學(xué)習(xí) Python 這么久了，說起 Python 的優(yōu)雅之處，能讓我脫口而出的， Descriptor（描述符）特性可以排得上號。

描述符 是Python 語言獨有的特性，它不僅在應(yīng)用層使用，在語言語法糖的實現(xiàn)上也有使用到（在下面的文章會一一介紹）。

當(dāng)你點進這篇文章時

• 你也許沒學(xué)過描述符，甚至沒聽過描述符。
• 或者你對描述符只是一知半解

無論你是哪種，本篇都將帶你全面的學(xué)習(xí)描述符，一起來感受 Python 語言的優(yōu)雅。

1. 為什么要使用描述符？

假想你正在給學(xué)校寫一個成績管理系統(tǒng)，并沒有太多編碼經(jīng)驗的你，可能會這樣子寫。

class Student:
    def __init__(self, name, math, chinese, english):
        self.name = name
        self.math = math
        self.chinese = chinese
        self.english = english

    def __repr__(self):
        return "< Student: {}, math:{}, chinese: {}, english:{} >".format(
                self.name, self.math, self.chinese, self.english
            )

看起來一切都很合理

>> > std1 = Student('小明', 76, 87, 68)
 >> > std1
< Student: 小明, math:76, chinese: 87, english:68 >

但是程序并不像人那么智能，不會自動根據(jù)使用場景判斷數(shù)據(jù)的合法性，如果老師在錄入成績的時候，不小心錄入了將成績錄成了負(fù)數(shù)，或者超過100，程序是無法感知的。

聰明的你，馬上在代碼中加入了判斷邏輯。

class Student:
    def __init__(self, name, math, chinese, english):
        self.name = name
        if 0 <= math <= 100:
            self.math = math
        else:
            raise ValueError("Valid value must be in [0, 100]")
        
        if 0 <= chinese <= 100:
            self.chinese = chinese
        else:
            raise ValueError("Valid value must be in [0, 100]")
      
        if 0 <= chinese <= 100:
            self.english = english
        else:
            raise ValueError("Valid value must be in [0, 100]")
        

    def __repr__(self):
        return "< Student: {}, math:{}, chinese: {}, english:{} >".format(
                self.name, self.math, self.chinese, self.english
            )

這下程序稍微有點人工智能了，能夠自己明辨是非了。

程序是智能了，但在__init__里有太多的判斷邏輯，很影響代碼的可讀性。巧的是，你剛好學(xué)過 Property 特性，可以很好的應(yīng)用在這里。于是你將代碼修改成如下，代碼的可讀性瞬間提升了不少

class Student:
    def __init__(self, name, math, chinese, english):
        self.name = name
        self.math = math
        self.chinese = chinese
        self.english = english

    @property
    def math(self):
        return self._math

    @math.setter
    def math(self, value):
        if 0 <= value <= 100:
            self._math = value
        else:
            raise ValueError("Valid value must be in [0, 100]")

    @property
    def chinese(self):
        return self._chinese

    @chinese.setter
    def chinese(self, value):
        if 0 <= value <= 100:
            self._chinese = value
        else:
            raise ValueError("Valid value must be in [0, 100]")

    @property
    def english(self):
        return self._english

    @english.setter
    def english(self, value):
        if 0 <= value <= 100:
            self._english = value
        else:
            raise ValueError("Valid value must be in [0, 100]")

    def __repr__(self):
        return "< Student: {}, math:{}, chinese: {}, english:{} >".format(
                self.name, self.math, self.chinese, self.english
            )

程序還是一樣的人工智能，非常好。

你以為你寫的代碼，已經(jīng)非常優(yōu)秀，無懈可擊了。

沒想到，人外有天，你的主管看了你的代碼后，深深地嘆了口氣：類里的三個屬性，math、chinese、english，都使用了 Property 對屬性的合法性進行了有效控制。功能上，沒有問題，但就是太啰嗦了，三個變量的合法性邏輯都是一樣的，只要大于0，小于100 就可以，代碼重復(fù)率太高了，這里三個成績還好，但假設(shè)還有地理、生物、歷史、化學(xué)等十幾門的成績呢，這代碼簡直沒法忍。去了解一下 Python 的描述符吧。

