完全掌握Python中的双下方法

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前言

大家在写 Python 代码的时候有没有这样的疑问。

为什么数学中的+号，在字符串运算中却变成拼接功能，如'ab' + 'cd'结果为abcd；而*号变成了重复功能，如'ab' * 2结果为abab。

为什么某些对象print能输出数据，而print自定义的类对象却输出一堆看不懂的代码<__main__.MyCls object at 0x105732250>。

不是因为系统做了特殊定制，而是 Python 中有一类特殊的方法，在某些特定的场合会自动调用。如，在字符串类str中定义了__add__方法后，当代码遇到字符串相加'ab' + 'cd'时，就会自动调用__add__方法完成字符串拼接。

因为这类特殊方法的方法名都是以双下划线开始和结束，所以又被称为双下方法。

Python 中的双下方法很多，今天我们对它做个详解。

Python中的双下方法

1. init方法

__init__的方法是很多人接触的第一个双下方法。

class A:
    def __init__(self, a):
        self.a = a

当调用A()实例化对象的时候，__init__方法会被自动调用，完成对象的初始化。

2. 运算符的双下方法

在类中定义运算符相关的双下方法，可以直接在类对象上做加减乘除、比较等操作。

这里，定义一个尺子类Rule，它包含一个属性r_len代表尺子的长度。

class Rule:
    def __init__(self, r_len):
        self.r_len = r_len

2.1 比较运算符

如果想按照尺子的长度对不同的尺子做比较，需要在Rule类中定义比较运算符。

class Rule:
    def __init__(self, r_len):
        self.r_len = r_len

    # < 运算符
    def __lt__(self, other):
        return self.r_len < other.r_len

    # <= 运算符
    def __le__(self, other):
        return self.r_len <= other.r_len

    # > 运算符
    def __gt__(self, other):
        return self.r_len > other.r_len

    # >= 运算符
    def __ge__(self, other):
        return self.r_len >= other.r_len

这里定义了<、<=、>和>=四个比较运算符，这样就可以用下面的代码比较Rule对象了。

rule1 = Rule(10)
rule2 = Rule(5)
print(rule1 > rule2)  # True
print(rule1 >= rule2)  # True
print(rule1 < rule2)  # False
print(rule1 <= rule2)  # False

当用>比较rule1和rule2的时候，rule1对象会自动调用__gt__方法，并将rule2对象传给other参数，完成比较。

下面是比较运算符的双下方法

比较运算符双下方法

2.2 算术运算符

可以支持类对象加减乘除。

def __add__(self, other):
    return Rule(self.r_len + other.r_len)

这里定义了__add__方法，对应的是+运算符，他会把两个尺子的长度相加，并生成新的尺子。

rule1 = Rule(10)
rule2 = Rule(5)
rule3 = rule1 + rule2

下面是算术运算符的双下方法

2.3 反向算术运算符

它支持其他类型的变量与Rule类相加。以__radd__方法为例

def __radd__(self, other):
    return self.r_len + other

rule1 = Rule(10)
rule2 = 10 + rule1

程序执行10 + rule1时，会尝试调用int类的__add__但int类类没有定义与Rule类对象相加的方法，所以程序会调用+号右边对象rule1的__radd__方法，并把10传给other参数。

所以这种运算符又叫右加运算符。它所支持的运算符与上面的算术运算符一样，方法名前加r即可。

2.4 增量赋值运算符

增量赋值运算符是+=、-=、*=、/=等。

def __iadd__(self, other):
    self.r_len += other
    return self

rule1 = Rule(10)
rule1 += 5

除了__pmod__方法，其他的跟算数运算符一样，方面名前都加i。

2.4 位运算符

这部分支持按二进制进行取反、移位和与或非等运算。由于Rule类不涉及位运算，所以我们换一个例子。

定义二进制字符串的类BinStr，包含bin_str属性，表示二进制字符串。

class BinStr:
    def __init__(self, bin_str):
        self.bin_str = bin_str

x = BinStr('1010')  #创建二进制字符串对象
print(x.bin_str) # 1010

给BinStr定义一个取反运算符~

# ~ 运算符
def __invert__(self):
    inverted_bin_str = ''.join(['1' if i == '0' else '0' for i in self.bin_str])
    return BinStr(inverted_bin_str)

