[python]魔术方法大全（一）-- 基础篇

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什么是魔术方法

所谓魔法方法，它的官方的名字实际上叫special method，是Python的一种高级语法，允许你在类中自定义函数，并绑定到类的特殊方法中。比如在类A中自定义__str__()函数，则在调用str(A())时，会自动调用__str__()函数，并返回相应的结果。

docs.python.org/3/reference…

我们常常看到的Magic Methods这个名字，在官方的文档里是没有出现过的。

当然无论是magic methods还是魔术方法，这些词都被广泛的使用着。

所谓的魔术方法，是python提供的，让用户客制化一个类的方式，它顾名思义，就是定义在类里面的一些特殊的方法。 这些special method的特点，就是它的method的名字前后都有两个下划线，所以这些方法也被称为dunder methods。那包括这种前后两个下划线的形式，也叫做dunder score，它的意思就是double underscore。

在我们平时写程序的时候，已经或多或少的接触过不少的魔术方法。 比如：__init__就非常非常的常用。

基础的魔术方法

__new__和__init__

首先，我们来聊一下__new__和__init__。 这两个方法，可以让你改变从一个类建立一个对象时候的行为，这两个也比较容易被搞混。 如果你不那么了解这两个方法的机制本身，你只需要记住，__new__是从一个class建立一个object的过程。 而__init__是有了这个object之后，给这个object初始化的过程。

class A:
    def __new__(cls, *args, **kwargs):
        print("__new__")
        return super().__new__(cls, *args, **kwargs)

    def __init__(self):
        print("__init__")


if __name__ == '__main__':
    a = A()

输出结果为：

__new__
__init__

我们可以看到__new__和__init__都被使用了。我们可以粗略的想象成：

obj = __new__(A)
__init__(obj)

如果我们在建立object的时候传入了参数，则参数既会传给__new__，也会传给__init__。 在我们实际的应用中，__new__函数用到的是相对较少的。如果你不需要客制化建立这个object的过程，你只需要初始化这个object，你只需要用到__init__。

那什么时候用__new__呢？

比如说，我要创建一个单例，或者一些和metaclass有关的才会用到__new__函数。

单例模式是指在整个应用程序中，某个类只能有一个实例存在，且该实例可以被任何模块访问到。这种模式的应用场景包括数据库连接池、日志对象等需要全局唯一性的对象。

简单单例

以下是一个简单的单例模式的示例代码：

class Singleton:
    _instance = None

    def __new__(cls):
        if not cls._instance:
            cls._instance = super().__new__(cls)
        return cls._instance

在这个例子中，我们定义了一个名为 Singleton 的类。它包含一个类变量 _instance，该变量用于存储唯一实例的引用。

在 __new__ 方法中，我们检查 _instance 是否为 None。如果是，则创建一个新的实例并将其分配给 _instance。如果不是，则直接返回 _instance，而不创建新的实例。

通过这种方式，我们可以确保在应用程序中只有一个 Singleton 实例。要使用它，只需创建一个 Singleton 对象即可：

s1 = Singleton()
s2 = Singleton()

print(s1 is s2) # 输出 True

以上代码输出结果为 True，说明 s1 和 s2 引用的是同一个实例，即单例模式实现成功。

__new__和元类（metaclass）

在 Python 中，__new__() 和元类(metaclass)之间有着紧密的联系，它们都是用来控制类的创建过程的。

元类是 Python 中的一个高级特性，它允许我们在创建类的过程中动态地修改类。元类可以通过定义 __new__() 方法来控制类的实例化过程。

在 Python 中，当我们通过 class 关键字定义一个新的类时，Python 解释器会自动调用元类来实例化类对象。元类在实例化类对象之前，先调用类的 __new__() 方法来创建类的实例，然后再调用 __init__() 方法来初始化实例。

在 Python 中，使用 __call__() 方法可以实现将类的实例对象作为函数调用的效果，类似于调用一个函数。当我们调用一个类的实例对象时，Python 会自动调用这个实例对象的 __call__() 方法，从而实现了将类的实例对象作为函数调用的效果。

通过在类的 __call__() 方法中间接调用类的 __new__() 方法和 __init__() 方法，可以实现单例模式。具体而言，每次调用类的实例对象时，都会先检查已经创建的实例对象是否存在，如果存在则直接返回该实例对象，如果不存在则通过调用 __new__() 方法和 __init__() 方法来创建一个新的实例对象，并将其存储下来。由于每次都返回同一个实例对象，因此实现了单例模式。

以下是一个使用元类和 __call__() 方法实现单例模式的示例代码：

class SingletonType(type):
    _instances = {}

    def __call__(cls, *args, **kwargs):
        if cls not in cls._instances:
            cls._instances[cls] = super().__call__(*args, **kwargs)
        return cls._instances[cls]

class MyClass(metaclass=SingletonType):
    pass

在上述代码中，我们首先定义了一个元类 SingletonType，这个元类重写了 __call__() 方法，用于控制类的实例化过程。在 __call__() 方法中，我们首先检查 _instances 字典中是否已经有该类的实例对象，如果已经存在，则直接返回该实例对象；如果不存在，则通过调用父类的 __call__() 方法创建一个新的实例对象，并将其存储到 _instances 字典中，然后返回该实例对象。