經(jīng)過主管的指點，你知道了「描述符」這個東西。懷著一顆敬畏之心，你去搜索了下關(guān)于 描述符的用法。

其實也很簡單，一個實現(xiàn)了 描述符協(xié)議 的類就是一個描述符。

什么描述符協(xié)議：在類里實現(xiàn)了 __get__()、__set__()、__delete__() 其中至少一個方法。

• __get__：用于訪問屬性。它返回屬性的值，若屬性不存在、不合法等都可以拋出對應(yīng)的異常。
• __set__：將在屬性分配操作中調(diào)用。不會返回任何內(nèi)容。
• __delete__：控制刪除操作。不會返回內(nèi)容。

對描述符有了大概的了解后，你開始重寫上面的方法。

如前所述，Score 類是一個描述符，當(dāng)從 Student 的實例訪問 math、chinese、english這三個屬性的時候，都會經(jīng)過 Score 類里的三個特殊的方法。這里的 Score 避免了 使用Property 出現(xiàn)大量的代碼無法復(fù)用的尷尬。

class Score:
    def __init__(self, default=0):
        self._score = default

    def __set__(self, instance, value):
        if not isinstance(value, int):
            raise TypeError('Score must be integer')
        if not 0 <= value <= 100:
            raise ValueError('Valid value must be in [0, 100]')

        self._score = value

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

    def __delete__(self):
        del self._score
        
class Student:
    math = Score(0)
    chinese = Score(0)
    english = Score(0)

    def __init__(self, name, math, chinese, english):
        self.name = name
        self.math = math
        self.chinese = chinese
        self.english = english


    def __repr__(self):
        return "< Student: {}, math:{}, chinese: {}, english:{} >".format(
                self.name, self.math, self.chinese, self.english
            )

實現(xiàn)的效果和前面的一樣，可以對數(shù)據(jù)的合法性進行有效控制（字段類型、數(shù)值區(qū)間等）

以上，我舉了下具體的實例，從最原始的編碼風(fēng)格到 Property ，最后引出描述符。由淺入深，一步一步帶你感受到描述符的優(yōu)雅之處。

到這里，你需要記住的只有一點，就是描述符給我們帶來的編碼上的便利，它在實現(xiàn) 保護屬性不受修改、屬性類型檢查 的基本功能，同時有大大提高代碼的復(fù)用率。

2. 描述符的訪問規(guī)則

描述符分兩種：

• 數(shù)據(jù)描述符：實現(xiàn)了__get__ 和 __set__ 兩種方法的描述符
• 非數(shù)據(jù)描述符：只實現(xiàn)了__get__ 一種方法的描述符

你一定會問，他們有什么區(qū)別呢？網(wǎng)上的講解，我看過幾個，很多都把一個簡單的東西講得復(fù)雜了。

其實就一句話， 數(shù)據(jù)描述器和非數(shù)據(jù)描述器的區(qū)別在于：它們相對于實例的字典的優(yōu)先級不同 。

如果實例字典中有與描述符同名的屬性，如果描述符是數(shù)據(jù)描述符，優(yōu)先使用數(shù)據(jù)描述符，如果是非數(shù)據(jù)描述符，優(yōu)先使用字典中的屬性。

這邊還是以上節(jié)的成績管理的例子來說明，方便你理解。

# 數(shù)據(jù)描述符
class DataDes:
    def __init__(self, default=0):
        self._score = default

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

    def __get__(self, instance, owner):
        print("訪問數(shù)據(jù)描述符里的 __get__")
        return self._score

