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Python类与对象实例详解

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Python

1.如何派生内置不可变类型并修其改实例化行为

问题1：我们想定义一种新类型的元组，对于传入的可迭代对象，我们只保留其中int类型且值大于0的元素，例如：IntTuple([1,-1,'abc',6,['x','y'],3])==>(1,6,3),要求IntTuple是内置tuple的子类，如何实现？

解决方案：定义类IntTuple继承tuple,并实现new,修改实例化行为

new方法接受的参数虽然也是和init一样，但init是在类实例创建之后调用，而 new方法正是创建这个类实例的方法。new方法会返回所构造的对象，init则不会，在使用new返回对象的时候会隐式调用init函数。new函数必须以cls作为第一个参数，而init则以self作为其第一个参数

class IntTuple(tuple):
    def __new__(cls, iterable):
        g = (x for x in iterable if isinstance(x,int) and x > 0)
        return super(IntTuple, cls).__new__(cls,g)

    def __init__(self, iterable):
        return super(IntTuple,self).__init__(iterable)

t = IntTuple([1,-1,'abc',6,['x','y'],3])
print t

输出：
(1, 6, 3)

2.如何为创建大量实例节省内存

问题2：某网络游戏中，定义了玩家类Player(id,name,status,...),每有一个在线玩家,服务器内部则有一个Player的实例,当在线人数很多时,将产生大量实例,如何降低这些大量实例的内存开销

解决方案：定义类的slots属性,它是用来声明实例属性名字的列表

class Player(object):
    def __init__(self,uid,name,status=0,level=1):
        self.uid = uid
        self.name = name
        self.status = status
        self.level = level

class Player2(object):
    __slots__ = ['uid', 'name', 'status', 'level']
    def __init__(self,uid,name,status=0,level=1):
        self.uid = uid
        self.name = name
        self.status = status
        self.level = level

p1 = Player('0001',"Jim")
p2 = Player2('0001',"jim")

print dir(p1)
print '\n'
print dir(p2)
print '\n'
print set(dir(p1)) -set(dir(p2))

输出：

['__class__', '__delattr__', '__dict__', '__doc__', '__format__', '__getattribute__', '__hash__', '__init__', '__module__', '__new__', '__reduce__', '__reduce_ex__', '__repr__', '__setattr__', '__sizeof__', '__str__', '__subclasshook__', '__weakref__', 'level', 'name', 'status', 'uid']

['__class__', '__delattr__', '__doc__', '__format__', '__getattribute__', '__hash__', '__init__', '__module__', '__new__', '__reduce__', '__reduce_ex__', '__repr__', '__setattr__', '__sizeof__', '__slots__', '__str__', '__subclasshook__', 'level', 'name', 'status', 'uid']

set(['__dict__', '__weakref__'])

# 可以看到使用__slots__属性的类，比正常的少了__dict__,即不可以动态绑定属性，但是也减少了内存消耗，因为__dict__使用会占用内存

3.如何让对象支持上下文管理

问题3：实现了一个telnet客户端的类TelnetClient,调用实例的start()方法启动客户端与服务器交互,交互完毕后需要调用cleanup方法关闭已连接的socket,以及将操作历史记录写入文件并关闭，能否让TelnetClient的实例支持上下文管理协议,从而替代手工调用cleanup()方法

from telnetlib import Telnet
from sys import stdin, stdout
from collections import deque

class TelnetClient(object):
    def __init__(self, addr, port=23):
        self.addr = addr
        self.port = port
        self.tn = None

    def start(self):
        self.tn = Telnet(self.addr, self.port)
        self.history = deque()

        # user
        t = self.tn.read_until('login: ')
        stdout.write(t)
        user = stdin.readline()
        self.tn.write(user)

        # password
        t = self.tn.read_until('Password: ')
        if t.startswith(user[::-1]):
            t = t[len(user) + 1:]
        stdout.write(t)
        self.tn.write(stdin.readline())

        t = self.tn.read_until('$ ')
        stdout.write(t)
        while True:
            uinput = stdin.readline()
            if not uinput:
                break
            self.history.append(uinput)
            self.tn.write(uinput)
            t = self.tn.read_until('$ ')
            stdout.write(t[len(user) + 1:])

    def cleanup(self):
        self.tn.close()
        self.tn = None
        with open(self.addr + '_history.txt', 'w') as f:
            f.writelines(self.history)

client = TelnetClient('127.0.0.1')
print '\nstart'
client.start()
print '\ncleanup'
client.cleanup()

执行Python文件，输入用户名，密码登录telnet服务器，然后输入命令进行测试，然后ctrl + D退出，发现此时会生成127.0.0.1_history.txt文件，里面记录了操作的历史命令

