Python学习笔记09-面向对象高级编程

__slots__属性

在python中class被实例化后仍然可以绑定新属性和方法，这就是动态语言的特性。

class Student(object):
    pass

>>> s = Student()
>>> s.name = 'Michael' # 动态给实例绑定一个属性
>>> print(s.name)
Michael
>>> def set_age(self, age): # 定义一个函数作为实例方法
...     self.age = age
...
>>> from types import MethodType
>>> s.set_age = MethodType(set_age, s) # 给实例绑定一个方法
>>> s.set_age(25) # 调用实例方法
>>> s.age # 测试结果
25

注意：给实例绑定的属性和方法，在其他实例中并不生效。

>>> s2 = Student() # 创建新的实例
>>> s2.set_age(25) # 尝试调用方法
Traceback (most recent call last):
  File "", line 1, in 
AttributeError: 'Student' object has no attribute 'set_age'

如果向class绑定的方法，则对于所有实例生效。

>>> def set_score(self, score):
...     self.score = score
...
>>> Student.set_score = set_score
>>> s.set_score(100)
>>> s.score
100
>>> s2.set_score(99)
>>> s2.score
99

正常情况下，成员方法可以直接在class中定义，但动态绑定允许我们在程序运行的过程中动态给class加上功能，这在静态语言中很难实现。
在类中使用__slots__属性可以限制向实例中动态绑定属性。

class Student(object):
    __slots__ = ('name', 'age') # 用tuple定义允许绑定的属性名称

>>> s = Student() # 创建新的实例
>>> s.name = 'Michael' # 绑定属性'name'
>>> s.age = 25 # 绑定属性'age'
>>> s.score = 99 # 绑定属性'score'
Traceback (most recent call last):
  File "", line 1, in 
AttributeError: 'Student' object has no attribute 'score'

使用__slots__要注意，__slots__定义的属性仅对当前类实例起作用，对继承的子类是不起作用的,除非在子类中也定义__slots__，这样，子类实例允许定义的属性就是自身的__slots__加上父类的__slots__。

@property特性

装饰器（decorator）可以给函数动态加上功能，同样装饰器也对类方法起作用，Python内置的@property装饰器就是负责把一个方法变成属性调用的：

class Student(object):

    @property
    def score(self):
        return self._score

    @score.setter
    def score(self, value):
        if not isinstance(value, int):
            raise ValueError('score must be an integer!')
        if value < 0 or value > 100:
            raise ValueError('score must between 0 ~ 100!')
        self._score = value


>>> s = Student()
>>> s.score = 60 # OK，实际转化为s.set_score(60)
>>> s.score # OK，实际转化为s.get_score()
60
>>> s.score = 9999
Traceback (most recent call last):
  ...
ValueError: score must between 0 ~ 100!

还可以通过装饰器定义只读属性，如下：

class Student(object):

    @property
    def birth(self):
        return self._birth

    @birth.setter
    def birth(self, value):
        self._birth = value

    @property
    def age(self):
        return 2015 - self._birth

只定义@property，不定义setter。

多重继承

python中多重继承写法如下：

class Dog(Mammal, Runnable):
    pass

MixIn

设计类的继承关系时，通常，主线都是单一继承下来的，但是，如果需要“混入”额外的功能，通过多重继承就可以实现，比如，让Ostrich除了继承自Bird外，再同时继承Runnable。这种设计通常称之为MixIn。一般通过在类名后面加上MixIn来定义一些额外功能的类，如Runnable可以定义为RunnableMixIn。
Python自带的很多库也使用了MixIn。举个例子，Python自带了TCPServer和UDPServer这两类网络服务，而要同时服务多个用户就必须使用多进程或多线程模型，这两种模型由ForkingMixIn和ThreadingMixIn提供。通过组合，我们就可以创造出合适的服务来。
比如，编写一个多进程模式的TCP服务，定义如下：

class MyTCPServer(TCPServer, ForkingMixIn):
    pass

如果你打算搞一个更先进的协程模型，可以编写一个CoroutineMixIn：

class MyTCPServer(TCPServer, CoroutineMixIn):
    pass

这样一来，我们不需要复杂而庞大的继承链，只要选择组合不同的类的功能，就可以快速构造出所需的子类。

定制类

上面有提到过__slots__ 和__len__()的用法，下面说一下其他特殊属性的用法。

__str__()

可以用__str__()方法来自定义print实例的输出：

#未定义__str__()之前
>>> class Student(object):
...     def __init__(self, name):
...         self.name = name
...
>>> print(Student('Michael'))
<__main__.Student object at 0x109afb190>
#定义__str__()之后
>>> class Student(object):
...     def __init__(self, name):
...         self.name = name
...     def __str__(self):
...         return 'Student object (name: %s)' % self.name
...
>>> print(Student('Michael'))
Student object (name: Michael)