# 非數(shù)據(jù)描述符
class NoDataDes:
    def __init__(self, default=0):
        self._score = default

    def __get__(self, instance, owner):
        print("訪問非數(shù)據(jù)描述符里的 __get__")
        return self._score


class Student:
    math = DataDes(0)
    chinese = NoDataDes(0)

    def __init__(self, name, math, chinese):
        self.name = name
        self.math = math
        self.chinese = chinese
        
    def __getattribute__(self, item):
        print("調(diào)用 __getattribute__")
        return super(Student, self).__getattribute__(item)
     
    def __repr__(self):
        return "< Student: {}, math:{}, chinese: {}, >".format(
                self.name, self.math, self.chinese)

需要注意的是，math 是數(shù)據(jù)描述符，而 chinese 是非數(shù)據(jù)描述符。從下面的驗證中，可以看出，當(dāng)實例屬性和數(shù)據(jù)描述符同名時，會優(yōu)先訪問數(shù)據(jù)描述符（如下面的math），而當(dāng)實例屬性和非數(shù)據(jù)描述符同名時，會優(yōu)先訪問實例屬性（__getattribute__）

>> > std = Student('xm', 88, 99)
 >> > 
 >> > std.math
調(diào)用 __getattribute__
訪問數(shù)據(jù)描述符里的 __get__
88
 >> > std.chinese
調(diào)用 __getattribute__
99

講完了數(shù)據(jù)描述符和非數(shù)據(jù)描述符，我們還需要了解的對象屬性的查找規(guī)律。

當(dāng)我們對一個實例屬性進行訪問時，Python 會按 obj.__dict__ → type(obj).__dict__ → type(obj)的父類.__dict__ 順序進行查找，如果查找到目標(biāo)屬性并發(fā)現(xiàn)是一個描述符，Python 會調(diào)用描述符協(xié)議來改變默認(rèn)的控制行為。

3. 基于描述符如何實現(xiàn)property

經(jīng)過上面的講解，我們已經(jīng)知道如何定義描述符，且明白了描述符是如何工作的。

正常人所見過的描述符的用法就是上面提到的那些，我想說的是那只是描述符協(xié)議最常見的應(yīng)用之一，或許你還不知道，其實有很多 Python 的特性的底層實現(xiàn)機制都是基于 描述符協(xié)議 的，比如我們熟悉的@property 、@classmethod 、@staticmethod 和 super 等。

先來說說 property 吧。

有了前面的基礎(chǔ)，我們知道了 property 的基本用法。這里我直接切入主題，從第一篇的例子里精簡了一下。

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

    @property
    def math(self):
        return self._math

    @math.setter
    def math(self, value):
        if 0 <= value <= 100:
            self._math = value
        else:
            raise ValueError("Valid value must be in [0, 100]")

不防再簡單回顧一下它的用法，通過property裝飾的函數(shù)，如例子中的 math 會變成 Student 實例的屬性。而對 math 屬性賦值會進入 使用 math.setter 裝飾函數(shù)的邏輯代碼塊。

為什么說 property 底層是基于描述符協(xié)議的呢？通過 PyCharm 點擊進入 property 的源碼，很可惜，只是一份類似文檔一樣的偽源碼，并沒有其具體的實現(xiàn)邏輯。

不過，從這份偽源碼的魔法函數(shù)結(jié)構(gòu)組成，可以大體知道其實現(xiàn)邏輯。

這里我自己通過模仿其函數(shù)結(jié)構(gòu)，結(jié)合「描述符協(xié)議」來自己實現(xiàn)類 property 特性。

代碼如下：

class TestProperty(object):

    def __init__(self, fget=None, fset=None, fdel=None, doc=None):
        self.fget = fget
        self.fset = fset
        self.fdel = fdel
        self.__doc__ = doc

    def __get__(self, obj, objtype=None):
        print("in __get__")
        if obj is None:
            return self
        if self.fget is None:
            raise AttributeError
        return self.fget(obj)

