Python 黑魔法 --- 描述器（descriptor）

Python 黑魔法---描述器（descriptor）

Python黑魔法，前面已经介绍了两个魔法，装饰器和迭代器，通常还有个生成器。生成器固然也是一个很优雅的魔法。生成器更像是函数的行为。而连接类行为和函数行为的时候，还有一个描述器魔法，也称之为描述符。

我们不止一次说过，Python的优雅，很大程度在于如何设计成优雅的API。黑魔法则是一大利器。或者说Python的优雅很大程度上是建立在这些魔法巧技基础上。

何谓描述器

当定义迭代器的时候，描述是实现迭代协议的对象，即实现__iter__方法的对象。同理，所谓描述器，即实现了描述符协议，即__get__, __set__, 和 __delete__方法的对象。

单看定义，还是比较抽象的。talk is cheap。看代码吧：

class WebFramework(object):
    def __init__(self, name='Flask'):
        self.name = name

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

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


class PythonSite(object):

    webframework = WebFramework()

In [1]: PythonSite.webframework
Out[1]: 'Flask'

In [2]: PythonSite.webframework = 'Tornado'

In [3]: PythonSite.webframework
Out[3]: 'Tornado'

定义了一个类WebFramework，它实现了描述符协议__get__和__set__，该对象（类也是对象，一切都是对象）即成为了一个描述器。同时实现__get__和__set__的称之为资料描述器（data descriptor）。仅仅实现__get__的则为非描述器。两者的差别是相对于实例的字典的优先级。

如果实例字典中有与描述器同名的属性，如果描述器是资料描述器，优先使用资料描述器，如果是非资料描述器，优先使用字典中的属性。

描述器的调用

对于这类魔法，其调用方法往往不是直接使用的。例如装饰器需要用 @ 符号调用。迭代器通常在迭代过程，或者使用 next 方法调用。描述器则比较简单，对象属性的时候会调用。

In [15]: webframework = WebFramework()

In [16]: webframework.__get__(webframework, WebFramework)
Out[16]: 'Flask'

描述器与对象属性

OOP的理论中，类的成员变量包括属性和方法。那么在Python里什么是属性？修改上面的PythonSite类如下：

class PythonSite(object):

    webframework = WebFramework()

    version = 0.01

    def __init__(self, site):
        self.site = site

这里增加了一个version的类属性，以及一个实例属性site。分别查看一下类和实例对象的属性：

In [1]: pysite = PythonSite('ghost')

In [2]: vars(PythonSite).items()
Out[2]:
[('__module__', '__main__'),
 ('version', 0.01),
 ('__dict__', <attribute '__dict__' of 'PythonSite' objects>),
 ('webframework', <__main__.WebFramework at 0x10d55be90>),
 ('__weakref__', <attribute '__weakref__' of 'PythonSite' objects>),
 ('__doc__', None),
 ('__init__', <function __main__.__init__>)]

In [3]: vars(pysite)
Out[3]: {'site': 'ghost'}
In [4]: PythonSite.__dict__
Out[4]:
<dictproxy {'__dict__': <attribute '__dict__' of 'PythonSite' objects>,
 '__doc__': None,
 '__init__': <function __main__.__init__>,
 '__module__': '__main__',
 '__weakref__': <attribute '__weakref__' of 'PythonSite' objects>,
 'version': 0.01,
 'webframework': <__main__.WebFramework at 0x10d55be90>}>

vars方法用于查看对象的属性，等价于对象的__dict__内容。从上面的显示结果，可以看到类PythonSite和实例pysite的属性差别在于前者有 webframework，version两个属性，以及 __init__方法，后者仅有一个site属性。

类与实例的属性

类属性可以使用对象和类访问，多个实例对象共享一个类变量。但是只有类才能修改。

In [6]: pysite1 = PythonSite('ghost')

In [7]: pysite2 = PythonSite('admin')

In [8]: PythonSite.version
Out[8]: 0.01

In [9]: pysite1.version
Out[9]: 0.01

In [10]: pysite2.version
Out[10]: 0.01

In [11]: pysite1.version is pysite2.version
Out[11]: True

In [12]: pysite1.version = 'pysite1'

In [13]: vars(pysite1)
Out[13]: {'site': 'ghost', 'version': 'pysite1'}

In [14]: vars(pysite2)
Out[14]: {'site': 'admin'}

In [15]: PythonSite.version = 0.02

In [16]: pysite1.version
Out[16]: 'pysite1'

In [17]: pysite2.version
Out[17]: 0.02

正如上面的代码显示，两个实例对象都可以访问version类属性，并且是同一个类属性。当pysite1修改了version，实际上是给自己添加了一个version属性。类属性并没有被改变。当PythonSite改变了version属性的时候，pysite2的该属性也对应被改变。

