Python 类中定义多个构造器方法重载与泛方法

Python 类多个构造器方法 Python 方法重载泛方法 2023-03-22 17:03:30 377人浏览八月长安

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摘要

目录引言什么是“泛方法”？举个栗子 ?一般实现有没有更好的方式？缺点#1 单分派#2 不支持 typing替代方案：multimethod 库优势更更好的实践

引言

在 python 开发中，参数校验这件事一直让我很苦恼；校验嘛，就得写很多与业务不相关的 if/else，特别麻烦；不校验嘛，又担心会有哪些意料之外的 bug，而且在很多情况下报的错误也和具体问题有些偏差，难以定位问题。

归功于 Python 动态语言的特性，这个问题好像没有很好的解决方式。通过历代 Python 版本的发布你也可以看到，官方一直都在完善类型注解（比如最近的 Python 3.11 新增的 Self 类型），似乎想通过某种方式解决此类问题。

不管怎样，就目前来看，泛方法（generic method）或许能很大程度上解决这个问题。

什么是“泛方法”？

由多个方法组成的方法，这些方法为不同的类型实现相同的操作。

举个栗子 ?

现在有个需求，需要你通过以下几种方式创建一个自定义的日期类（CustomDate）：

时间戳
年、月、日（包含三个整数的元组）
ISO 格式的字符串
Datetime 类

一般实现

from datetime import date, datetime
class CustomDate:
    def __init__(self, arg):
        if isinstance(arg, (int, float)):
            self.__date = date.fromtimestamp(arg)
        elif isinstance(arg, tuple) and len(arg) == 3 and all(map(lambda x: isinstance(x, int), arg):
            self.__date = date(*arg)
        elif isinstance(arg, str):
            self.__date = date.fromisofORMat(arg)
        elif isinstance(arg, datetime):
            self.__date = datetime.date()
        else:
            raise TypeError("could not create instance from " + type(arg).__name__)
    @property
    def date():
        return self.__date

注：这里暂不讨论传入的日期/时间戳合不合法，仅仅只对类型做大致判断。

有没有更好的方式？

我们可以将不同的构建方式拆分为多个方法，并利用 functools 中的 singledispatchmethod 装饰器来根据传入的参数类型决定调用哪个方法。

from datetime import date, datetime
from functools import singledispatchmethod
class CustomDate:
    @singledispatchmethod
    def __init__(self, arg):
        raise TypeError("could not create instance from " + type(arg).__name__)
    @__init__.reGISter(int)
    @__init__.register(float)
    def __from_timestamp(self, arg):
        self.__date = date.fromtimestamp(arg)
    @__init__.register(tuple)
    def __from_tuple(self, arg):
        if len(arg) == 3 and all(map(lambda x: isinstance(x, int), arg)):
            self.__date = date(*arg)
        else:
            raise ValueError("could not create instance from a malformed tuple")
    @__init__.register(str)
    def __from_isoformat(self, arg):
        self.__date = date.fromisoformat(arg)
    @__init__.register(datetime)
    def __from_datetime(self, arg):
        self.__date = arg.date()
    @property
    def date(self):
        return self.__date

这样一来，我们便能将每种参数类型的初始化独立成一个个的方法了。

缺点

#1 单分派

在调用期间应该使用哪个方法实现由分派算法决定。如果该算法只基于单个参数的类型来决定使用哪个方法实现，则称其为单分派。

singledispatchmethod 就是就是单分派的。也就是说，只有第一个参数会作为考量。这在实际业务中是远远不足的。

#2 不支持 typing

然而，如上，对元组中元素类型判断还是需要我们用 if/else 实现。也就是说，我们不能使用 typing.Tuple[int, int, int]。

作为一种折中的方案，或许我们可以定义一个 ThreeIntTuple 类来对其进行限定，将这些判断从 CustomDate 类中隔离开来。

这里仅提供一个思路让大家参考，我就不实现了（因为我们有更好的方式 xD）。

替代方案：multimethod 库

这个库不是标准库之一，需要通过 pip 安装：

pip install multimethod

优势

multimethod 采用的是多分派算法，能更好地满足更复杂的场景。此外，该库对 typing 中的类型也有不错的支持。

更更好的实践方式

回到上面的问题，我们可以这么改进：

使用 multimethod 方法来替代 singledispatchmethod；
使用 Tuple[int, int, int] 来替代 tuple，不再需要手动校验元组的长度和元素类型了；

from datetime import date, datetime
from typing import Tuple, UNIOn
from multimethod import multimethod
class CustomDate:
    @multimethod
    def __init__(self, arg):
        raise TypeError("could not create instance from " + type(arg).__name__)
    @__init__.register
    def __from_timestamp(self, arg: Union[int, float]):
        self.__date = date.fromtimestamp(arg)
    @__init__.register
    def __from_tuple(self, arg: Tuple[int, int, int]):
        self.__date = date(*arg)
    @__init__.register
    def __from_isoformat(self, arg: str):
        self.__date = date.fromisoformat(arg)
    @__init__.register
    def __from_datetime(self, arg: datetime):
        self.__date = arg.date()
    @property
    def date(self):
        return self.__date

究极好的实践方式（真正的方法重载）

在此之前，先问大家一个简单的问题（这跟我们之后的内容有很大的联系）：

class A:
    def a(self):
        print(1)
    def a(self):
        print(2)
A().a()

以上这段代码会输出什么？还是会抛出错误？

输出 2。

在 Python 中，如果定义了重名的方法，最后一个方法是会覆盖掉之前的方法的。

但你或许不知，我们可以通过元类（metaclass）来改变这一行为：

class MetaA(type):
    class __prepare__(dict):
        def __init__(*args):
            pass
        def __setitem__(self, key, value):
            if self.get('a'):  # Line 7
                super().__setitem__('b', value)  # Line 8
            else:	
                super().__setitem__(key, value)
class A(metaclass=MetaA):
    def a(self):
        print(1)
    def a(self):
        print(2)
A().a()  # => 1
A().b()  # => 2  # Line 22

在第 7 和第 8 行，我们将重名的 a 方法改名为 b，并在第 22 行成功地调用它了。

multimethod 的维护者们很好地运用了这一点，对重名的方法进行了处理，以达到一种“特殊的效果”。

回到正题，我们可以做出如下改进：

将 multimethod.multidata 设置为 CustomDate 类的元类；
将所有方法命名为 __init__。

from datetime import date, datetime
from typing import Tuple, Union
from multimethod import multimeta
class CustomDate(metaclass=multimeta):
    def __init__(self, arg: Union[int, float]):
        self.__date = date.fromtimestamp(arg)
    def __init__(self, arg: Tuple[int, int, int]):
        self.__date = date(*arg)
    def __init__(self, arg: str):
        self.__date = date.fromisoformat(arg)
    def __init__(self, arg: datetime):
        self.__date = arg.date()
    def __init__(self, arg):
        raise TypeError("could not create instance from " + type(arg).__name__)
    @property
    def date(self):
        return self.__date

从效果上来看，这完全和静态语言的方法重载一模一样！