    def __set__(self, obj, value):
        print("in __set__")
        if self.fset is None:
            raise AttributeError
        self.fset(obj, value)

    def __delete__(self, obj):
        print("in __delete__")
        if self.fdel is None:
            raise AttributeError
        self.fdel(obj)


    def getter(self, fget):
        print("in getter")
        return type(self)(fget, self.fset, self.fdel, self.__doc__)

    def setter(self, fset):
        print("in setter")
        return type(self)(self.fget, fset, self.fdel, self.__doc__)

    def deleter(self, fdel):
        print("in deleter")
        return type(self)(self.fget, self.fset, fdel, self.__doc__)

然后 Student 類，我們也相應(yīng)改成如下

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

    # 其實只有這里改變
    @TestProperty
    def math(self):
        return self._math

    @math.setter
    def math(self, value):
        if 0 <= value <= 100:
            self._math = value
        else:
            raise ValueError("Valid value must be in [0, 100]")

為了盡量讓你少產(chǎn)生一點疑惑，我這里做兩點說明：

1. 使用TestProperty裝飾后，math 不再是一個函數(shù)，而是TestProperty 類的一個實例。所以第二個math函數(shù)可以使用 math.setter 來裝飾，本質(zhì)是調(diào)用TestProperty.setter 來產(chǎn)生一個新的 TestProperty 實例賦值給第二個math。
2. 第一個 math 和第二個 math 是兩個不同 TestProperty 實例。但他們都屬于同一個描述符類（TestProperty），當(dāng)對 math 對于賦值時，就會進入 TestProperty.__set__，當(dāng)對math 進行取值里，就會進入 TestProperty.__get__。仔細(xì)一看，其實最終訪問的還是Student實例的 _math 屬性。

說了這么多，還是運行一下，更加直觀一點。

# 運行后，會直接打印這一行，這是在實例化 TestProperty 并賦值給第二個math
in setter
 >> >
 >> > s1.math = 90
in __set__
 >> > s1.math
in __get__
90

對于以上理解 property 的運行原理有困難的同學(xué)，請務(wù)必參照我上面寫的兩點說明。如有其他疑問，可以加微信與我進行探討。

4. 基于描述符如何實現(xiàn)staticmethod

說完了 property ，這里再來講講 @classmethod 和 @staticmethod 的實現(xiàn)原理。

我這里定義了一個類，用了兩種方式來實現(xiàn)靜態(tài)方法。

class Test:
    @staticmethod
    def myfunc():
        print("hello")

# 上下兩種寫法等價

class Test:
    def myfunc():
        print("hello")
    # 重點：這就是描述符的體現(xiàn)
    myfunc = staticmethod(myfunc)

這兩種寫法是等價的，就好像在 property 一樣，其實以下兩種寫法也是等價的。

@TestProperty
def math(self):
    return self._math
  
math = TestProperty(fget=math)

話題還是轉(zhuǎn)回到 staticmethod 這邊來吧。

由上面的注釋，可以看出 staticmethod 其實就相當(dāng)于一個描述符類，而myfunc 在此刻變成了一個描述符。關(guān)于 staticmethod 的實現(xiàn)，你可以參照下面這段我自己寫的代碼，加以理解。

調(diào)用這個方法可以知道，每調(diào)用一次，它都會經(jīng)過描述符類的 __get__ 。

>> > Test.myfunc()
in staticmethod __get__
hello
 >> > Test().myfunc()
in staticmethod __get__
hello

5. 基于描述符如何實現(xiàn)classmethod

同樣的 classmethod 也是一樣。

class classmethod(object):
    def __init__(self, f):
        self.f = f

    def __get__(self, instance, owner=None):
        print("in classmethod __get__")
        
        def newfunc(*args):
            return self.f(owner, *args)
        return newfunc

class Test:
    def myfunc(cls):
        print("hello")
        
