Python 类的 6 种替代方案

作为开发者，我们每天会产出大量的数据。 而这些数据的表现尤为重要。因此，我们需要能够跟踪哪些变量代表哪些属性。 配置化是针对复杂数据的一个首要示例。

在以下文章中，我将使用位置数据作为示例。它必须有一个经度，纬度，外加一个可选的地址。在 C 语言中，可以使用 struct 来表示，而在 Java 中，我们只需创建一个类。在 Python，我们则有六种方法可供选择。让我们来探索他们每一个的优点和缺点吧！

普通类

普通类是标准库为组织数据而提供的默认方式。你可以（而且应该！）使用以下示例中的 类型注释 ：

from typing import Optional

class Position:
    MIN_LATITUDE = -90
    MAX_LATITUDE = 90
    MIN_LONGITUDE = -180
    MAX_LONGITUDE = 180

    def __init__(
        self, longitude: float, latitude: float, address: Optional[str] = None
    ):
        self.longitude = longitude
        self.latitude = latitude
        self.address = address

    @property
    def latitude(self) -> float:
        """Getter for latitude."""
        return self._latitude

    @latitude.setter
    def latitude(self, latitude: float) -> None:
        """Setter for latitude."""
        if not (Position.MIN_LATITUDE <= latitude <= Position.MAX_LATITUDE):
            raise ValueError(f"latitude was {latitude}, but has to be in [-90, 90]")
        self._latitude = latitude

    @property
    def longitude(self) -> float:
        """Getter for longitude."""
        return self._longitude

    @longitude.setter
    def longitude(self, longitude: float) -> None:
        """Setter for longitude."""
        if not (Position.MIN_LONGITUDE <= longitude <= Position.MAX_LONGITUDE):
            raise ValueError(f"longitude was {longitude}, but has to be in [-180, 180]")
        self._longitude = longitude


pos1 = Position(49.0127913, 8.4231381, "Parkstraße 17")
pos2 = Position(42.1238762, 9.1649964)

def get_distance(p1: Position, p2: Position) -> float:
    pass

你可以看到我们需要编写一个构造器方法 __init__ 。构造器的代码在大部分情况下是简单的，尽管有一些例外。

你可以看到我们在代码中使用了位置参数或关键字参数。如果你在构造器中给某一变量定义了一个默认值，那么在创建类的实例的时候可以不给这个变量赋值。可以参考 pos2 ，其中的 address 变量并没有在构造的时候赋值。

你也可以看出这个get_distance 方法的注解非常的清晰，方法本身就很好的表明了它的意义。

由于所有的编辑器都需要支持普通类，因此它的工具支持性是很有保证的。并且能够在调用的时候获取全部的有用信息。

1. 元组

元组是一种基本的 Python 数据类型。它的内存占用很低，因此我们可以通过索引非常快的寻址到所需的元素。元组的问题则是我们无法获知成员属性的名称，我们不得不记住每一个索引代表队属性。元组总是不可修改的。

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from typing import Tuple, Optional
pos1 = (49.0127913, 8.4231381, "Parkstraße 17")
pos2 = (42.1238762, 9.1649964, None)
def get_distance(p1: Tuple[float, float, Optional[str]],
                 p2: Tuple[float, float, Optional[str]]) -> float:
    pass

get_distance 方法的注解看起来非常的杂乱。开发者需要知道的信息是 p1 表示的是地点，而非这个地点信息包含着两个浮点数以及一个可选的字符串——这是编辑器需要做的工作。

编辑器的支持程度取决于你注解的透彻性。在上面的例子中，你也可以只写 Tuple 而省略掉指出这个元组所包含的内容。由于人们大多是比较懒惰的，我认为这里的编辑器支持做的不是很好。这不是编辑器的错，但是它因此经常无法提供较好的代码提示支持。

2. 字典

字典是 Python 的基本数据类型，并且可能是 Python 中最常见的传递数据的载体。与元组相比，字典由于要保存属性的名称，它的内存占用会大一些，但是这仍是可以接受的。通过索引来获取数据 很快 。字典总是可以修改的，不过有一个第三方的库 frozendict 可以解决字典可以被随意修改的问题。

from typing import Any, Dict
pos1 = {"longitude": 49.0127913,
        "latitude": 8.4231381,
        "address": "Parkstraße 17"}
pos2 = {"longitude": 42.1238762,
        "latitude": 9.1649964,
        "address": None}
def get_distance(p1: Dict[str, Any],
                 p2: Dict[str, Any]) -> float:
    pass

