面向对象编程之对象行为与特殊方法

python中的对象通常根据它们的行为和实现的功能进行分类。例如，所有序列类型都分在一组，如字符串，列表和元组，就是因为它们都支持一组相同的序列操作，如s[n], len[s]等。

所有基本的解释器操作都通过特殊的对象方法来实现。这些特殊方法的名称前后始终都带有双下划线"__"。当程序执行时，这些方法都由解释器自动触发。

例如，操作x+y被映射为内部方法x.__add__(y), 而索引操作x[k]被映射为x.__getitem__(k)。

每种数据类型的行为完全取决于它实现的一组特殊方法。

一、对象的创建与销毁

下表中的方法分别用于创建、初始化和销毁实例。

• 调用__new__()类方法可以创建实例。
• __init__()方法用于初始化对象的属性，在创建新对象后将立即调用。
• 需要销毁对象时调用__del__()方法，只有该对象不再使用时才能调用该方法。需要注意的是，语句del x 只会减少一个对象的引用计数，而不会调用该函数。

__new__()和__init__()方法用于创建和实例化新实例。调用A(args)创建对象时，会将其转换为以下步骤：

x = A.__new__(A, args)
is isinstance(x, A) : x.__init__(args)

在用户定义的对象中，很少定义__new__()或__del__()方法。__new__()方法通常只定义在元类或继承自不可变类类型之一(整数、字符串、元组等)的用户定义对象中。__del__()方法只在有某种关键资源管理问题的情况下才会定义，如释放锁定或关闭连接。

二、对象字符串的表示

以下对象表示的特殊方法用于创建一个对象的各种字符串表示：

__repr__()和__str__()方法用于创建对象的简单字符串表示。__repr__()方法通常返回一个表达式字符串，可对该字符串求值以重新创建对象。该方法还负责创建在交互式解释器中检查变量时看到的输出值，其调用者是内置的repr()函数。下面给出了一个使用repr()和eval()的例子：

a = [2, 3, 4, 5]    # 创建一个列表
s = repr(a)         # s = '[2, 3, 4, 5]'
b = eval(s)         # 将s变成一个列表

注: eval() 函数用来执行一个字符串表达式，并返回表达式的值。

如果无法创建字符串表达式，传统做法是让__repr__()方法返回一个<…message…>形式的字符串，例如：

__str__()方法的调用者是内置str()函数和打印相关的函数。它与__repr__()方法的区别在于，它返回的字符串更加简明易懂。如果该方法未定义，就会调用__repr__()方法。

__format__()方法的调用者是format()函数或字符串的format()方法。format_spec参数是包含了格式规范的字符串。该字符串与format()方法和format_spec参数相同。例如：

format(x, 'spec')           # 调用x.__format__('spec')
'x is {0:spec}'.format(x)   # 调用x.__format__('spec')

三、对象比较与排序

下表中的方法可以执行对象的简单测试。

• __bool__()
  用于真值测试，返回值是True或者False。如果该方法未定义，python将调用__len__()方法来确定对象的真值。

• __hash__()
  此方法定义在要用作字典中键的对象上。如果两个对象比较厚相等，作为返回值的整数也应该完全相同。另外，可变对象不应定义该方法，因为对一个对象所做的任何改动都将改变散列值，从而在后续的字典查找中无法定位对象。

对象可以实现一个或多个关系运算符(<, >, <=, >=, !=)。这些方法均带有两个参数，而且支持返回任意类型的对象，包括布尔值、列表或任意其他python类型。例如，数字包可能使用该方法对两个矩阵的元素进行比较，返回的结果也是矩阵形式。如果无法进行比较，这些函数也会引发异常。

用于比较的方法:

对象不必实现表中的所有操作。然而，如果要使用==比较对象或者使用对象作为字典值，应该定义__eq__()方法。如果要对对象进行排序或者使用诸如min()或max()之类的函数，必须要定义__lt__()方法。

四、类型检查

下表中的方法可用于重新定义类型检查函数 isinstance()和issubclass()的行为。这些方法最常见的应用是定义抽象的基类和接口。

五、属性访问

下表中的方法分别使用.运算符和del运算符去读、写和删除对象的属性。

访问对象时始终会调用__getattribute__()方法。如果找到属性则返回之，否则调用__getattr__()方法。__getattr__()方法的默认行为是引发AttributeError异常。设置属性时始终会调用__setattr__()方法，而删除属性时始终会调用__delattr__()方法。

六、属性包装和描述符

属性操作有时候使用一个额外逻辑层来包装对象的属性，同时该逻辑层可以与获取、设置、删除操作进行交互。完成此类包装的方法是创建一个描述符对象来实现下表中的一个或多个方法。描述符是可选的，极少情况下才需要定义。

描述符的__get__()、__set__()和__delete__()方法用于和类与类型的__getattribute__(), __setattr__(),__delattr__()方法进行交互。如果在用户自定义类的主体中放入一个描述符对象的实例，这种交互就会发生。在这种情况下，对于描述符属性的所有访问都将显式地调用描述符对象本身的相应方法。描述符一般用于实现对象系统的底层功能，包括绑定和非绑定方法、类方法、静态方法和特性。