__repr__()

__repr__()可以自定义直接输出变量的显示，用于代码调试，

#未定义__repr__()
>>> s = Student('Michael')
>>> s
<__main__.Student object at 0x109afb310>
#定义__repr__()
class Student(object):
    def __init__(self, name):
        self.name = name
    def __str__(self):
        return 'Student object (name=%s)' % self.name
    __repr__ = __str__

>>> s = Student('Michael')
>>> s
Student object (name: Michael)

__iter__()

如果一个类想被用于for ... in循环，类似list或tuple那样，就必须实现一个__iter__()方法，该方法返回一个迭代对象，然后，Python的for循环就会不断调用该迭代对象的__next__()方法拿到循环的下一个值，直到遇到StopIteration错误时退出循环。
我们以斐波那契数列为例，写一个Fib类，可以作用于for循环：

class Fib(object):
    def __init__(self):
        self.a, self.b = 0, 1 # 初始化两个计数器a，b

    def __iter__(self):
        return self # 实例本身就是迭代对象，故返回自己

    def __next__(self):
        self.a, self.b = self.b, self.a + self.b # 计算下一个值
        if self.a > 100000: # 退出循环的条件
            raise StopIteration()
        return self.a # 返回下一个值

>>> for n in Fib():
...     print(n)
...
1
1
2
3
5
...

__getitem__()

要表现得像list那样按照下标取出元素，需要实现__getitem__()方法：

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

>>> f = Fib()
>>> f[0]
1
>>> f[1]
1
>>> f[2]
2
>>> f[3]
3

实现切片功能，需要使getitem适配slice对象。

class Fib(object):
    def __getitem__(self, n):
        if isinstance(n, int): # n是索引
            a, b = 1, 1
            for x in range(n):
                a, b = b, a + b
            return a
        if isinstance(n, slice): # n是切片
            start = n.start
            stop = n.stop
            if start is None:
                start = 0
            a, b = 1, 1
            L = []
            for x in range(stop):
                if x >= start:
                    L.append(a)
                a, b = b, a + b
            return L

>>> f = Fib()
>>> f[0:5]
[1, 1, 2, 3, 5]
>>> f[:10]
[1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55]

但是没有对step参数作处理,也没有对负数作处理，所以，要正确实现一个__getitem__()还是有很多工作要做的。
与之对应的是__setitem__()方法，把对象视作list或dict来对集合赋值。最后，还有一个__delitem__()方法，用于删除某个元素。

__getattr__()

当访问一个实例中不存在的属性会报错，可以使用__getattr__()方法，避免报错：

class Student(object):

    def __init__(self):
        self.name = 'Michael'

>>> s = Student()
>>> print(s.name)
Michael
>>> print(s.score)
Traceback (most recent call last):
  ...
AttributeError: 'Student' object has no attribute 'score'
#定义__getattr__
class Student(object):

    def __init__(self):
        self.name = 'Michael'

    def __getattr__(self, attr):
        if attr=='score':
            return 99

>>> s = Student()
>>> s.name
'Michael'
>>> s.score
99

同样也可以返回函数：

class Student(object):

    def __getattr__(self, attr):
        if attr=='age':
            return lambda: 25
        raise AttributeError('\'Student\' object has no attribute \'%s\'' % attr)

__getattr__一个实用的例子：
现在很多网站都搞REST API，比如新浪微博、豆瓣啥的，调用API的URL类似：

• http://api.server/user/friends
• http://api.server/user/timeline/list

如果要写SDK，给每个URL对应的API都写一个方法，那得累死，而且，API一旦改动，SDK也要改。
利用完全动态的__getattr__，我们可以写出一个链式调用：

class Chain(object):

    def __init__(self, path=''):
        self._path = path

    def __getattr__(self, path):
        return Chain('%s/%s' % (self._path, path))

    def __str__(self):
        return self._path

    __repr__ = __str__

>>> Chain().status.user.timeline.list
'/status/user/timeline/list'

这样，无论API怎么变，SDK都可以根据URL实现完全动态的调用，而且，不随API的增加而改变！
还有些REST API会把参数放到URL中，比如GitHub的API：

GET /users/:user/repos

调用时，需要把:user替换为实际用户名。如果我们能写出这样的链式调用：

Chain().users('michael').repos

就可以非常方便地调用API了。有兴趣的童鞋可以试试写出来。这里没太搞懂，参见廖雪峰的官方网站了解详情。

__call__()

通过实例自身调用函数如下：

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

    def __call__(self):
        print('My name is %s.' % self.name)
#调用
>>> s = Student('Michael')
>>> s() # self参数不要传入
My name is Michael.