在实际中，注解确实很糟糕。通常来说几乎没有字典的注解，在大部分情况下的注解会是 Dict[str, Any] 。

TypedDict ( PEP 589 ) 自从 Python 3.8 一直存在，但是我从没在大型的项目中见到这样的写法。 TypedDict 是一个杀手级功能 ，但是这无关大多数的项目，我们希望在旧有的 Python 版本中也获得此功能支持。

基于上述的原因，字典的编辑器支持效果甚至比元组更差。

3. 命名元组

命名元组（ NamedTuples ） 在 Python 2.6 中被加入，索引此数据结构已经存在很久了。命名元组事实上也是元组，但是他们会有一个名称以及一个构造器，用来接受关键字参数：

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from collections import namedtuple

attribute_names = ["longitude", "latitude", "address"]
Position = namedtuple("Position", attribute_names, defaults=(None,))

pos1 = Position(49.0127913, 8.4231381, "Parkstraße 17")
pos2 = Position(42.1238762, 9.1649964)

def get_distance(p1: Position, p2: Position) -> float:
    pass

命名元组解决了类型声明注解难以阅读的问题。因此，它也解决了我上文中提到的编辑器支持不完全的问题。

有趣的是 NamedTuples 是不能感知到类型的：

>>> from collections import namedtuple
>>> Coordinates = namedtuple("Coordinates", ["x", "y"])
>>> BMI = namedtuple("BMI", ["weight", "size"])
>>> a = Coordinates(60, 170)
>>> b = BMI(60, 170)
>>> a
Coordinates(x=60, y=170)
>>> b
BMI(weight=60, size=170)
>>> a == b
True

4. attrs

attrs 是一个第三方的库，用来减少一些重复模板代码的编写。开发者可以在类上面添加一个 @attrs.s 装饰器来引入。属性则可以使用一个 attr.ib() 方法来赋值：

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from typing import Optional
import attr

@attr.s
class Position:
    longitude: float = attr.ib()
    latitude: float = attr.ib()
    address: Optional[str] = attr.ib(default=None)

    @longitude.validator
    def check_long(self, attribute, v):
        if not (-180 <= v <= 180):
            raise ValueError(f"Longitude was {v}, but must be in [-180, +180]")

    @latitude.validator
    def check_lat(self, attribute, v):
        if not (-90 <= v <= 90):
            raise ValueError(f"Latitude was {v}, but must be in [-90, +90]")

pos1 = Position(49.0127913, 8.4231381, "Parkstraße 17")
pos2 = Position(42.1238762, 9.1649964)


def get_distance(p1: Position, p2: Position) -> float:
    pass

通过把装饰器改成 @attr.s(frozen=True)来使这个类变得不可修改。

你也可以在构造器入参的时候自动执行代码。这被称为是 “转换”。

>>> @attr.s
... class C(object):
...     x = attr.ib(converter=int)
>>> o = C("1")
>>> o.x

Visual Studio Code 中对类型注解有很多的插件可以使用。

5. Dataclass

Dataclasses 在 PEP 557 中被加入 Python 3.7。它与 attrs 类似，但是被收录于标准库中。一个很重要的点是 dataclass 就是普通的类， 不过是其中保存大量的数据而已。

与 attrs 不同的是，dataclass 使用类型注解而非 attr.ib() 这样的注解。我认为这样大大提高了可读性。另外，由于现在对属性有了注解，编辑器的支持效果也更好了。

你可以很容易的利用装饰器 @dataclass(frozen=True) 使 dataclass 变成不可修改的——这与 attrs 类似。

from typing import Optional
from dataclasses import dataclass

@dataclass
class Position:
    longitude: float
    latitude: float
    address: Optional[str] = None
      
pos1 = Position(49.0127913, 8.4231381, "Parkstraße 17")
pos2 = Position(42.1238762, 9.1649964, None)

def get_distance(p1: Position, p2: Position) -> float:
    pass

这里我少说的一部分是属性的验证。可以在构造器中使用__post_init__(self)来实现：

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def __post_init__(self):
    if not (-180 <= self.longitude <= 180):
        v = self.longitude
        raise ValueError(f"Longitude was {v}, but must be in [-180, +180]")
    if not (-90 <= self.latitude <= 90):
        v = self.latitude
        raise ValueError(f"Latitude was {v}, but must be in [-90, +90]")