    # 重點：這就是描述符的體現(xiàn)
    myfunc = classmethod(myfunc)

驗證結(jié)果如下

>> > Test.myfunc()
in classmethod __get__
hello
 >> > Test().myfunc()
in classmethod __get__
hello

講完了 property、staticmethod和classmethod 與 描述符的關(guān)系。我想你應(yīng)該對描述符在 Python 中的應(yīng)用有了更深的理解。對于 super 的實現(xiàn)原理，就交由你來自己完成。

6. 所有實例共享描述符

通過以上內(nèi)容的學(xué)習(xí)，你是不是覺得自己已經(jīng)對描述符足夠了解了呢？

可在這里，我想說以上的描述符代碼都有問題。

問題在哪里呢？請看下面這個例子。

class Score:
    def __init__(self, default=0):
        self._value = default

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

    def __set__(self, instance, value):
        if 0 <= value <= 100:
            self._value = value
        else:
            raise ValueError


class Student:
    math = Score(0)
    chinese = Score(0)
    english = Score(0)

    def __repr__(self):
        return "< Student math:{}, chinese:{}, english:{} >".format(self.math, self.chinese, self.english)

Student 里沒有像前面那樣寫了構(gòu)造函數(shù)，但是關(guān)鍵不在這兒，沒寫只是因為沒必要寫。

然后來看一下會出現(xiàn)什么樣的問題呢

>> > std1 = Student()
 >> > std1
< Student math:0, chinese:0, english:0 >
 >> > std1.math = 85
 >> > std1
< Student math:85, chinese:0, english:0 >
 >> > std2 = Student()
 >> > std2 # std2 居然共享了std1 的屬性值
< Student math:85, chinese:0, english:0 >
 >> > std2.math = 100
 >> > std1 # std2 也會改變std1 的屬性值
< Student math:100, chinese:0, english:0 >

從結(jié)果上來看，std2 居然共享了 std1 的屬性值，只要其中一個實例的變量發(fā)生改變，另一個實例的變量也會跟著改變。

探其根因，是由于此時 math，chinese，english 三個全部是類變量，導(dǎo)致 std2 和 std1 在訪問 math，chinese，english 這三個變量時，其實都是訪問類變量。

問題是不是來了？小明和小強的分?jǐn)?shù)怎么可能是綁定的呢？這很明顯與實際業(yè)務(wù)不符。

使用描述符給我們制造了便利，卻無形中給我們帶來了麻煩，難道這也是描述符的特性嗎？

描述符是個很好用的特性，會出現(xiàn)這個問題，是由于我們之前寫的描述符代碼都是錯誤的。

描述符的機制，在我看來，只是搶占了訪問順序，而具體的邏輯卻要因地制宜，視情況而定。

如果要把 math，chinese，english 這三個變量變成實例之間相互隔離的屬性，應(yīng)該這么寫。

class Score:
    def __init__(self, subject):
        self.name = subject

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

    def __set__(self, instance, value):
        if 0 <= value <= 100:
            instance.__dict__[self.name] = value
        else:
            raise ValueError


class Student:
    math = Score("math")
    chinese = Score("chinese")
    english = Score("english")

    def __init__(self, math, chinese, english):
        self.math = math
        self.chinese = chinese
        self.english = english

    def __repr__(self):
        return "< Student math:{}, chinese:{}, english:{} >".format(self.math, self.chinese, self.english)

引導(dǎo)程序邏輯進入描述符之后，不管你是獲取屬性，還是設(shè)置屬性，都是直接作用于 instance 的。

這段代碼，你可以仔細(xì)和前面的對比一下。

不難看出：

• 之前的錯誤代碼，更像是把描述符當(dāng)做了存儲節(jié)點。
• 之后的正確代碼，則是把描述符直接當(dāng)做代理，本身不存儲值。

以上便是我對描述符的全部分享，希望能對你有所幫助。