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做者：豌豆花下貓python
來源：Python貓程序員
不久前，Python貓 給你們推薦了一本書《流暢的Python》（點擊可跳轉閱讀），那篇文章有比較多的「溢美之詞」，顯得比較空泛……web
可是，《流暢的Python》一書值得反覆回看，能夠溫故知新。最近我偶然翻到書中一個有點詭異的知識點，所以準備來聊一聊這個話題——子類化內置類型可能會出問題？！編程
一、內置類型有哪些？
在正式開始以前，咱們首先要科普一下：哪些是 Python 的內置類型？微信
根據官方文檔的分類，內置類型（Built-in Types）主要包含以下內容：多線程
詳細文檔：https://docs.python.org/3/library/stdtypes.htmlapp
其中，有你們熟知的數字類型、序列類型、文本類型、映射類型等等，固然還有咱們以前介紹過的布爾類型、...對象 等等。編程語言
在這麼多內容裏，本文只關注那些做爲可調用對象（callable）的內置類型，也就是跟內置函數（built-in function）在表面上類似的那些：int、str、list、tuple、range、set、dict……編輯器
這些類型（type）能夠簡單理解成其它語言中的類（class），可是 Python 在此並無用習慣上的大駝峯命名法，所以容易讓人產生一些誤解。
在 Python 2.2 以後，這些內置類型能夠被子類化（subclassing），也就是能夠被繼承（inherit）。
二、內置類型的子類化
衆所周知，對於某個普通對象 x，Python 中求其長度須要用到公共的內置函數 len(x)，它不像 Java 之類的面嚮對象語言，後者的對象通常擁有本身的 x.length() 方法。（PS：關於這兩種設計風格的分析，推薦閱讀 這篇文章）
如今，假設咱們要定義一個列表類，但願它擁有本身的 length() 方法，同時保留普通列表該有的全部特性。
實驗性的代碼以下（僅做演示）：
# 定義一個list的子類
class MyList(list):
def length(self):
return len(self)
咱們令 MyList這個自定義類繼承 list，同時新定義一個 length() 方法。這樣一來，MyList 就擁有 append()、pop() 等等方法，同時還擁有 length() 方法。
# 添加兩個元素
ss = MyList()
ss.append("Python")
ss.append("貓")
print(ss.length()) # 輸出：2
前面提到的其它內置類型，也能夠這樣做子類化，應該不難理解。
順便發散一下，內置類型的子類化有何好處/使用場景呢？
有一個很直觀的例子，當咱們在自定義的類裏面，須要頻繁用到一個列表對象時（給它添加/刪除元素、做爲一個總體傳遞……），這時候若是咱們的類繼承自 list，就能夠直接寫 self.append()、self.pop()，或者將 self 做爲一個對象傳遞，從而不用額外定義一個列表對象，在寫法上也會簡潔一些。
還有其它的好處/使用場景麼？歡迎你們留言討論~~
三、內置類型子類化的「問題」
終於要進入本文的正式主題了:)
一般而言，在咱們教科書式的認知中，子類中的方法會覆蓋父類的同名方法，也就是說，子類方法的查找優先級要高於父類方法。
下面看一個例子，父類 Cat，子類 PythonCat，都有一個 say() 方法，做用是說出當前對象的 inner_voice：
# Python貓是一隻貓
class Cat():
def say(self):
return self.inner_voice()
def inner_voice(self):
return "喵"
class PythonCat(Cat):
def inner_voice(self):
return "喵喵"
當咱們建立子類 PythonCat 的對象時，它的 say() 方法會優先取到本身定義出的 inner_voice() 方法，而不是 Cat 父類的 inner_voice() 方法：
my_cat = PythonCat()
# 下面的結果符合預期
print(my_cat.inner_voice()) # 輸出：喵喵
print(my_cat.say()) # 輸出：喵喵
這是編程語言約定俗成的慣例，是一個基本原則，學過面向對象編程基礎的同窗都應該知道。
然而，當 Python 在實現繼承時，彷佛不徹底會按照上述的規則運做。它分爲兩種狀況：
-
符合常識：對於用 Python 實現的類，它們會遵循「子類先於父類」的原則 -
