Python面向对象编程04-类与实例的方法

类方法和静态方法

实例方法

在第一节中，便已经介绍过实例方法。实例方法需要有一个实例才能调用，而这个实例是通过第一个通常名为 self 的参数表示的，因此借助该参数可以在定义方法时就去操作一个抽象的实例对象。例如，假设有一个这样的类和实例的定义：

class C:

def method(self, arg):

print(self, arg)

c = C()

那么可以使用这样的方式通过实例调用该方法，实例对象将会自动作为第一个位置参数传入：

c.method(arg=...)

许多编程语言在方法内部，对实例的引用是通过 this 关键字完成的；而 Python 则与之不同，实例的引用是通过显式的参数传递的。这样做的好处在于，一是通过显式定义来强调默认定义的方法是实例方法，二是也可以把方法当做第一个参数是实例的函数一样调用：

C.method(c, arg=...)

例如，多个字符串连接默认是通过字符串的 .join() 方法实现，这里调用该方法的字符串实例将被插入被连接的字符串之间：

'||'.join(['a', 'b', 'c'])

# 'a||b||c'

如果觉得用被插入的字符串去调用该方法比较奇怪，也可以通过 str 类调用该方法，并将被插入的字符串作为第一个位置参数主动传入：

str.join('||', ['a', 'b', 'c'])

因此，实例方法的实质就是一个函数，只不过它的主要用途是处理实例。Python 允许实例方法可以直接由实例调用，使得调用的表示更加简洁。

类方法

与实例方法相对应的是类方法。类方法是类本身具有的方法，它可以在不需要实例的情况下使用类本身来调用。

Python 中类方法和实例方法相似，但是它需要传入一个名为 cls 的参数，用来代表这个类本身（同样，这个名字不必是 cls ，可以是 typ 或 Lei 等）。但是为了与实例方法区分，类方法在定义时需要使用 @classmethod 装饰器。

因此，一个完整的类方法的定义为：

    @classmethod

    def method_name(cls, ...):

        ...

类方法有几种比较常见的应用场景。首先是构造前交互，有些时候需要在实例化前做一些准备，例如一个代表数据库的类，可以通过类方法读取配置文件并连接到数据库中，这样随后对实例的操作可以实时反映到对数据库的更新中。由于读取配置文件这种操作需要在得到任意一个实例之前完成，因此可以借助类方法实现。

类方法还可以用于以别的方式构建实例。例如，datetime 是一个用于处理日期与时间的标准库，其中 date 是一个用于表示日期的类。如果要通过该类生成一个具体的日期，在初始化时需要传入代表年、月、日的参数：

>>> from datetime import date
>>> date(2023, 3, 19)
datetime.date(2023, 3, 19)

但有些时候，拿到的信息可能未必包含年月日，它可能是具有特定格式的表示时间的字符串，还有可能是浮点型的时间戳。此时，可以使用 date 类提供的类方法使用这几种信息构造一个日期实例：

>>> date.fromisoformat('2023-03-19')  # python3.7+
datetime.date(2023, 3, 19)
>>> date.fromtimestamp(time.time())
datetime.date(2023, 3, 19)

仿照这种思路，可以为之前自定义的 Point 类编写一个类方法来通过格式字符串构造实例：

class Point:

def __init__(self, x, y):

self.x, self.y = x, y

@classmethod

def from_format(cls, format):

x, y = format[1:-1].split(',')

return cls(int(x), int(y)) # same as Point(...)

注意，这里的参数 cls 在调用时会替换为 Point ，因此调用 cls(...) 等价于类的实例化 Point(...)

使用这个类方法可以返回一个实例，就像正常方式得到的实例一样可以调用各种方法：

p = Point.from_format('(10,40)')

p.distance_to_origin() # returns 41.23

从技术上说，也可以用一个普通函数来构造实例。但使用类方法的好处在于，一是使用者容易明白构造出的实例是属于哪个类的，二是当类被重命名后类方法无需跟着修改，降低了因为疏忽导致错误的可能性。

这里顺便说一下，既然实例可以调用类属性，那么实例也可以调用类方法，这等价于用它的类调用类方法。不过一般不推荐利用实例调用类方法，因为这样做可能有些奇怪。

静态方法

除了类方法和实例方法外，还有一个特殊的方法称为静态方法。静态方法不是类或实例所特有的，它可以被任意的类或实例调用。静态方法不涉及对类和实例的操作，因此被称为静态方法。

静态方法需要使用 @staticmethod 装饰器，并且不需要添加像 self 或 cls 这种特殊的参数，因此不参与对任意属性的修改。

一个静态方法的定义为：

    @staticmethod

    def method_name(...):

        ...

