如何在Python中正确使用static、class、abstract方法

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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:

>>> class Pizza(object):
...     def __init__(self, size):
...         self.size = size
...     def get_size(self):
...         return self.size
...
>>> 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:

>>> Pizza.get_size()
Traceback (most recent call last):
  File "", line 1, in 
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,Python中可以是任何东西),尝试一下:

>>> Pizza.get_size(Pizza(42))
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_sizePizza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。

>>> Pizza(42).get_size
<bound method Pizza.get_size of >
>>> 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:

>>> 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:

>>> m = Pizza(42).get_size
>>> m.__self__

>>> # 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:

>>> class Pizza(object):
...     def __init__(self, size):
...         self.size = size
...     def get_size(self):
...         return self.size
...
>>> Pizza.get_size

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:

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。

    >>> 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。

>>> class Pizza(object):
...     radius = 42
...     @classmethod
...     def get_radius(cls):
...         return cls.radius
... 
>>> 
>>> Pizza.get_radius
<bound method type.get_radius of >
>>> Pizza().get_radius
<bound method type.get_radius of >
>>> 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。

    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。

    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:

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。

>>> Pizza()

>>> Pizza().get_radius()
Traceback (most recent call last):
  File "", line 1, in 
  File "", 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:

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。

>>> BasePizza()
Traceback (most recent call last):
  File "", line 1, in 
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,不要凝固方法的原型,这就意味着你必须实现它,但是我可以用任何参数列表来实现:

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:

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@classmethod装饰器成为可能。

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_ingredientsBasePizza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)

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。

下面关于Python的文章您也可能喜欢,不妨看看:

Python:在指定目录下查找满足条件的文件  http://www.linuxidc.com/Linux/2015-08/121283.htm

Python2.7.7源码分析  http://www.linuxidc.com/Linux/2015-08/121168.htm

无需操作系统直接运行 Python 代码  http://www.linuxidc.com/Linux/2015-05/117357.htm

CentOS上源码安装Python3.4  http://www.linuxidc.com/Linux/2015-01/111870.htm

《Python核心编程 第二版》.(Wesley J. Chun ).[高清PDF中文版] http://www.linuxidc.com/Linux/2013-06/85425.htm

《Python开发技术详解》.( 周伟,宗杰).[高清PDF扫描版+随书视频+代码] http://www.linuxidc.com/Linux/2013-11/92693.htm

Python脚本获取Linux系统信息 http://www.linuxidc.com/Linux/2013-08/88531.htm

Ubuntu下用Python搭建桌面算法交易研究环境 http://www.linuxidc.com/Linux/2013-11/92534.htm

Python 语言的发展简史 http://www.linuxidc.com/Linux/2014-09/107206.htm

Python 的详细介绍请点这里
Python 的下载地址请点这里

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