你也可以将 dataclass 和属性一起使用：

@dataclass
class Position:
    longitude: float
    latitude: float
    address: Optional[str] = None

    @property
    def latitude(self) -> float:
        """Getter for latitude."""
        return self._latitude

    @latitude.setter
    def latitude(self, latitude: float) -> None:
        """Setter for latitude."""
        if not (-90 <= latitude <= 90):
            raise ValueError(f"latitude was {latitude}, but has to be in [-90, 90]")
        self._latitude = latitude

    @property
    def longitude(self) -> float:
        """Getter for longitude."""
        return self._longitude

    @longitude.setter
    def longitude(self, longitude: float) -> None:
        """Setter for longitude."""
        if not (-180 <= longitude <= 180):
            raise ValueError(f"longitude was {longitude}, but has to be in [-180, 180]")
        self._longitude = longitude

但是，我不太喜欢这种超级冗长且丢失了许多 dataclass 独有魅力的手段。 如果你需要类型未涵盖的验证，请使用 Pydantic。

6. Pydantic

Pydantic 是一个专注于数据各实验组和设置管理的第三方库。要使用它，你可以继承自 pydantic.BaseModel 或者创建一个 Pydantic 的 dataclass：

from typing import Optional
from pydantic import validator
from pydantic.dataclasses import dataclass


@dataclass(frozen=True)
class Position:
    longitude: float
    latitude: float
    address: Optional[str] = None

    @validator("longitude")
    def longitude_value_range(cls, v):
        if not (-180 <= v <= 180):
            raise ValueError(f"Longitude was {v}, but must be in [-180, +180]")
        return v

    @validator("latitude")
    def latitude_value_range(cls, v):
        if not (-90 <= v <= 90):
            raise ValueError(f"Latitude was {v}, but must be in [-90, +90]")
        return v


pos1 = Position(49.0127913, 8.4231381, "Parkstraße 17")
pos2 = Position(longitude=42.1238762, latitude=9.1649964)


def get_distance(p1: Position, p2: Position) -> float:
    pass

乍一看，这与标准的 @dataclass 相同，只是从 Pydantic 获得了 dataclass 装饰器。
可变性和散列性

我不太会自觉地考虑可变性，但是在很多情况下，我希望我的类是不变的。最大的例外是数据库模型，但它们本身就是自洽的。

可以选择将类标记为冻结以使其对象不可变，这非常不错。

为一个可变对象实现 hash 是有问题的，因为当对象改变时哈希值可能会改变。这意味着如果对象在字典中，则字典将需要知道对象的哈希值已更改，并将其存储在其他位置。因此，默认情况下，dataclass 和 Pydantic 都不对可变类进行散列，因为他们有 unsafe_hash 。

默认字符串表示

拥有合理的字符串表示形式非常有帮助（例如，用于日志记录）。老实说：很多人都在进行 print 调试。

如果我们打印上面例子中的 pos1 ，下面是我们能得到的。为了方便阅读已经添加了换行和缩进。原始的输出是在一行内的：

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>>> print(pos1)

Plain class   : <__main__.Position object at 0x7f1562750640>
# 1 Tuples    : (49.0127913, 8.4231381, 'Parkstraße 17')
# 2 Dicts     : {'longitude': 49.0127913,
                 'latitude': 8.4231381,
                 'address': 'Parkstraße 17'}
# 3 NamedTuple: Position(longitude=49.0127913,
                         latitude=8.4231381,
                         address='Parkstraße 17')
# 4 attrs     : Position(longitude=49.0127913,
                         latitude=8.4231381,
                         address='Parkstraße 17')
# 5 dataclass : Position(longitude=49.0127913,
                         latitude=8.4231381,
                         address='Parkstraße 17')

可以看到从普通类创建的对象的字符串表示形式是无用的。元组看起来更好，但是它们没有指出哪个索引代表哪个属性。其余所有表示形式都很棒。它们很容易理解，甚至可以用来重新创建对象！
数据验证

