Python中各种方法的运作原理解析

这篇文章主要介绍了深入理解Python中各种方法的运作原理,包括抽象方法和静态方法和类方法等之间异同的比较,需要的朋友可以参考下

方法在Python中是如何工作的

方法就是一个函数，它作为一个类属性而存在，你可以用如下方式来声明、访问一个函数：

? 1 2 3 4 5 6 7 8 >>> class Pizza(object): ... def __init__(self, size): ... self.size = size ... def get_size(self): ... return self.size ... >>> Pizza.get_size <unbound method Pizza.get_size>

Python在告诉你，属性_get_size是类Pizza的一个未绑定方法。这是什么意思呢？很快我们就会知道答案：

? 1 2 3 4 >>> Pizza.get_size() Traceback (most recent call last): File "<stdin>", line 1, in <module> TypeError: unbound method get_size() must be called with Pizza instance as first argument (got nothing instead)

我们不能这么调用，因为它还没有绑定到Pizza类的任何实例上，它需要一个实例作为第一个参数传递进去（Python2必须是该类的实例，Python3中可以是任何东西），尝试一下：

? 1 >>> Pizza.get_size(Pizza(42))

太棒了，现在用一个实例作为它的的第一个参数来调用，整个世界都清静了，如果我说这种调用方式还不是最方便的，你也会这么认为的；没错，现在每次调用这个方法的时候我们都不得不引用这个类，如果不知道哪个类是我们的对象，长期看来这种方式是行不通的。

那么Python为我们做了什么呢，它绑定了所有来自类_Pizza的方法以及该类的任何一个实例的方法。也就意味着现在属性get_size是Pizza的一个实例对象的绑定方法，这个方法的第一个参数就是该实例本身。

? 1 2 3 4 >>> Pizza(42).get_size <bound method Pizza.get_size of <__main__.Pizza object at 0x7f3138827910>> >>> Pizza(42).get_size() 42

和我们预期的一样，现在不再需要提供任何参数给_get_size，因为它已经是绑定的，它的self参数会自动地设置给Pizza实例，下面代码是最好的证明：

? 1 2 3 >>> m = Pizza(42).get_size >>> m() 42

更有甚者，你都没必要使用持有Pizza对象的引用了，因为该方法已经绑定到了这个对象，所以这个方法对它自己来说是已经足够了。

也许，如果你想知道这个绑定的方法是绑定在哪个对象上，下面这种手段就能得知：

? 1 2 3 4 5 6 7 8 >>> m = Pizza(42).get_size >>> m.__self__ <__main__.Pizza object at 0x7f3138827910> >>> # You could guess, look at this: ... >>> m == m.__self__.get_size True

显然，该对象仍然有一个引用存在，只要你愿意你还是可以把它找回来。

在Python3中，依附在类上的函数不再当作是未绑定的方法，而是把它当作一个简单地函数，如果有必要它会绑定到一个对象身上去，原则依然和Python2保持一致，但是模块更简洁：

? 1 2 3 4 5 6 7 8 >>> class Pizza(object): ... def __init__(self, size): ... self.size = size ... def get_size(self): ... return self.size ... >>> Pizza.get_size <function Pizza.get_size at 0x7f307f984dd0>

静态方法

静态方法是一类特殊的方法，有时你可能需要写一个属于这个类的方法，但是这些代码完全不会使用到实例对象本身，例如：

? 1 2 3 4 5 6 7 class Pizza(object): @staticmethod def mix_ingredients(x, y): return x + y def cook(self): return self.mix_ingredients(self.cheese, self.vegetables)

这个例子中，如果把_mix_ingredients作为非静态方法同样可以运行，但是它要提供self参数，而这个参数在方法中根本不会被使用到。这里的@staticmethod装饰器可以给我们带来一些好处：

Python不再需要为Pizza对象实例初始化一个绑定方法，绑定方法同样是对象，但是创建他们需要成本，而静态方法就可以避免这些。

? 1 2 3 4 5 6 >>> Pizza().cook is Pizza().cook False >>> Pizza().mix_ingredients is Pizza.mix_ingredients True >>> Pizza().mix_ingredients is Pizza().mix_ingredients True

可读性更好的代码，看到@staticmethod我们就知道这个方法并不需要依赖对象本身的状态。
可以在子类中被覆盖，如果是把mix_ingredients作为模块的顶层函数，那么继承自Pizza的子类就没法改变pizza的mix_ingredients了如果不覆盖cook的话。

类方法

话虽如此，什么是类方法呢？类方法不是绑定到对象上，而是绑定在类上的方法。

? 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 >>> class Pizza(object): ... radius = 42 ... @classmethod ... def get_radius(cls): ... return cls.radius ... >>> >>> Pizza.get_radius <bound method type.get_radius of <class '__main__.Pizza'>> >>> Pizza().get_radius <bound method type.get_radius of <class '__main__.Pizza'>> >>> Pizza.get_radius is Pizza().get_radius True >>> Pizza.get_radius() 42