可以实用Callable判断对象是否可以被调用：

>>> callable(Student())
True
>>> callable(max)
True
>>> callable([1, 2, 3])
False
>>> callable(None)
False
>>> callable('str')
False

枚举类

枚举类型相信很多人在其他编程语言中都有接触过，下面就来介绍下python中的枚举类Enum如何实用：

from enum import Enum

Month = Enum('Month', ('Jan', 'Feb', 'Mar', 'Apr', 'May', 'Jun', 'Jul', 'Aug', 'Sep', 'Oct', 'Nov', 'Dec'))

for name, member in Month.__members__.items():
    print(name, '=>', member, ',', member.value)

输出如下：

Jan => Month.Jan , 1
Feb => Month.Feb , 2
Mar => Month.Mar , 3
Apr => Month.Apr , 4
May => Month.May , 5
Jun => Month.Jun , 6
Jul => Month.Jul , 7
Aug => Month.Aug , 8
Sep => Month.Sep , 9
Oct => Month.Oct , 10
Nov => Month.Nov , 11
Dec => Month.Dec , 12

value属性是自动赋值的，默认从1开始计数。
可以通过从Enum派生出用户自定义的类，如下：

from enum import Enum, unique

@unique
class Weekday(Enum):
    Sun = 0 # Sun的value被设定为0
    Mon = 1
    Tue = 2
    Wed = 3
    Thu = 4
    Fri = 5
    Sat = 6

@unique装饰器可以帮助我们保证枚举成员唯一。
枚举类型的使用方法：

>>> day1 = Weekday.Mon
>>> print(day1)
Weekday.Mon
>>> print(Weekday.Tue)
Weekday.Tue
>>> print(Weekday['Tue'])
Weekday.Tue
>>> print(Weekday.Tue.value)
2
>>> print(day1 == Weekday.Mon)
True
>>> print(day1 == Weekday.Tue)
False
>>> print(Weekday(1))
Weekday.Mon
>>> print(day1 == Weekday(1))
True
>>> Weekday(7)
Traceback (most recent call last):
  ...
ValueError: 7 is not a valid Weekday
>>> for name, member in Weekday.__members__.items():
...     print(name, '=>', member)
...
Sun => Weekday.Sun
Mon => Weekday.Mon
Tue => Weekday.Tue
Wed => Weekday.Wed
Thu => Weekday.Thu
Fri => Weekday.Fri
Sat => Weekday.Sat

元类

动态语言的特性就是在运行的过程当中定义类和函数，而不像静态语言是在编译时定义的类和函数。下面讲一下如何使用type()函数定义一个类。我们可以通过type()函数创建出Hello类，而无需通过class Hello(object)...的定义：

>>> def fn(self, name='world'): # 先定义函数
...     print('Hello, %s.' % name)
...
>>> Hello = type('Hello', (object,), dict(hello=fn)) # 创建Hello class
>>> h = Hello()
>>> h.hello()
Hello, world.
>>> print(type(Hello))

>>> print(type(h))

要创建一个class对象，type()函数依次传入3个参数：

• class的名称；
• 继承的父类集合，注意Python支持多重继承，如果只有一个父类，别忘了tuple的单元素写法；
• class的方法名称与函数绑定，这里我们把函数fn绑定到方法名hello上。

通过type()函数创建的类和直接写class是完全一样的，因为Python解释器遇到class定义时，仅仅是扫描一下class定义的语法，然后调用type()函数创建出class。
动态语言本身支持运行期动态创建类，这和静态语言有非常大的不同，要在静态语言运行期创建类，必须构造源代码字符串再调用编译器，或者借助一些工具生成字节码实现，本质上都是动态编译，会非常复杂。

metaclass

关于metaclass的使用方法有些复杂，metaclase一般在ORM（Object Relational Mapping对象-关系映射）框架实现时使用，ORM就是把关系数据库的一行映射为一个对象，也就是一个类对应一个表，这样，写代码更简单，不用直接操作SQL语句。详细内容请参考廖雪峰官方网站。