属性访问的原理与描述器

知道了属性访问的结果。这个结果都是基于Python的描述器实现的。通常，类或者实例通过.操作符访问属性。例如pysite1.site和pysite1.version的访问。先访问对象的__dict__，如果没有再访问类（或父类，元类除外）的__dict__。如果最后这个__dict__的对象是一个描述器，则会调用描述器的__get__方法。

In [21]: pysite1.site
Out[21]: 'ghost'

In [22]: pysite1.__dict__['site']
Out[22]: 'ghost'

In [23]: pysite2.version
Out[23]: 0.02

In [24]: pysite2.__dict__['version']
---------------------------------------------------------------------------
KeyError                                  Traceback (most recent call last)
<ipython-input-24-73ef6aeba259> in <module>()
----> 1 pysite2.__dict__['version']

KeyError: 'version'

In [25]: type(pysite2).__dict__['version']
Out[25]: 0.02

In [32]: type(pysite1).__dict__['webframework']
Out[32]: <__main__.WebFramework at 0x103426e90>

In [38]: type(pysite1).__dict__['webframework'].__get__(None, PythonSite)
Out[38]: 'Flask'

实例方法，类方法，静态方法与描述器

调用描述器的时候，实际上会调用object.__getattribute__()。这取决于调用描述其器的是对象还是类，如果是对象obj.x，则会调用type(obj).__dict__['x'].__get__(obj, type(obj))。如果是类，class.x， 则会调用type(class).__dict__['x'].__get__(None, type(class)。

这样说还是比较抽象，下面来分析Python的方法，静态方法和类方法。把PythonSite重构一下：

class PythonSite(object):
    webframework = WebFramework()

    version = 0.01

    def __init__(self, site):
        self.site = site

    def get_site(self):
        return self.site

    @classmethod
    def get_version(cls):
        return cls.version

    @staticmethod
    def find_version():
        return PythonSite.version

类方法，@classmethod装饰器

先看类方法，类方法使用@classmethod装饰器定义。经过该装饰器的方法是一个描述器。类和实例都可以调用类方法：

In [1]: ps = PythonSite('ghost')

In [2]: ps.get_version
Out[2]: <bound method type.get_version of <class '__main__.PythonSite'>>

In [3]: ps.get_version()
Out[3]: 0.01

In [4]: PythonSite.get_version
Out[4]: <bound method type.get_version of <class '__main__.PythonSite'>>

In [5]: PythonSite.get_version()
Out[5]: 0.01

get_version 是一个bound方法。下面再看下ps.get_version这个调用，会先查找它·的__dict__是否有get_version这个属性，如果没有，则查找其类。

In [6]: vars(ps)
Out[6]: {'site': 'ghost'}

In [7]: type(ps).__dict__['get_version']
Out[7]: <classmethod at 0x108952e18>

In [8]: type(ps).__dict__['get_version'].__get__(ps, type(ps))
Out[8]: <bound method type.get_version of <class '__main__.PythonSite'>>

In [9]: type(ps).__dict__['get_version'].__get__(ps, type(ps)) == ps.get_version
Out[9]: True

并且vars(ps)中，__dict__并没有get_version这个属性，依据描述器协议，将会调用type(ps).__dict__['get_version']描述器的__get__方法，因为ps是实例，因此object.__getattribute__()会这样调用__get__(obj, type(obj))。

现在再看类方法的调用:

In [10]: PythonSite.__dict__['get_version']
Out[10]: <classmethod at 0x108952e18>

In [11]: PythonSite.__dict__['get_version'].__get__(None, PythonSite)
Out[11]: <bound method type.get_version of <class '__main__.PythonSite'>>

In [12]: PythonSite.__dict__['get_version'].__get__(None, PythonSite) == PythonSite.get_version
Out[12]: True

因为这次调用get_version的是一个类对象，而不是实例对象，因此object.__getattribute__()会这样调用__get__(None, Class)。

静态方法，@staticmethod

实例和类也可以调用静态方法：

In [13]: ps.find_version
Out[13]: <function __main__.find_version>

In [14]: ps.find_version()
Out[14]: 0.01

In [15]: vars(ps)
Out[15]: {'site': 'ghost'}

In [16]: type(ps).__dict__['find_version']
Out[16]: <staticmethod at 0x108952d70>

In [17]: type(ps).__dict__['find_version'].__get__(ps, type(ps))
Out[17]: <function __main__.find_version>

In [18]: type(ps).__dict__['find_version'].__get__(ps, type(ps)) == ps.find_version
Out[18]: True

