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了解Python类实例化.md

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原文：Understanding Python Class Instantiation

假设你有一个类Foo：

class Foo(object):
    def __init__(self, x, y=0):
        self.x = x
        self.y = y

在你实例化它的时候（创建该类的实例），会发生什么呢？

f = Foo(1, y=2)

对Foo的调用 - 这里会调用什么函数或方法呢？大多数的新手或者甚至许多有经验的Python程序员将会立即回答：调用了__init__。如果你停下来再想想，会发现这离正确的答案还远着呢。

__init__并不范湖一个对象，但是调用Foo(1, y=2) 的确会返回一个对象。另外，__init__需要一个self参数，但在调用Foo(1, y=2)的时候，并没有这样的一个参数。这里的工作会更复杂些。在这篇文章中，我们将一起调查，当你在Python中实例化一个类的时候，发生了什么。

构造链

在Python中初始化一个对象由几个阶段组成，但它的美在于它们自身是Pythonic的 - 了解这些步骤让我们更了解一般情况下的Python。Foo是一个类，但Python中的类也是对象！类，函数，方法和实例都是对象，无论何时你在它们名字后面放一对括号，都会调用它们的__call__方法。因此，Foo(1, y=2)等价于Foo.__call__(1, y=2)。这里的__call__是由Foo的类定义的一个方法。Foo的类是什么呢？

>>> Foo.__class__
<class 'type'>

因此，Foo是类型type的一个对象，而调用__call__返回类Foo的一个对象。接下来，看看type的__call__方法长得啥样。这个方法是相当复杂的，但我们会试着简化它。下面，我贴了CPython C和PyPy Python这两个实现。我发现看原始源代码是非常有趣的，但请随意跳到下面我对它的简化：

CPython

链接到源。

static PyObject *
type_call(PyTypeObject *type, PyObject *args, PyObject *kwds)
{
    PyObject *obj;

    if (type->tp_new == NULL) {
        PyErr_Format(PyExc_TypeError,
                     "cannot create '%.100s' instances",
                     type->tp_name);
        return NULL;
    }

    obj = type->tp_new(type, args, kwds);
    obj = _Py_CheckFunctionResult((PyObject*)type, obj, NULL);
    if (obj == NULL)
        return NULL;

    /* Ugly exception: when the call was type(something),
       don't call tp_init on the result. */
    if (type == &PyType_Type &&
        PyTuple_Check(args) && PyTuple_GET_SIZE(args) == 1 &&
        (kwds == NULL ||
         (PyDict_Check(kwds) && PyDict_Size(kwds) == 0)))
        return obj;

    /* If the returned object is not an instance of type,
       it won't be initialized. */
    if (!PyType_IsSubtype(Py_TYPE(obj), type))
        return obj;

    type = Py_TYPE(obj);
    if (type->tp_init != NULL) {
        int res = type->tp_init(obj, args, kwds);
        if (res < 0) {
            assert(PyErr_Occurred());
            Py_DECREF(obj);
            obj = NULL;
        }
        else {
            assert(!PyErr_Occurred());
        }
    }
    return obj;
}

PyPy

[链接到源.

def descr_call(self, space, __args__):
    promote(self)
    # invoke the __new__ of the type
    if not we_are_jitted():
        # note that the annotator will figure out that self.w_new_function
        # can only be None if the newshortcut config option is not set
        w_newfunc = self.w_new_function
    else:
        # for the JIT it is better to take the slow path because normal lookup
        # is nicely optimized, but the self.w_new_function attribute is not
        # known to the JIT
        w_newfunc = None
    if w_newfunc is None:
        w_newtype, w_newdescr = self.lookup_where('__new__')
        if w_newdescr is None:    # see test_crash_mro_without_object_1
            raise oefmt(space.w_TypeError, "cannot create '%N' instances",
                        self)
        w_newfunc = space.get(w_newdescr, self)
        if (space.config.objspace.std.newshortcut and
            not we_are_jitted() and
            isinstance(w_newtype, W_TypeObject)):
            self.w_new_function = w_newfunc
    w_newobject = space.call_obj_args(w_newfunc, self, __args__)
    call_init = space.isinstance_w(w_newobject, self)