解决方案：

实现上下文管理协议,需定义实例的enter,exit方法，它们分别在with开始和结束时被调用

from telnetlib import Telnet
from sys import stdin, stdout
from collections import deque

class TelnetClient(object):
    def __init__(self, addr, port=23):
        self.addr = addr
        self.port = port
        self.tn = None

    def start(self):
        # user
        t = self.tn.read_until('login: ')
        stdout.write(t)
        user = stdin.readline()
        self.tn.write(user)

        # password
        t = self.tn.read_until('Password: ')
        if t.startswith(user[::-1]):
            t = t[len(user) + 1:]
        stdout.write(t)
        self.tn.write(stdin.readline())

        t = self.tn.read_until('$ ')
        stdout.write(t)
        while True:
            uinput = stdin.readline()
            if not uinput:
                break
            self.history.append(uinput)
            self.tn.write(uinput)
            t = self.tn.read_until('$ ')
            stdout.write(t[len(user) + 1:])

    def __enter__(self):
        self.tn = Telnet(self.addr, self.port)
        self.history = deque()
        return self

    def __exit__(self, exc_type, exc_val, exc_tb):
        self.tn.close()
        self.tn = None
        with open(self.addr + '_history.txt', 'w') as f:
            f.writelines(self.history)

# with TelnetClient('127.0.0.1') as client的对象是 __enter__方法return返回的对象，当start()方法抛出异常时，仍然会执行__exit__里面的方法
with TelnetClient('127.0.0.1') as client:
    client.start()

4.如何创建可管理的对象属性

问题4：在面向对象编程中,我们把方法看做对象的接口,直接访问对象的属性可能是不安全的,或设计上不够灵活,但是使用调用方法在形式上不如访问属性简洁,能否在形式上是属性访问,但实际上调用方法?

解决方案：使用内置的property函数,Python内置的@property装饰器就是负责把一个方法变成属性调用

from math import pi

class Circle(object):
    def __init__(self, radius):
        self.radius = radius

    def getRadius(self):
        return self.radius

    def setRadius(self, value):
        if not isinstance(value, (int, long, float)):
            raise ValueError('wrong type')
        self.radius = float(value)

    def getArea(self):
        return self.radius ** 2 * pi

    R = property(getRadius, setRadius)

c = Circle(3.2)
# 得到getRadius方法里的值
print c.R
# 使用setRadius设置值
c.R = 5.9
print c.R

输出：
3.2
5.9

5.如何让类支持比较操作

问题5：有时我们希望自定义的类,实例间可以使用<,<=,>,>=,!=符号进行比较,我们自定义比较的行为,例如有个矩形的类,我们希望比较两个矩形的实例时,比较的是它们的面积

解决方案：比较符号运算符重载,需要实现以下方法lt和le和gt和eq和ne

使用标准库下的functools下的类装饰器total_ording 可以简化此过程

使用total_ordering装饰器的时候,类里面需要定义eq和大于gt或小于lt的一个方法

from functools import total_ordering

@total_ordering
class Rectangle(object):
    def __init__(self, w, h):
        self.w = w
        self.h = h

    def area(self):
        return self.w * self.h

    def __lt__(self, obj):
        return self.area() < obj.area()

    def __eq__(self, obj):
        return self.area() == obj.area()

r1 = Rectangle(5, 3)
r2 = Rectangle(4, 4)
print r1 < r2

输出：
True

两个类的实例化进行比较,两个类里要有共同的方法area,都是比较面积

from functools import total_ordering

@total_ordering
class Rectangle(object):
    def __init__(self, w, h):
        self.w = w
        self.h = h

    def area(self):
        return self.w * self.h

    def __lt__(self, obj):
        return self.area() < obj.area()

    def __eq__(self, obj):
        return self.area() == obj.area()

class Circle(object):
    def __init__(self, r):
        self.r = r

    def area(self):
        return self.r ** 2 * 3.14

r1 = Rectangle(5, 3)
r2 = Rectangle(4, 4)
c1 = Circle(3)
print r1 < c1

输出:
True

使用抽象基类的方式来进行比较两个类

from functools import total_ordering
from abc import ABCMeta, abstractmethod

@total_ordering
class Shape(object):
    @abstractmethod
    def area(self):
        pass

    def __lt__(self, obj):
        if not isinstance(obj, Shape):
            raise TypeError('obj is not shape')
        return self.area() < obj.area()

    def __eq__(self, obj):
        return self.area() == obj.area()

class Rectangle(Shape):
    def __init__(self, w, h):
        self.w = w
        self.h = h

    def area(self):
        return self.w * self.h

class Circle(Shape):
    def __init__(self, r):
        self.r = r

    def area(self):
        return self.r ** 2 * 3.14

r1 = Rectangle(5, 3)
r2 = Rectangle(4, 4)
c1 = Circle(3)
print c1 >= r1

输出:
True

6.如何使用描述符对实例属性做类型检查

问题6: 在某项目中我们实现了一些类,并希望能像静态类型语言那样(C,C++,Java)对它们的实例属性做类型检查

p = Person()
p.name = 'bob' # 必须是str
p.age = 18     # 必须是int
p.height = 1.83 # 必须是float

