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Python 入门 —— 描述器

描述器

前面我们介绍了两种属性拦截的方式：特性（property）以及重载属性访问运算符，还有一种方式是通过描述器来拦截属性访问，特性只是一种特定类型的描述器的简化使用方式，而描述器也是由 __getattribute__ 函数调用。

描述器允许我们把特定属性的 get、set、del 操作指向独立的类对象方法，使对象能够自定义属性查找、存储和删除操作。

任何实现了：__get__、__set__、__delete__ 方法中的一种的类都可以称为描述器。

描述器的主要目的是提供一个挂钩，允许存储在类变量中的对象控制在属性查找期间发生的情况。

传统上，调用类控制查找过程中发生的事情。但描述器反转了这种关系，并允许正在被查询的数据对此进行干涉。

简单示例

class Name:"""Name descriptor doc"""def __get__(self, obj, objtype=None):print('get')return obj._namedef __set__(self, obj, value):print('set')obj._name = valuedef __delete__(self, obj):print('del')del obj._nameclass Person:name = Name()def __init__(self, name):self.name = nametom = Person('Tom')
# set
tom.name
# get
# 'Tom'
tom.name = 'Robert'
# set
tom.name
# get
# 'Robert'
vars(tom)
# {'_name': 'Robert'}
del tom.name
# del

虽然我们为 Person 定义了 name 属性，但是存储在 __dict__ 中的还是 _name（与 Name 描述符中使用的属性一致）。

注意：

必须将描述符赋值给一个类属性，如果赋值为实例属性，将无法工作，可以自己尝试一下。注意这三个方法的参数，obj 表示 Person 类实例对象，objtype 默认为 Person

定制名称

在上面的例子中，我们定义的描述符只能用于 _name 属性，但是一般我们所定义的描述符都希望其能够适用于更多的属性，这显然不符合我们实际的需求。

我们可以添加 __set_name__ 方法来记录字段名称，让每个描述符都有自己的公有属性和私有属性名称，例如

class Field:def __set_name__(self, owner, attr):self.public_name = attrself.private_name = '_' + attrdef __get__(self, obj, objtype=None):value = getattr(obj, self.private_name)print('Accessing', self.public_name)return valuedef __set__(self, obj, value):print('Updating', self.public_name, 'to', value)setattr(obj, self.private_name, value)class Person:name = Field()age = Field()def __init__(self, name, age):self.name = nameself.age = agetom = Person('Tom', 19)
# Updating name to Tom
# Updating age to 19
tom.name
# Accessing name
# 'Tom'
vars(tom)
# {'_name': 'Tom', '_age': 19}
tom._name
# 'Tom'
vars(vars(Person)['name'])
# {'public_name': 'name', 'private_name': '_name'}

其中 owner 是使用描述器的类，name 是分配给描述器的类变量名。

vars 函数只是查找属性并不会触发方法，访问私有属性也不会经过描述符。

只读属性

使用描述符来创建只读属性，光定义 __get__ 方法，而没有定义 __set__ 是不够的，例如

class TestDesc:def __get__(self, obj, obj_type=None):print('Get')class Test:t = TestDesc()a = Test()
a.t
# Get
vars(a)
# {}
a.t = 100
a.t
# 100
vars(a)
# {'t': 100}

对描述符属性赋值会将其覆盖，可以看到赋值后出现了一个常规的公开属性，要设置只读属性，要在 __set__ 方法中让赋值行为引发一个异常

class TestDesc:def __get__(self, obj, obj_type=None):print('Get')def __set__(self, obj, value):raise AttributeError("Con't set value!")class Test:t = TestDesc()a = Test()
a.t
# Get
a.t = 100
# AttributeError: Con't set value!

状态交互

描述符内也可以定义属性值，在 __get__ 和 __set__ 函数内也可以使用实例参数来获取包含描述符的类的属性值

class Money:def __init__(self, value):self.value = valuedef __get__(self, obj, obj_type=None):return self.value * getattr(obj, 'rate')def __set__(self, obj, value):self.value = valueclass Exchange:money = Money(1000)def __init__(self, rate):self.rate = rates = Exchange(0.567)
s.money
# 567.0
s.rate = 0.678
s.money
# 678.0

上面这段代码，属性 value 仅存在于描述符中，并不会与使用描述符的类中的属性有冲突。money 属性会随着 rate 值的变化自动计算出相应的值。

验证器类

验证器是一个用于托管属性访问的描述器。在存储任何数据之前，它会验证新值是否满足各种类型和范围限制。如果不满足这些限制，它将引发异常，从源头上防止数据损坏。

这一功能通常在前后端数据校验中比较常用，我们可以自己实现一个验证器。例如，我们定义一个抽象类，必须实现 validate 方法

from abc import ABC, abstractmethodclass Validator(ABC):def __set_name__(self, owner, name):self.private_name = '_' + namedef __get__(self, obj, objtype=None):return getattr(obj, self.private_name)def __set__(self, obj, value):self.validate(value)setattr(obj, self.private_name, value)@abstractmethoddef validate(self, value):pass

自定义验证器

我们可以对数据进行常见的几种校验，例如：

• OneOf：验证值是一组受约束的选项之一。

class OneOf(Validator):def __init__(self, *options):self.options = set(options)def validate(self, value):if value not in self.options:raise ValueError(f'Expected {value!r} to be one of {self.options!r}')

