.__delitem(self, key): pass

用途：实现删除索引对应项
参数：同__getitem__

`missing`

1 2	def object.__missing__(self, key): pass

用途：__getitem__无法找到映射中键时调用

`reversed`

1 2	def object.__iter__(self): pass

用途：为容器类创建逆向迭代器
返回值：逆向迭代对象
- 内置钩子函数：reversed()

说明

若未提供__reversed__方法，reversed函数将回退到使用 序列协议：__len__、__getitem__
支持序列协议的对象应该仅在能够提供比reversed更高效实现时才提供__reversed__方法

`contains`

1 2	def object.__contains__(self, item): pass

用途：实现成员检测
- 若item是self成员则返回True、否则返回False
- 对映射应检查键
返回值：布尔值
- 钩子运算：in

说明

若未提供__contains__方法，成员检测将依次尝试
- 通过__iter__进行迭代
- 使用__getitem__旧式序列迭代协议
容器对象可以提供更有效率的实现

模拟数字

数字运算

定义以下方法即可模拟数字类型

特定类型数值类型不支持的运算应保持未定义状态
若不支持与提供的参数进行运算，应返回NotImplemented

def object.__add__(self, other):
	# `+`
def object.__sub__(self, other):
	# `-`
def object.__mul__(self, other):
	# `*`
def object.__matmul__(self, other):
	# `@`
def object.__truediv__(self, other):
	# `/`
def object.__floordiv__(self, other):
	# `//`
def object.__mod__(self, other):
	# `%`
def object.__divmod__(self, other):
	# `divmod()`
def object.__pow__(self, other[, modulo=1]):
	# `pow()`/`**`
	# 若要支持三元版本内置`pow()`函数，应该接受可选的第三个
		# 参数
def object.__lshift__(self, other):
	# `<<`
def object.__rshift__(self, other):
	# `>>`
def object.__and__(self, other):
	# `&`
def object.__or__(self, other):
	# `|`
def object.__xor__(self, other):
	# `~`

反射二进制算术运算

以下成员函数仅在左操作数不支持相应运算、 且两操作数类型不同时被调用

实例作为作为相应运算的右操作数
若右操作数类型为左操作数类型子类，且字类提供如下反射方法
- 右操作数反射方法优先于左操作数非反射方法被调用
- 允许子类覆盖祖先类运算符
三元版pow()不会尝试调用__rpow__（转换规则太复杂）

def object.__radd__(self, other):
	# `+`
def object.__rsub__(self, other):
	# `-`
def object.__rmul__(self, other):
	# `*`
def object.__rmatmul__(self, other):
	# `@`
def object.__rtruediv__(self, other):
	# `/`
def object.__rfloordiv__(self, other):
	# `//`
def object.__rmod__(self, other):
	# `%`
def object.__rdivmod__(self, other):
	# `divmod()`
def object.__rpow__(self, other[, modulo=1]):
	# `pow()`/`**`
	# 若要支持三元版本内置`pow()`函数，应该接受可选的第三个
		# 参数
def object.__rlshift__(self, other):
	# `<<`
def object.__rrshift__(self, other):
	# `>>`
def object.__rand__(self, other):
	# `&`
def object.__ror__(self, other):
	# `|`
def object.__rxor__(self, other):
	# `~`

扩展算术赋值

实现以下方法实现扩展算数赋值

以下方法应该尝试对自身进行操作
- 修改self、返回结果（不一定为self）
若方法未定义，相应扩展算数赋值将回退到普通方法中
某些情况下，扩展赋值可导致未预期错误

def object.__iadd__(self, other):
	# `+=`
def object.__isub__(self, other):
	# `-=`
def object.__imul__(self, other):
	# `*=`
def object.__imatmul__(self, other):
	# `@=`
def object.__itruediv__(self, other):
	# `/=`
def object.__ifloordiv__(self, other):
	# `//=`
def object.__imod__(self, other):
	# `%=`
def object.__ipow__(self, other[, modulo=1]):
	# `**=`
def object.__ilshift__(self, other):
	# `<<=`
def object.__irshift__(self, other):
	# `>>=`
def object.__iand__(self, other):
	# `&=`
def object.__ior__(self, other):
	# `|=`
def object.__ixor__(self, other):
	# `~=`

一元算术运算

def object.__neg__(self):
	# `-`
def object.__pos__(self):
	# `+`
def object.__abs__(self):
	# `abs()`
def object.__invert__(self):
	# `~`

类型转换运算

def object.__complex__(self):
	# `complex()`
def object.__int__(self):
	# `int()`
def object.__float__(self):
	# `float()`