In [19]: PythonSite.find_version()
Out[19]: 0.01

In [20]: PythonSite.find_version
Out[20]: <function __main__.find_version>

In [21]: type(ps).__dict__['find_version'].__get__(None, type(ps))
Out[21]: <function __main__.find_version>

In [22]: type(ps).__dict__['find_version'].__get__(None, type(ps)) == PythonSite.find_version
Out[22]: True

和类方法差别不大，他们的主要差别是在类方法内部的时候，类方法可以有cls的类引用，静态访问则没有，如果静态方法想使用类变量，只能硬编码类名。

实例方法

实例方法最为复杂，是专门属于实例的，使用类调用的时候，会是一个unbound方法。

In [2]: ps.get_site
Out[2]: <bound method PythonSite.get_site of <__main__.PythonSite object at 0x1054ae2d0>>

In [3]: ps.get_site()
Out[3]: 'ghost'

In [4]: type(ps).__dict__['get_site']
Out[4]: <function __main__.get_site>

In [5]: type(ps).__dict__['get_site'].__get__(ps, type(ps))
Out[5]: <bound method PythonSite.get_site of <__main__.PythonSite object at 0x1054ae2d0>>

In [6]: type(ps).__dict__['get_site'].__get__(ps, type(ps)) == ps.get_site
Out[6]: True

一切工作正常，实例方法也是类的一个属性，但是对于类，描述器使其变成了unbound方法：

In [7]: PythonSite.get_site
Out[7]: <unbound method PythonSite.get_site>

In [8]: PythonSite.get_site()
---------------------------------------------------------------------------
TypeError                                 Traceback (most recent call last)
<ipython-input-8-99c7d7607137> in <module>()
----> 1 PythonSite.get_site()

TypeError: unbound method get_site() must be called with PythonSite instance as first argument (got nothing instead)

In [9]: PythonSite.get_site(ps)
Out[9]: 'ghost'

In [10]: PythonSite.__dict__['get_site']
Out[10]: <function __main__.get_site>

In [11]: PythonSite.__dict__['get_site'].__get__(None, PythonSite)
Out[11]: <unbound method PythonSite.get_site>

In [12]: PythonSite.__dict__['get_site'].__get__(None, PythonSite) == PythonSite.get_site
Out[12]: True

In [14]: PythonSite.__dict__['get_site'].__get__(ps, PythonSite)
Out[14]: <bound method PythonSite.get_site of <__main__.PythonSite object at 0x1054ae2d0>>

In [15]: PythonSite.__dict__['get_site'].__get__(ps, PythonSite)()
Out[15]: 'ghost'

由此可见，类不能直接调用实例方法，除非在描述器手动绑定一个类实例。因为使用类对象调用描述器的时候，__get__的第一个参数是None，想要成功调用，需要把这个参数替换为实例ps，这个过程就是对方法的bound过程。

描述器的应用

描述器的作用主要在方法和属性的定义上。既然我们可以重新描述类的属性，那么这个魔法就可以改变类的一些行为。最简单的应用则是可以配合装饰器，写一个类属性的缓存。Flask的作者写了一个werkzeug网络工具库，里面就使用描述器的特性，实现了一个缓存器。

class _Missing(object):
    def __repr__(self):
        return 'no value'

    def __reduce__(self):
        return '_missing'


_missing = _Missing()


class cached_property(object):
    def __init__(self, func, name=None, doc=None):
        self.__name__ = name or func.__name__
        self.__module__ = func.__module__
        self.__doc__ = doc or func.__doc__
        self.func = func

    def __get__(self, obj, type=None):
        if obj is None:
            return self
        value = obj.__dict__.get(self.__name__, _missing)
        if value is _missing:
            value = self.func(obj)
            obj.__dict__[self.__name__] = value
        return value


class Foo(object):
    @cached_property
    def foo(self):
        print 'first calculate'
        result = 'this is result'
        return result


f = Foo()

print f.foo   # first calculate this is result
print f.foo   # this is result

运行结果可见，first calculate只在第一次调用时候被计算之后就把结果缓存起来了。这样的好处是在网络编程中，对HTTP协议的解析，通常会把HTTP的header解析成python的一个字典，而在视图函数的时候，可能不知一次的访问这个header，因此把这个header使用描述器缓存起来，可以减少多余的解析。

描述器在python的应用十分广泛，通常是配合装饰器一起使用。强大的魔法来自强大的责任。描述器还可以用来实现ORM中对sql语句的"预编译"。恰当的使用描述器，可以让自己的Python代码更优雅。

文／人世间（简书作者）
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