• Number：验证值是否为 int 或 float。根据可选参数，它还可以验证值在给定的最小值或最大值之间。

class Number(Validator):def __init__(self, minvalue=None, maxvalue=None):self.minvalue = minvalueself.maxvalue = maxvaluedef validate(self, value):if not isinstance(value, (int, float)):raise TypeError(f'Expected {value!r} to be an int or float')if self.minvalue is not None and value < self.minvalue:raise ValueError(f'Expected {value!r} to be at least {self.minvalue!r}')if self.maxvalue is not None and value > self.maxvalue:raise ValueError(f'Expected {value!r} to be no more than {self.maxvalue!r}')

• String：验证值是否为 str。根据可选参数，它可以验证给定的最小或最大长度，还可以验证用户定义的 predicate。

class String(Validator):def __init__(self, minsize=None, maxsize=None, predicate=None):self.minsize = minsizeself.maxsize = maxsizeself.predicate = predicatedef validate(self, value):if not isinstance(value, str):raise TypeError(f'Expected {value!r} to be an str')if self.minsize is not None and len(value) < self.minsize:raise ValueError(f'Expected {value!r} to be no smaller than {self.minsize!r}')if self.maxsize is not None and len(value) > self.maxsize:raise ValueError(f'Expected {value!r} to be no bigger than {self.maxsize!r}')if self.predicate is not None and not self.predicate(value):raise ValueError(f'Expected {self.predicate} to be true for {value!r}')

验证器的使用

我们定义一个类，包含三种带验证器的描述器属性

class Component:name = String(minsize=3, maxsize=10, predicate=str.isupper)kind = OneOf('wood', 'metal', 'plastic')quantity = Number(minvalue=0)def __init__(self, name, kind, quantity):self.name = nameself.kind = kindself.quantity = quantity

描述器会阻止错误实例的创建

Component('Widget', 'metal', 5)      # 'Widget' 不是全大写
# Traceback (most recent call last):
#     ...
# ValueError: Expected <method 'isupper' of 'str' objects> to be true for 'Widget'Component('WIDGET', 'metle', 5)      # 'metle' 不在取值范围
# Traceback (most recent call last):
#     ...
# ValueError: Expected 'metle' to be one of {'metal', 'plastic', 'wood'}Component('WIDGET', 'metal', -5)     # quantity 的值要大于等于 0
# Traceback (most recent call last):
#     ...
# ValueError: Expected -5 to be at least 0
Component('WIDGET', 'metal', 'V')    # quantity 不是数值
# Traceback (most recent call last):
#     ...
# TypeError: Expected 'V' to be an int or floatc = Component('WIDGET', 'metal', 5)  # 通过

对象关系映射

我们可以使用描述器来实现一个简单的对象关系映射（ORM）框架

其核心思路是将数据存储在外部数据库中，Python 实例仅持有数据库表中对应的的键，描述器负责对值进行查找或更新。

我们首先定义字段描述器

class Field:def __set_name__(self, owner, name):self.fetch = f'SELECT {name} FROM {owner.table} WHERE {owner.key}=?;'self.store = f'UPDATE {owner.table} SET {name}=? WHERE {owner.key}=?;'def __get__(self, obj, objtype=None):return conn.execute(self.fetch, [obj.key]).fetchone()[0]def __set__(self, obj, value):conn.execute(self.store, [value, obj.key])conn.commit()

然后用 Field 类来定义描述了数据库中每张表的模式（models）。

class Movie:table = 'Movies'                    # Table namekey = 'title'                       # Primary keydirector = Field()year = Field()def __init__(self, key):self.key = keyclass Song:table = 'Music'key = 'title'artist = Field()year = Field()genre = Field()def __init__(self, key):self.key = key

要使用模型，首先要创建一个数据库

def create_tables(conn):with conn:conn.execute('''CREATE TABLE IF NOT EXISTS Movies (title TEXT PRIMARY KEY,director TEXT,year INTEGER)''')conn.execute('''CREATE TABLE IF NOT EXISTS Music (title TEXT PRIMARY KEY,artist TEXT,year INTEGER,genre TEXT)''')def insert_movie(conn, title, director, year):with conn:conn.execute('''INSERT INTO Movies (title, director, year) VALUES (?, ?, ?)''', (title, director, year))def insert_song(conn, title, artist, year, genre):with conn:conn.execute('''INSERT INTO Music (title, artist, year, genre) VALUES (?, ?, ?, ?)''', (title, artist, year, genre))conn = sqlite3.connect('example.db')
create_tables(conn)insert_movie(conn, 'Inception', 'Christopher Nolan', 2010)
insert_movie(conn, 'The Matrix', 'Lana Wachowski, Lilly Wachowski', 1999)insert_song(conn, 'Bohemian Rhapsody', 'Queen', 1975, 'Rock')
insert_song(conn, 'Imagine', 'John Lennon', 1971, 'Pop')

从数据库中检索数据及对其进行更新

Movie('Inception').director
# 'Christopher Nolan'
mat = Movie('The Matrix')
f'Released in {mat.year} by {mat.director}'
# 'Released in 1999 by Lana Wachowski, Lilly Wachowski'Song('Imagine').artist
# 'John Lennon'Movie('Inception').director = 'Nolan'
Movie('Inception').director
# 'Nolan'

关闭数据库连接

conn.close()