接下来，我们定义了一个类 SingletonClass，并将其元类设置为 SingletonType。由于 SingletonType 的 __call__() 方法控制着 SingletonClass 的实例化过程，因此每次创建 SingletonClass 的实例对象时，都会经过 SingletonType 的 __call__() 方法来进行处理，从而实现了单例模式。

下面是一个示例，演示了如何使用 SingletonClass 类来创建实例：

a = SingletonClass()
b = SingletonClass()

print(a is b)  # True

由于 SingletonClass 类是一个单例类，因此 a 和 b 都是同一个实例对象，所以 a is b 的结果为 True。

所以必要时，我们可以通过元类和__new__方法来控制类的创建过程。

__new__是创建object，因此它是有返回值的，必须返回这个object。 而__init__没有返回值, __init__函数里面的self就是你要初始化的对象。

__del__

__del__()是delete的缩写，这是析构魔术方法。当一块空间没有了任何引用时 默认执行__del__回收这个类地址，一般我们不自定义__del__， 有可能会导致问题

• 触发时机：当对象被内存回收的时候自动触发，有下面两种情况：

  1. 页面执行完毕回收所有变量
  2. 当多个对象指向同一地址，所有对象被del的时候

• 功能：对象使用完毕后资源回收

• 参数：一个self接受对象

• 返回值：无

注意：程序自动调用__del__()方法，不需要我们手动调用。

python中对象的释放是比较复杂的。 __del__和关键字del是没有关系的，我们看到del o没有触发__del__。 __del__()和del关键字是两个不同的概念，虽然它们都与对象的销毁相关。

del是Python的一个关键字，用于删除变量或对象的引用。当我们执行del obj语句时，Python会将对象obj的引用计数减1，如果引用计数为0，则对象被销毁。del关键字并不会直接调用对象的__del__()方法，它只是将对象的引用计数减1，由Python自动决定是否调用__del__()方法。

__del__()方法是一个特殊方法，用于在对象被销毁时执行一些清理任务。当对象的引用计数为0时，Python会自动调用该对象的__del__()方法进行清理。__del__()方法在对象被销毁前最后一次被调用，我们可以在这个方法中执行一些需要进行清理的操作，如释放资源、关闭文件等。

需要注意的是，__del__()方法不是必须的，大多数情况下，Python会自动处理对象的销毁和内存管理，我们不需要手动定义__del__()方法。如果我们确实需要进行一些特殊的清理任务，应该尽量避免使用__del__()方法，而是使用上下文管理器、with语句等方式来管理资源和清理任务。

__repr__和__str__

__repr__(self)和__str__(self)都是用于返回对象的字符串表示形式，但它们的用途不同。__repr__(self)主要用于调试和开发，而__str__(self)则主要用于用户友好的输出。 举个例子，考虑下面的Python类：

class Person:
    def __init__(self, name, age):
        self.name = name
        self.age = age

    def __repr__(self):
        return f"Person(name={self.name}, age={self.age})"

    def __str__(self):
        return f"{self.name} is {self.age} years old"

在这个例子中，__repr__返回一个类似于构造函数调用的字符串，用于显示对象的内部状态。而__str__则返回一个可读的字符串，用于显示对象的外部状态。例如：

>>> person = Person("Alice", 25)
>>> print(person)  # 调用 __str__
Alice is 25 years old
>>> person  # 调用 __repr__
Person(name=Alice, age=25)

这样，在调试和开发时，我们可以使用__repr__方法来查看对象的内部状态，而在用户友好的输出中使用__str__方法来提供易于理解的字符串表示形式。

在实际使用中，我们可以通过内置函数repr()和str()来分别获取对象的__repr__和__str__表示形式。例如：

p = Person("Alice", 25)
print(repr(p))  # Person('Alice', 25)
print(str(p))   # Alice (25 years old)

• __repr__()是__str__()的“备胎”，如果找不到__str__()就会找__repr__()方法。
• %r默认调用的是__repr__()方法，%s调用__str__()方法

__formate__

__format__方法是Python中用于格式化对象输出的特殊方法。它可以让我们在使用字符串格式化方法（如str.format()、f-string等）输出对象时自定义输出格式。

__format__方法有两个参数，分别为格式字符串和格式参数。格式字符串用于指定输出格式，格式参数则是要输出的参数值。其中，格式字符串是一个包含格式说明符的字符串，可以使用大括号{}来指定要输出的参数，并在大括号中使用冒号:来指定参数的格式。

下面是一个简单的例子，展示如何在类中定义__format__方法来控制输出格式：

class Point:
    def __init__(self, x, y):
        self.x = x
        self.y = y
    
    def __format__(self, format_spec):
        if format_spec == "r":
            return f"({self.y}, {self.x})"
        else:
            return f"({self.x}, {self.y})"

p = Point(1, 2)
print("Formatted point: {:r}".format(p))

在上面的例子中，我们定义了一个Point类，包含x和y两个属性。我们在类中定义了__format__方法，用于控制输出格式。如果格式字符串为"r"，则输出(y, x)的格式；否则输出(x, y)的格式。在最后一行，我们使用str.format()方法并传入"!r"参数来触发__format__方法，输出结果为Formatted point: (2, 1)。

需要注意的是，如果我们定义了__format__方法，但在格式字符串中没有使用相应的格式说明符，那么__format__方法将不会被调用。此外，我们还可以在类中定义其他特殊方法来控制对象的输出格式，例如__str__、__repr__等。