整数

1 2	def object.__index__(self): pass

存在此方法表明对象属于整数类型
- 必须返回整数
- 为保证以一致性，同时也应该定义__int__()，两者返回相同值
调用此方法以实现operator.index()、或需要无损的转换为整数对象
- 作为索引、切片参数
- 作为bin()、hex()、oct()函数参数

精度运算

def object.__round__(self[, ndigits]):
	# `round()`
def object.__trunc__(self):
	# `math.trunc()`
def object.__floor__(self):
	# `math.floor()`
def object.__ceil__(self):
	# `math.ceil()`

返回值：除__round__中给出ndigits参数外，都应该为原对象截断为Integral（通常为int）
若未定义__int__，则int回退到__trunc__

元属性查找

元属性查找通常会绕过__getattribute__方法，甚至包括元类

class Meta(type):
	def __getattribute__(*args):
		print("Metaclass getattribute invoked")
		return type.__getattribute__(*args)

class C(object, metaclass=Meta):
	def __len__(self):
		return 10
	def __getattribute__(*args):
		print("Class getattribute invoked")
		return object.__geattribute__(*args)

if __name__ == "__main__":
	c = C()
	c.__len__()
		# 通过实例显式调用
		# 输出`Class getattribute invoked\n10"
	type(c).__len__(c)
		# 通过类型显式调用
		# 输出`Metaclass getattribute invoked\n10"
	len(c)
		# 隐式查找
		# 输出`10`

为解释器内部速度优化提供了显著空间
但是牺牲了处理特殊元属性时的灵活性
- 特殊元属性必须设置在类对象本身上以便始终一致地由解释器发起调用

隐式调用元属性仅保证元属性定义在对象类型中能正确发挥作用
1
2
3
4
5
6
7
8
class C:
pass

if __name__ == "__main__":
c = C()
c.__len__() = lambda: 5
len(c)
# `rasie TypeError`
- 元属性定义在实例字典中会引发异常
- 若元属性的隐式查找过程使用了传统查找过程，会在对类型对象本身发起调用时失败
- 可以通过在查找元属性时绕过实例避免
  1
  2
  >>> type(1).__hash__(1) == hash(1)
  >>> type(int).__hash__(int) == hash(int)

上下文管理器协议

上下文管理器：定义了在执行with语句时要建立的运行时上下文的对象

上下文管理器为执行代码块，处理进入、退出运行时所需上下文
- 通常使用with语句调用
- 也可以直接调用协议中方法方法
典型用法
- 保存、恢复各种全局状态
- 锁、解锁资源：避免死锁
- 关闭打开的文件：自动控制资源释放

可利用contextlib模块方便实现上下文管理器协议

`enter`

1 2	def contextmanager.__enter__(self): pass

用途：创建、进入与当前对象相关的运行时上下文
- 在执行with语句块前设置运行时上下文
返回值
- with子句绑定方法返回值到as子句中指定的目标，如果方法返回值

`exit`

1 2	def contextmanger.__exit__(self, exc_type, exc_value, traceback): pass

用途：销毁、退出关联到此对象的运行时上下文
- with语句块结束后，__exit__方法触发进行清理工作
- 不论with代码块中发生什么，即使是出现异常， __exit__控制流也会执行完
参数：描述了导致上下文退出的异常，正常退出则各参数为 None
- exc_type
- exc_value
- traceback
返回值：布尔值
- 若上下文因异常退出
  - 希望方法屏蔽此异常（避免传播），应该返回真值，异常被清空
  - 否则异常在退出此方法时将按照正常流程处理
- 方法中不应该重新引发被传入的异常，这是调用者的责任

例

from socket import socket, AF_INET, SOCK_STREAM

class LazyConnection:
	def __init__(self, address, family=AF_INET, type=SOCK_STREAM):
		self.address = address
		self.family = family
		self.type = type
		self.connections = []

	def __enter__(self):
		sock = socket(self.family, self.type)
		sock.connect(self.address)
		self.connections.append(sock)
		return self.sock

	def __exit__(self, exc_ty, exc_val, tb):
		self.connections.pop().close()

from functools import partial

def test():
	conn = LazyConnection("www.python.org", 80))
	with conn as s1:
		# `conn.__enter___()` executes: connection opened
		s.send(b"GET /index.html HTTP/1.0\r\n")
		s.send(b"Host: www.python.org\r\n")
		s.send(b"\r\n")
		resp = b"".join(iter(partial(s.recv, 8192), b""))
		# `conn.__exit__()` executes: connection closed

		with conn as s2:
			# 此版本`LasyConnection`可以看作是连接工厂
			# 使用列表构造栈管理连接，允许嵌套使用
			pass