七、序列与映射方法

如果对象要模拟序列和映射对象的行为，那么就要用到下表中的方法：

例如：

a = [1, 2, 3, 4, 5, 6]
len(a)          # a.__len__()
x = a[2]        # x = a.__getitem__(2)
a[1] = 7        # a.__setitem__(1, 7)
del a[2]        # a.__delitem__(2)
5 in a          # a.__contains__(5)

内置的len()函数调用__len__()方法，返回一个非负的长度值。该函数还用于确定真值，除非已经定义了__bool__()方法。

为了操作单个项，__getitem__()方法可根据键值返回项目。这里的键可以是任意python对象，但对于序列而言通常为整数。__setitem__()方法用于给元素赋值。__delitem__()方法在对单个元素进行del操作时调用。__contains__()方法用于实现in运算符。

切片运算(如x = s[i:j])也使用__getitem()__, __setitem__()和__delitem__()方法来实现。但给切片传递的键是一个特殊的slice对象。该对象拥有可描述所请求切片范围的属性，例如:

a = [1, 2, 3, 4, 5, 6]
x = a[1:5]              # x = a.__getitem__(slice(1, 5, None))
a[1:3] = [10, 11, 12]   # a.__setitem__(slice(1, 3, None), [10, 11, 12])
del a[1:4]              # a.__delitem__(slice(1, 4, None))

python的切片功能实际上比很多程序员认为的更加强大。例如，它支持以下扩展切片的变体，在处理像矩阵和数组这样的多维数据结构时可能非常有用：

a = m[0:100:10]             # 带步长的切片，步长=10
b = m[1:10, 3:20]           # 多维切片
c = m[0:100:10, 50:75:5]    # 带步长的多维切片
m[0:5, 5:10] = n            # 扩展切片分配
del m[:10, 15:]             # 扩展切片删除

扩展切片每个维度的一般格式为i:j[:stride], stride是可选的。和普通切片一样，可以省略切片每个部分的开始或结束值。另外，省略号（写为…)可用于表示扩展切片中结束或开始的任意维数。

a = m[..., 10:20]           # 使用Ellipsis对象访问扩展切片
m[10:20, ...] = n

使用扩展切片时，__getitem__(), __setitem__(), __delitem__()方法分别用于实现访问，修改和删除操作。然而，传递给这些方法的值是一个包含slice或Ellipsis对象组合的元组，而非整数，例如：

a = m[0:10, 0:100:5, ...]

调用__getitem__()方法的方式如下：

a = m.__getitem__((slice(0, 10, None), slice(0, 100, 5), Ellipsis))

python字符串、元组和列表目前对扩展切片提供一些支持，特殊目的的python扩展，特别是带有科学意味的扩展，可以提供新的类型和对象，从而为扩展切片操作提供高级支持。

八、迭代

如果对象obj支持迭代，它必须提供方法obj.__iter__()，该方法返回一个迭代器对象。而迭代器对象iter必须实现一个方法iter.next(), python3中为iter.__next__()， 该方法返回下一个对象，或者在迭代结束时引发StopIteration异常。这两个方法均由for语句的实现和显式执行迭代的其他操作使用。

例如， 语句 for x in s 执行的步骤等同于以下代码:

_iter = s.__iter__()
while True:
    try:
        x = _iter.__next__()
    except StopIteration:
        break
    # 在for循环体内执行的语句
    ...

九、数学操作

下表列出了对象在模拟数字时必须实现的特殊方法。数学操作根据优先规则从左至右进行求值。执行表达式x+y时，解释器会试着调用方法x.__add__(y)。以字母r开头的特殊方法支持以反向的操作数进行运算，它们只在左操作数没有实现指定操作时被调用。例如，如果表达式x+y中的x不支持__add__()方法，解释器就会试着调用y.__radd__(x)。

十、可调用接口

对象通过提供__call__(self[, *args[, **kwargs]])方法可以模拟函数的行为。如果一个对象x提供了该方法，就可以像函数一样调用它。也就是,x(arg1, arg2, …)等同于调用x.__call__(self, arg1, arg2, …)。模拟函数的对象可以用于创建仿函数（functor）或代理（proxy）。下面是一个简单的例子：

class DistanceFrom():
    def __init__(self, origin):
        self.origin = origin

    def __call__(self, x):
        return abs(x - self.origin)

nums = [1, 37, 42, 101, 13, 9, -20]
nums.sort(key=DistanceFrom(10))         # 按照与10的距离进行排序

在这个例子中，DistanceFrom类创建的实例模拟了一个单参数函数。这些实例可用于代替普通的函数，例如本例中对于sort()的调用。

十一、上下文管理协议

with语句支持在另一个称为上下文管理器的对象的控制下执行一系列语句。它的语法如下：

with context [as var]:
    statements

其中context对象需要实现下表中所列的方法。

执行with语句时，就会调用__enter__()方法。该方法的返回值将被放入由可选的as var说明符指定的变量中。只要控制流离开with语句相关的语句块，就会立即调用__exit__()方法。__exit__()方法接收当前异常的类型、值和跟踪作为参数。如果没有要处理的错误，所有3个值都将被置为None。

十二、对象检查与dir()

dir()函数通常用于检查对象。实现__dir__(self)方法后，对象就可以使用dir()返回名称列表。定义该方法可以更加方便地隐藏不想让用户直接访问的对象内部细节。但要记住，用户仍然可以检查实例和类的底层__dir__属性，从而了解所有内容是否已定义。

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