要求:
可以对实例变量名指定类型,赋予不正确类型时抛出异常

解决方案：使用描述符来实现需要类型检查的属性,分别实现get和set和delete方法,在set内使用isinstance函数做类型检查


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

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

    def __set__(self, instance, value):
        if not isinstance(value, self.type_):
            raise TypeError('expected an %s' % self.type_)
        instance.__dict__[self.name] = value

    def __delete__(self, instance):
        del instance.__dict__[self.name]

class Person(object):
    name = Attr('name', str)
    age = Attr('age', int)
    height = Attr('height', float)

p = Person()
p.name = 'Bob'
print p.name
# 由于age定义的类型是int,故传递str会报错
p.age = '18'

输出：

Bob
Traceback (most recent call last):
  File "/home/yangyang/train/shuxing.py", line 28, in <module>
    p.age = '18'
  File "/home/yangyang/train/shuxing.py", line 13, in __set__
    raise TypeError('expected an %s' % self.type_)
TypeError: expected an <type 'int'>

7.如何在环状数据结构中管理内存

问题7：在python中,垃圾回收器通过引用计数来回收垃圾对象,但某些环状结构存在对象间的循环引用,比如树的父节点引用子节点,子节点也同时引用父节点.此时同时del掉引用父子节点,两个对象不能被立即回收.如何解决此类的内存管理问题?

解决方案：使用标准库weakref,它可以创建一种能访问对象但不增加引用计数的对象

引用计数例子：

In [1]: class A(object):
   ...:     def __del__(self):
   ...:         print 'in A.__del__'
   ...:         

In [2]: a = A()

In [3]: import sys
# 查看A()的引用计数，用sys.getrefcount()函数,比期望值多1
In [4]: sys.getrefcount(a)
Out[4]: 2

In [5]: a = 5
in A.__del__

循环引用例子：

class Data(object):
    def __init__(self, owner, value):
        # 这里引用了Node,因为Node引用的时候传入了自身
        self.owner = owner
        self.value = value

    def __str__(self):
        return "%s's data, value is %s" % (self.owner, self.value)

    def __del__(self):
        print "in Data.__del__"

class Node(object):
    def __init__(self, value):
        # 这里引用了Data
        self.data = Data(value, self)

    def __del__(self):
        print "in Node.__del__"

node = Node(100)
del node
raw_input("wait....")

输出:
wait

解决循环引用例子

import weakref

class Data(object):
    def __init__(self, value, owner):
        self.value = value
        self.owner = weakref.ref(owner)

    def __str__(self):
        return "%s's data, value is %s" % (self.owner(), self.value)

    def __del__(self):
        print "in Data.__del__"

class Node(object):
    def __init__(self, value):
        self.data = Data(value, self)

    def __del__(self):
        print "in Node.__del__"

node = Node(100)
del node
raw_input("wait....")

输出：

in Node.__del__
in Data.__del__
wait....

8.如何通过实例方法名字的字符串调用方法

问题8：某项目中，我们的代码使用了三个不同库中的图形类，Circle, Triangle,Rectangle,它们都有一个获取图形面积的方法,但方法名字不同,我们可以实现一个统一的获取面积的函数,使用每种方法名进行尝试,调用相应类的接口

解决方案：

方法一：使用内置函数getattr,通过名字在实例上获取方法对象,然后调用

方法二：使用标准库下operator下的methodcaller函数调用

# test.py

from lib1 import Circle
from lib2 import Triangle
from lib3 import Rectangle

def getArea(shape):
    for name in ('area', 'getArea', 'get_area'):
        f = getattr(shape, name, None)
        if f:
            return f()

shape1 = Circle(2)
shape2 = Triangle(3, 4, 5)
shape3 = Rectangle(6, 4)

shapes = [shape1, shape2, shape3]

print map(getArea, shapes)

输出：
[12.56, 6.0, 24]

#lib1.py

class Circle(object):
    def __init__(self, r):
        self.r = r

    def area(self):
        return self.r ** 2 * 3.14

# lib2.py

class Triangle(object):
    def __init__(self, a, b, c):
        self.a = a
        self.b = b
        self.c =c

    def getArea(self):
        a, b, c = self.a, self.b, self.c
        p = (a + b + c)/2
        area = (p * (p - a) * (p - b) * (p - c)) ** 0.5
        return area

# lib3.py

class Rectangle(object):
    def __init__(self, w, h):
        self.w = w
        self.h = h

    def get_area(self):
        return self.w * self.h

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