现在我们已经了解了如何为普通类、attrs、dataclass 和 Pydantic 实现数据验证。但我们还并不清楚错误消息的样子。

接下来，我将新建一个 Position(1234, 567) ，里面的经度和纬度都是不正确的。下面是不同的数据结构触发的错误信息：

# Plain Class
ValueError: Longitude was 11111, but has to be in [-180, 180]

# 4: attr
ValueError: Longitude was 1234, but must be in [-180, +180]

# 5: dataclasses
(same as plain classes is possible)

# 6: Pydantic
pydantic.error_wrappers.ValidationError: 2 validation errors for Position
longitude
  Longitude was 1234.0, but must be in [-180, +180] (type=value_error)
latitude
  Latitude was 567.0, but must be in [-90, +90] (type=value_error)

我要指出的是这一点：Pydantic 非常清楚地为我们提供了所有错误。 普通的类和属性只会给我们返回第一个错误。

JSON 序列化

JSON 是在网络上交换数据的方式。GitLab API 也不例外。假设我们要拥有可以序列化为 JSON 的 Python 对象，以[获取单个合并分支请求]（ docs.gitlab.com/ee/api/merg… 在 Pydantic 中，就这么简单（删除了许多属性以提高可读性）：

from pydantic import BaseModel

class GitlabUser(BaseModel):
    id: int
    username: str

class GitlabMr(BaseModel):
    id: int
    squash: bool
    web_url: str
    title: str
    author: GitlabUser

mr = GitlabMr(
    id=1,
    squash=True,
    web_url="http://foo",
    title="title",
    author=GitlabUser(id=42, username="Joe"),
)
json_str = mr.json()
print(json_str)

这返回了：

{"id": 1, "squash": true, "web_url": "http://foo", "title": "title", "author": {"id": 42, "username": "Joe"}}

对于 dataclasses 而言， dataclasses.asdict 做了很多工作。然后，字典可以被直接序列化为 JSON。对于 DateTime 或者 小数 对象的结果会很有趣。 attrs 的结果也是 相似的 。

JSON 的反序列化

使用 JSON 字符串对嵌套类进行用户化对于 Pydantic 来说是很容易的。使用上面的示例，可以这么写：

mr = GitlabMr.parse_raw(json_str)

datatclass 的实现则很不优雅。对于 attrs 的反序列化 则看起来好一些，但我猜想它在嵌套结构方面也很困难。而且，当谈到 DateTime 或小数时，我敢肯定，两者都比 Pydantic 出现更多的问题。序列化，反序列化和验证是 Pydantic 的亮点。
内存占用

在 pos1 调用 getsize 方法可得：

Raw float    :   8 B ("double")
Raw string   :   1 B per char => 13B
Raw data     :  29 B = 8B + 8B + 13B

Float object :  24 B
Str object   :  86 B
3 objects    : 134 B = 24B + 24B + 86B

Native class : 286 B
#1 Tuple     : 198 B
#2 Dict      : 366 B
#3 NamedTuple: 198 B
#4 attrs     : 286 B
#5 dataclass : 286 B
#6 pydantic  : 442 B (the "dataclass" version)
#6 pydantic  : 801 B (the "BaseModel" version)

Pydantic 基本模型有相当大的开销，但是你始终必须明白的一点是，你将创建多少个这些对象？假设你有 100 个。它们中的每一个可能比更有效的替代方案多消耗 500B。 那将是 50kB。 引用 Donald Knuth ：

“过早的优化是万恶之源。”

如果内存占用出现了问题，那么你也不会从 Pydantic 切换到 dataclass 或 attrs，而是切换到更结构化的内容，例如 NumPy 数组或 pandas 的 DataFrames。
执行时间

在这种情况下，“执行时间”可能意味着多个时间之和：

  • 带有或不带有验证或转换的对象创建时间
  • 从 JSON 解析的时间
  • 解析一个字典结构的时间

我坚信 JSON 的解析时间在其余时间中占主导地位。

选择对应结构的时机

在你需要的时候选用：

Dict
NamedTuple
BaseModel

请注意，我没有提到元组和属性。我根本无法找到一个有效的用例，在该用例中，与其他选择相比，我更希望你使用它们。如果你有合适的例子，请告诉我。

我也没有提到普通类，如果我需要重写 __init__ 、__eq__ 、__str__ 、__repr__ 和 __hash__ 或者支持旧的 Python 版本的时候，我会选择使用它。

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