无论你用哪种方式访问这个方法，它总是绑定到了这个类身上，它的第一个参数是这个类本身（记住：类也是对象）。

什么时候使用这种方法呢？类方法通常在以下两种场景是非常有用的：

工厂方法：它用于创建类的实例，例如一些预处理。如果使用@staticmethod代替，那我们不得不硬编码Pizza类名在函数中，这使得任何继承Pizza的类都不能使用我们这个工厂方法给它自己用。

? 1 2 3 4 5 6 7 class Pizza(object): def __init__(self, ingredients): self.ingredients = ingredients @classmethod def from_fridge(cls, fridge): return cls(fridge.get_cheese() + fridge.get_vegetables())

调用静态类：如果你把一个静态方法拆分成多个静态方法，除非你使用类方法，否则你还是得硬编码类名。使用这种方式声明方法，Pizza类名明永远都不会在被直接引用，继承和方法覆盖都可以完美的工作。

? 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 class Pizza(object): def __init__(self, radius, height): self.radius = radius self.height = height @staticmethod def compute_area(radius): return math.pi * (radius ** 2) @classmethod def compute_volume(cls, height, radius): return height * cls.compute_area(radius) def get_volume(self): return self.compute_volume(self.height, self.radius)

抽象方法

抽象方法是定义在基类中的一种方法，它没有提供任何实现，类似于Java中接口(Interface)里面的方法。

在Python中实现抽象方法最简单地方式是：

? 1 2 3 class Pizza(object): def get_radius(self): raise NotImplementedError

任何继承自_Pizza的类必须覆盖实现方法get_radius，否则会抛出异常。

这种抽象方法的实现有它的弊端，如果你写一个类继承Pizza，但是忘记实现get_radius，异常只有在你真正使用的时候才会抛出来。

? 1 2 3 4 5 6 7 >>> Pizza() <__main__.Pizza object at 0x7fb747353d90> >>> Pizza().get_radius() Traceback (most recent call last): File "<stdin>", line 1, in <module> File "<stdin>", line 3, in get_radius NotImplementedError

还有一种方式可以让错误更早的触发，使用Python提供的abc模块，对象被初始化之后就可以抛出异常：

? 1 2 3 4 5 6 7 8 9 import abc class basePizza(object): __metaclass__ = abc.ABCmeta @abc.abstractmethod def get_radius(self): """Method that should do something."""

使用abc后，当你尝试初始化basePizza或者任何子类的时候立马就会得到一个TypeError，而无需等到真正调用get_radius的时候才发现异常。

? 1 2 3 4 >>> basePizza() Traceback (most recent call last): File "<stdin>", line 1, in <module> TypeError: Can't instantiate abstract class basePizza with abstract methods get_radius

混合静态方法、类方法、抽象方法

当你开始构建类和继承结构时，混合使用这些装饰器的时候到了，所以这里列出了一些技巧。

记住，声明一个抽象的方法，不会固定方法的原型，这就意味着虽然你必须实现它，但是我可以用任何参数列表来实现：

? 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 import abc class basePizza(object): __metaclass__ = abc.ABCmeta @abc.abstractmethod def get_ingredients(self): """Returns the ingredient list.""" class Calzone(basePizza): def get_ingredients(self, with_egg=False): egg = Egg() if with_egg else None return self.ingredients + egg

这样是允许的，因为Calzone满足basePizza对象所定义的接口需求。同样我们也可以用一个类方法或静态方法来实现：

? 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 import abc class basePizza(object): __metaclass__ = abc.ABCmeta @abc.abstractmethod def get_ingredients(self): """Returns the ingredient list.""" class DietPizza(basePizza): @staticmethod def get_ingredients(): return None

这同样是正确的,因为它遵循抽象类basePizza设定的契约。事实上get_ingredients方法并不需要知道返回结果是什么，结果是实现细节，不是契约条件。

因此，你不能强制抽象方法的实现是一个常规方法、或者是类方法还是静态方法，也没什么可争论的。从Python3开始（在Python2中不能如你期待的运行，见issue5867），在abstractmethod方法上面使用@staticmethod和@classmethod装饰器成为可能。

? 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 import abc class basePizza(object): __metaclass__ = abc.ABCmeta ingredient = ['cheese'] @classmethod @abc.abstractmethod def get_ingredients(cls): """Returns the ingredient list.""" return cls.ingredients

别误会了，如果你认为它会强制子类作为一个类方法来实现get_ingredients那你就错了，它仅仅表示你实现的get_ingredients在basePizza中是一个类方法。

可以在抽象方法中做代码的实现？没错，Python与Java接口中的方法相反，你可以在抽象方法编写实现代码通过super()来调用它。（译注：在Java8中，接口也提供的默认方法，允许在接口中写方法的实现）

? 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 import abc class basePizza(object): __metaclass__ = abc.ABCmeta default_ingredients = ['cheese'] @classmethod @abc.abstractmethod def get_ingredients(cls): """Returns the ingredient list.""" return cls.default_ingredients class DietPizza(basePizza): def get_ingredients(self): return ['egg'] + super(DietPizza, self).get_ingredients()

这个例子中，你构建的每个pizza都通过继承basePizza的方式，你不得不覆盖get_ingredients方法，但是能够使用默认机制通过super()来获取ingredient列表。