不难看出，静态方法脱离了类和实例，表现得更像一个普通的函数。

实际上，Python 中的方法和函数除了是否位于类的定义中外，并没有本质的区别。Python 中的类可以看作一个独立的命名空间。在 class 关键字引导的代码块中，可以包含各种语句，例如常见的 for 循环和 with 语句：

class Type:

s = 0

for i in range(10):

s += i ** 2

with open('settings.txt', 'r') as f:

settings = dict([

kv.split('=') for kv in f.read().split('\n')

])

if settings.get('value'):

@property

def value(self):

return self.settings['value']

注意，这里使用 if 语句动态地定义了一个方法，这是完全可以的。除此之外，在类内定义另一个类也是很常见的情况，这个嵌套类一般用于提供基本的元信息。

在类之中这个独立的命名空间内，可以直接访问其中定义的变量（或者说属性）。而在类外部，访问这些变量需要通过类名来标识其所位于的命名空间：

print(Type.s) # 285

print(Type().value) # 1

从这个角度上说，类和模块并没有太大的差别。实际上，当模块导入后，它就是一个普通的 Python 对象，只不过是 <class 'module'> 类型的对象。所以在 Python 中使用方法时，实际上就是使用一个函数，Python 解释器只是额外提供了一个语法糖，将调用方法的实例自动填写到函数的 self 参数上，仅此而已。

特殊方法

在第一节介绍过实例方法时，同时介绍了一个特殊的实例方法 .__init()__ ，它会在类初始化时自动调用，以此完成一些初始化工作。之前介绍时同时提及了类还有很多类似的特殊方法，它们都以双下划线开头结尾，有时也被称为双下方法。

Python 的特点是一切皆对象，任何 Python 的变量都是一个对象。而 Python 对这些变量的操作，例如构造、初始化、删除、获取属性，甚至比较、索引、和迭代，都是通过调用一些特殊的方法实现的，这些方法称为 Python 的特殊方法(special method)或魔法方法(magic method)，它们的名称以双下划线开始，以双下划线结束，代表着对象的一种特殊的操作。一般情况下，使用类方法或实例方法就可以完成类的功能；但在必要时，可以使用或者重写这些特殊方法，来为自己的类提供更加规范的接口。

在后续篇章中，对 Python 面向对象的介绍几乎都围绕这些特殊方法。通过对这些特殊方法的介绍，可以从根本上了解 Python 的运行机制，从而编写出更加优雅、更 Pythonic 的代码。

本节先介绍类的三个特殊方法：.__init__() 、.__new__() 和 .__del__() ，它们参与着实例的生命周期。

初始化方法

初始化方法 .__init()__ 是第一个介绍的特殊方法，可能也是最常用的特殊方法。每当生成一个实例后，它便会调用该方法，以此完成一些初始化工作。

需要注意的是，.__init__() 方法不能有任何非 None 的返回值，否则就会引起 TypeError ，错误内容将提示该方法应该返回 None 。

构造方法

.__new__() 被称为构造方法，因为它负责创建一个新的实例。而 .__init__() 负责创建后的初始化，从中也可以明白它们的用途以及调用的先后顺序。

.__new__() 负责创建类的实例，它的第一个位置通常名为 cls ，代表生成实例的类，其余参数应该是 .__init__() 方法的其余参数。虽然看起来很像一个类方法，但它却是一个静态方法，并且无需使用 @staticmethod 装饰器。这也是特殊方法和普通方法的根本区别：Python 解释器已经规定了如何使用特殊方法，因此没必要额外声明其它东西。