迭代器协议

可迭代对象：实现__iter__方法的对象
迭代器对象：同时实现__next__方法的可迭代对象

使用collections.abc模块判断对象类型

`iter`

1 2	def object.__iter__(self): pass

用途：创建迭代器对象，不负责产生、返回迭代器元素
- 容器对象要提供迭代须实现此方法
  - 容器支持不同迭代类型，可以提供额外方法专门请求不同迭代类型迭代器
- 迭代对象本身需要实现此方法，返回对象自身
  - 允许容器、迭代器均可配合for...in...语句使用
返回值：迭代器对象
- 映射类型应该逐个迭代容器中键
- 内置钩子函数：iter()

此方法对应Python/C API中python对象类型结构体中 tp_iter槽位

`next`

1 2	def object.__next__(): pass

用途：从迭代器中返回下一项
- 若没有项可以返回，则raise StopIteration
- 一旦引发raise StopIteration，对后续调用必须一直引发同样的异常，否则此行为特性无法正常使用
返回值：迭代器对象中下个元素
- 映射类型返回容器中键
- 内置钩子函数：next()

此方法对应Python/C API中python对象类型结构体中 tp_iternext槽位

协程/异步

`await`

1 2	def object.__await__(self): pass

用途：用于实现可等待对象
返回值：迭代器
- 钩子运算：await

asyncio.Future实现此方法以与await表达式兼容

Awaitable Objects

可等待对象：异步调用句柄，等待结果应为迭代器

主要是实现__await__方法对象
- 从async def函数返回的协程对象
type.coroutine()、asyncio.coroutine()装饰的生成器返回的生成器迭代器对象也属于可等待对象，但其未实现 __await__

协程对象参见cs_python/py3ref/dm_gfuncs

py3.7前多次await可等待对象返回None，之后报错

异步迭代器协议

异步迭代器常用于async for语句中

其他参见迭代器协议

`aiter`

1 2	def object.__aiter__(self): pass

用途：返回异步迭代器对象，不负责产生、返回迭代器元素
- 返回其他任何对象都将raise TypeError

其他参见__iter__方法

`anext`

1 2	async def object.__anext__(self): pass

返回：从异步迭代器返回下个结果值
- 迭代结束时应该raise StopAsyncIteration
用途
- 在其中调用异步代码

其他参见__next__方法

例

class Reader:
	async def readline(self):
		pass
	def __aiter__(self):
		return self
	async def __anext__(self):
		val = await self.readline()
		if val == "b":
			raise StopAsyncIteration
		return val

异步上下文管理器协议

异步上下文管理器常用于async with异步语句中

其他参见上下文管理器协议

`aenter`

1 2	async def object.__aenter__(self): pass

用途：异步创建、进入关联当前对象的上下文执行环境
- 由async def定义为协程函数，即在创建上下文执行环境时可以被挂起
返回：可等待对象

其他参见__enter__

`aexit`

1 2	async def object.__aexit__(self): pass

用途：异步销毁、退出关联当前对象的上下文执行环境
- 由async def定义为协程函数，即在销毁上下文执行环境时可以被挂起
返回：可等待对象

其他参见__exit__函数

Special Methods

综述

实例创建、销毁

__prepare__

__new__

说明

__init__

__del__

说明

输出属性

__repr__

__str__

说明

__bytes__

__format__

__hash__

说明

关联__eq__

默认实现

__bool__

例

Rich Comparison Methods

说明

内部信息

__dict__

__class__

__objclass__

todo

__slots__

说明

自定义属性访问

__getattr__

说明

__getattribute__

说明

钩子函数

__setattr__

__delattr__

__dir__

自定义模块属性访问

描述器类

描述器协议

__get__

__set__

__delete__

__set_name__

实现原理

实例绑定—资料描述器

描述器调用

todo

Python设计

特殊描述器类

todo

function描述器类

method描述器类

XXmethod描述类

例

自定义类创建

__init_subclass__

元类

解释MRO条目

元类确定

准备类命名空间

执行类定义主体

创建类对象

说明

自定义实例、子类检查

__instancecheck__

__subclasscheck__

模拟范型类型

__class_getitem__

模拟可调用对象

__call__

模拟容器类型

__len__

__length_hint__

__getitem__

__setitem__

__delitem__

__missing__

`prepare`

`new`

`init`

`del`

`repr`

`str`

`bytes`

`format`

`hash`

关联`eq`

`bool`

`dict`

`class`

`objclass`

`slots`

`getattr`

`getattribute`

`setattr`

`delattr`

`dir`

`get`

`set`

`delete`

`__set_name__`

`function`描述器类

`method`描述器类

`XXmethod`描述类

`__init_subclass__`

`instancecheck`

`subclasscheck`

`__class_getitem__`

`call`

`len`

`__length_hint__`

`getitem`

`setitem`

`delitem`

`missing`

`reversed`

`contains`

`enter`

`exit`

`iter`

`next`

`await`

`aiter`

`anext`

`aenter`

`aexit`