__invert__方法中，遍历bin_str字符串，将每位取反，并返回一个新的BinStr类对象。

x = BinStr('1011')

invert_x = ~x
print(invert_x.bin_str) # 0100

下面是位运算符的双下方法

这部分也支持反向位运算符和增量赋值位运算符，规则跟算数运算符一样，这里就不再赘述。

3.字符串表示

这部分涉及两个双下方法__repr__和__format__，在某些特殊场景，如print，会自动调用，将对象转成字符串。

还是以BinStr为例，先写__repr__方法。

def __repr__(self):
    decimal = int('0b'+self.bin_str, 2)
    return f'二进制字符串：{self.bin_str}，对应的十进制数字：{decimal}'

x = BinStr('1011')
print(x)
# 输出：二进制字符串：1011，对应的十进制数字：11

当程序执行print(x)时，会自动调用__repr__方法，获取对象x对应的字符串。

再写__format__方法，它也是将对象格式化为字符串。

def __format__(self, format_spec):
    return format_spec % self.bin_str

print('{0:二进制字符串：%s}'.format(x))
# 输出：二进制字符串：1011

当.format方法的前面字符串里包含0:时，就会自动调用__format__方法，并将字符串传给format_spec参数。

4.数值转换

调用int(obj)、float(obj)等方法，可以将对象转成相对应数据类型的数据。

def __int__(self):
    return int('0b'+self.bin_str, 2)

x = BinStr('1011')
print(int(x))

当调用int(x)时，会自动调用__int__方法，将二进制字符串转成十进制数字。

数值转换除了上面的两个外，还有__abs__、__bool__、__complex__、__hash__、__index__和__str__。

__str__和__repr__一样，在print时都会被自动调用，但__str__优先级更高。

5.集合相关的双下方法

这部分可以像集合那样，定义对象长度、获取某个位置元素、切片等方法。

以__len__和__getitem__为例

def __len__(self):
    return len(self.bin_str)

def __getitem__(self, item):
    return self.bin_str[item]

x = BinStr('1011')

print(len(x))  # 4
print(x[0])  # 1
print(x[0:3])  # 101

len(x)会自动调用__len__返回对象的长度。

通过[]方式获取对象的元素时，会自动调用__getitem__方法，并将切片对象传给item参数，即可以获取单个元素，还可以获取切片。

集合相关的双下方法还包括__setitem__、__delitem__和__contains__。

6.迭代相关的双下方法

可以在对象上使用for-in遍历。

def __iter__(self):
    self.cur_i = -1
    return self

def __next__(self):
    self.cur_i += 1
    if self.cur_i >= len(self.bin_str):
        raise StopIteration()  # 退出迭代
    return self.bin_str[self.cur_i]

x = BinStr('1011')
for i in x:
    print(i)

当在x上使用for-in循环时，会先调用__iter__方法将游标cur_i置为初始值-1，然后不断调用__next__方法遍历self.bin_str中的每一位。

这部分还有一个__reversed__方法用来反转对象。

def __reversed__(self):
    return BinStr(''.join(list(reversed(self.bin_str))))

x = BinStr('1011')
reversed_x = reversed(x)
print(reversed_x)
# 输出：二进制字符串：1101，对应的十进制数字：13

7.类相关的双下方法

做 web 开发的朋友，用类相关的双下方法会更多一些。

7.1 实例的创建和销毁

实例的创建是__new__和__init__方法，实例的销毁是__del__方法。

__new__的调用早于__init__，它的作用是创建对象的实例（内存开辟一段空间），而后才将该实例传给__init__方法，完成实例的初始化。

由于__new__是类静态方法，因此它可以控制对象的创建，从而实现单例模式。

__del__方法在实例销毁时，被自动调用，可以用来做一些清理工作和资源释放的工作。

7.2 属性管理

类属性的访问和设置。包括__getattr__、__getattribute__、__setattr__和__delattr__方法。

__getattr__和__getattribute__的区别是，当访问类属性时，无论属性存不存在都会调用__getattribute__方法，只有当属性不存在时才会调用__getattr__方法。

7.3 属性描述符

控制属性的访问，一般用于把属性的取值控制在合理范围内。包括__get__、__set__和__delete__方法。

class XValidation:
    def __get__(self, instance, owner):
        return self.x

    def __set__(self, instance, value):
        if 0 <= value <= 100:
            self.x = value
        else:
            raise Exception('x不能小于0，不能大于100')

    def __delete__(self, instance):
        print('删除属性')


class MyCls:
    x = XValidation()

    def __init__(self, n):
        self.x = n

obj = MyCls(10)
obj.x = 101
print(obj.x) # 抛异常：Exception: x不能小于0，不能大于100

上述例子，通过类属性描述符，可以将属性x的取值控制在[0, 100]之前，防止不合法的取值。

8.总结

虽然上面介绍的不是所有的双下方法，但也算是绝大多数了。

虽然双下方法里可以编写任意代码，但大家尽量编写与方法要求一样的代码。如，在__add__方法实现的不是对象相加而是相减，虽然也能运行，但这样会造成很大困惑，不利于代码维护。

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