它的返回值是新的对象实例（通常是 cls 的实例）。例如以下类 Card ，它使用 .__new__() 方法，在每次生成一个实例时，便给予它唯一的一个 .id_ 属性：

class Card:

id_ = 0

def __new__(cls, *args, **kwargs):

instance = super().__new__(cls)

cls.id_ += 1

instance.id_ = cls.id_

return instance

c01 = Card()

c02 = Card()

c03 = Card()

c03.id_ # 3

注意，虽然它表现得很像一个类方法，但不能像之前介绍的类方法一样通过 cls(...) 来创建实例，因为这样做实质上就是在调用该方法，会陷入无限递归。一般来说对象的创建是底层 C 语言的任务，而 Python 中只需要使用 CPython 提供的接口即可，例如使用 super().__new__(cls, ...) 调用 object 类提供的基本 .__new__() 方法，然后在返回之前根据需要修改新创建的实例即可。

由于涉及到对类属性的修改，因此使用 .__init__() 方法不太好实现（当然不是不能实现，在后续会介绍）。同时使用 .__new__() 方法也方便了继承，子类可以正常编写 .__init__() 方法而不影响 .id_ 的分配。

通过之前的介绍可以明白构造方法和初始化方法的执行顺序：.__new__() 方法会优先 .__init__() 初始化方法在生成实例前调用。执行了 .__new__() 并不一定会进入 .__init__() ；只有 .__new__() 返回了当前类的实例（即便是父类的实例也不行），才会进入 .__init__() 并为该实例做一定初始化，否则没有东西可以用于初始化。

利用这种特性，可以在 Python 中创建单例。单例模式涉及到一个单一的类，该类负责创建自己的对象，同时确保只有单个对象被创建。单例提供了创建与访问其唯一对象的方式。使用 .__new__() 方法可以自由控制创建的对象，从而比较方便地实现单例：

class Singleton:

_has_instance = False

__single_instance = None

def __new__(cls, *args, **kwargs):

if not cls._has_instance:

cls._has_instance = True

cls.__single_instance = super().__new__(cls)

return cls.__single_instance

one_task = Singleton()

another_task = Singleton(123, name='another')

one_task is another_task is Singleton('abs') # True

可以看到，不管该类被实例化多少次，如何实例化，得到的都是唯一的实例。单例提供了一种共享数据的方式，并且方便使用 is 判断。但考虑到 Python 能使用全局变量完成相同的工作，因此一般来说在 Python 中没必要使用单例。

析构方法

与构造方法相反，析构方法 .__del__() 用于在销毁一个类实例时调用，它对应的是 Python 中的 del 语句。

当一个对象即将被销毁时，它便会调用 .__del__() 方法，通常该方法用于释放实例用到的一些额外的资源（如关闭已经打开的文件）。

.__del__() 是实例相关的方法，因此第一个参数应该为 self 。注意区别于 property 的 @.deleter 装饰器，它装饰的方法在删除某个属性时调用，而不是整个实例。由于垃圾回收是后台处理的，且 del 是一个语句，因此 .__del__() 的返回值并没有任何意义。并且在该方法内引发任何异常也是没有作用的，它既不能被所处的 try 块捕获，也不会中断程序的运行。

注意，del 语句在调用时，并没有直接调用实例的 .__del__() 方法，这是因为如果变量仅仅是对实例的一个引用，那么 del 语句只会销毁这个引用的对象。只有当所有的引用都被销毁了，那么 del 语句才会调用 .__del__() 方法来清除这个实例。因此，通过在 .__del__() 中为对象添加一个引用可以暂时推迟对象的删除，但这是很不建议的做法。

通过 .__del__() 方法，可以研究 Python 的垃圾回收机制。例如，以下是在命令行中的一个小测试：

>>> GCTest()
<__main__.GCTest object at 0x00000282CE8907B8>
>>> t = GCTest()
>>> del t
object deleted
>>> 'now delete "_"'
object deleted
'now delete "_"'

第一个实例被自动保存在 _ 变量中，只有这个引用改变了，它才会被删除。

参考资料/延伸阅读

https://docs.python.org/3/reference/datamodel.html#basic-customization
Python3 语言参考——数据模型部分，该部分介绍了绝大多数常用的特殊方法、特殊属性与 Python 的运行机制，是深入理解 Python 最好的文档。