    # maybe invoke the __init__ of the type
    if (call_init and not (space.is_w(self, space.w_type) and
        not __args__.keywords and len(__args__.arguments_w) == 1)):
        w_descr = space.lookup(w_newobject, '__init__')
        if w_descr is not None:    # see test_crash_mro_without_object_2
            w_result = space.get_and_call_args(w_descr, w_newobject,
                                               __args__)
            if not space.is_w(w_result, space.w_None):
                raise oefmt(space.w_TypeError,
                            "__init__() should return None")
    return w_newobject

如果我们忽略一下错误检查，那么对于常规的类实例化，它大致相当于：

def __call__(obj_type, *args, **kwargs):
    obj = obj_type.__new__(*args, **kwargs)
    if obj is not None and issubclass(obj, obj_type):
        obj.__init__(*args, **kwargs)
    return obj

__new__为对象分配内存，将它构造成一个“空的”对象，然后调用__init__来实例化它。

总结：

  1. Foo(*args, **kwargs)等价于Foo.__call__(*args, **kwargs)。
  2. 由于Foo是type的一个实例，因此Foo.__call__(*args, **kwargs)调用type.__call__(Foo, *args, **kwargs)。
  3. type.__call__(Foo, *args, **kwargs)调用type.__new__(Foo, *args, **kwargs)，它返回obj。
  4. 然后，通过调用obj.__init__(*args, **kwargs)来实例化obj。
  5. 返回obj。

自定义

现在，我们把注意力放在__new__方法上。本质上，它是负责实际对象创建的方法。我们不会进入__new__的基础实现细节。它的要点是，为对象分配空间，并返回它。对于__new__，有趣的是，一旦你意识到它做了什么，那么你就能用它以好玩的方式自定义实例创建。应当指出的是，虽然__new__是一个静态方法，但是你无须使用@staticmethod来声明它 - 对于Python解释器来说，它是一个特例。

__new__的能力的一个很好的例子是，将它用来实现一个单例类：

class Singleton(object):
    _instance = None
    
    def __new__(cls, *args, **kwargs):
        if cls._instance is None:
            cls._instance = super().__new__(cls, *args, **kwargs)
        return cls._instance

然后：

>>> s1 = Singleton()
... s2 = Singleton()
... s1 is s2
True

注意，在这个单例实现中，每次我们调用Singleton()的时候，都会调用__init__，因此必须小心。

另一个类似的例子是实现Borg设计模式：

class Borg(object):
    _dict = None

    def __new__(cls, *args, **kwargs):
        obj = super().__new__(cls, *args, **kwargs)
        if cls._dict is None:
            cls._dict = obj.__dict__
        else:
            obj.__dict__ = cls._dict
        return obj

然后：

>>> b1 = Borg()
... b2 = Borg()
... b1 is b2
False
>>> b1.x = 8
... b2.x
8

最后要注意 - 上面的例子显示了__new__的强大，但是只因为你_可以_使用它，并不意味着你_应该_使用它：

__new__是Python中最容易滥用的特性之一。它晦涩难懂，缺陷百出，并且几乎我所找到的每一个关于它的用例都已经被Python的许许多多个工具中的某个更好的完成了。然后，在你真的需要__new__的时候，它是令人难以置信的强大和难能可贵。

– Arion Sprague, Python的隐藏new

在Python中遇到一个最好的解决方法是使用__new__的问题是罕见的。麻烦的是，如果你有了一个锤子，那么每个问题都开始看起来像一个钉子 —— 并且你可能“突然”碰到许多__new__可以解决的问题。 永远不要重造轮子。__new__并非总是更好的方法。

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