違背常識：對於實際是用 C 實現的類（即str、list、dict等等這些內置類型），在顯式調用子類方法時，會遵循「子類先於父類」的原則；可是，**在存在隱式調用時，**它們彷佛會遵循「父類先於子類」的原則，即一般的繼承規則會在此失效
對照 PythonCat 的例子，至關於說，直接調用 my_cat.inner_voice() 時，會獲得正確的「喵喵」結果，可是在調用 my_cat.say() 時，則會獲得超出預期的「喵」結果。
下面是《流暢的Python》中給出的例子（12.1章節）：
class DoppelDict(dict):
def __setitem__(self, key, value):
super().__setitem__(key, [value] * 2)
dd = DoppelDict(one=1) # {'one': 1}
dd['two'] = 2 # {'one': 1, 'two': [2, 2]}
dd.update(three=3) # {'three': 3, 'one': 1, 'two': [2, 2]}
在這個例子中，dd['two'] 會直接調用子類的__setitem__()方法，因此結果符合預期。若是其它測試也符合預期的話，最終結果會是{'three': [3, 3], 'one': [1, 1], 'two': [2, 2]}。
然而，初始化和 update() 直接調用的分別是從父類繼承的__init__()和__update__()，再由它們隱式地調用__setitem__()方法，此時卻並無調用子類的方法，而是調用了父類的方法，致使結果超出預期！
官方 Python 這種實現雙重規則的作法，有點違揹你們的常識，若是不加以注意，搞很差就容易踩坑。
那麼，爲何會出現這種例外的狀況呢？
四、內置類型的方法的真面目
咱們知道了內置類型不會隱式地調用子類覆蓋的方法，接着，就是Python貓的刨根問底時刻：爲何它不去調用呢？
《流暢的Python》書中沒有繼續追問，不過，我試着胡亂猜想一下（應該能從源碼中獲得驗證）：內置類型的方法都是用 C 語言實現的，事實上它們彼此之間並不存在着相互調用，因此就不存在調用時的查找優先級問題。
也就是說，前面的「__init__()和__update__()會隱式地調用__setitem__()方法」這種說法並不許確！
這幾個魔術方法實際上是相互獨立的！__init__()有本身的 setitem 實現，並不會調用父類的__setitem__()，固然跟子類的__setitem__()就更沒有關係了。
從邏輯上理解，字典的__init__()方法中包含__setitem__()的功能，所以咱們覺得前者會調用後者，**這是慣性思惟的體現，**然而實際的調用關係多是這樣的：
左側的方法打開語言界面之門進入右側的世界，在那裏實現它的全部使命，並不會折返回原始界面查找下一步的指令（即不存在圖中的紅線路徑）。不折返的緣由很簡單，即 C 語言間代碼調用效率更高，實現路徑更短，實現過程更簡單。
同理，dict 類型的 get() 方法與__getitem__()也不存在調用關係，若是子類只覆蓋了__getitem__()的話，當子類調用 get() 方法時，實際會使用到父類的 get() 方法。（PS：關於這一點，《流暢的Python》及 PyPy 文檔的描述都不許確，它們誤覺得 get() 方法會調用__getitem__()）
也就是說，Python 內置類型的方法自己不存在調用關係，儘管它們在底層 C 語言實現時，可能存在公共的邏輯或能被複用的方法。
我想到了「Python爲何」系列曾分析過的《Python 爲何能支持任意的真值判斷？》。在咱們寫if xxx時，它彷佛會隱式地調用__bool__()和__len__()魔術方法，然而實際上程序依據 POP_JUMP_IF_FALSE 指令，會直接進入純 C 代碼的邏輯，並不存在對這倆魔術方法的調用！
所以，在乎識到 C 實現的特殊方法間相互獨立以後，咱們再回頭看內置類型的子類化，就會有新的發現：
父類的__init__()魔術方法會打破語言界面實現本身的使命，然而它跟子類的__setitem__()並不存在通路，即圖中紅線路徑不可達。
特殊方法間各行其是，由此，咱們會得出跟前文不一樣的結論：實際上 Python 嚴格遵循了「子類方法先於父類方法」繼承原則，並無破壞常識！
最後值得一提的是，__missing__()是一個特例。《流暢的Python》僅僅簡單而含糊地寫了一句，沒有過多展開。
通過初步實驗，我發現當子類定義了此方法時，get() 讀取不存在的 key 時，正常返回 None；可是 __getitem__() 和 dd['xxx'] 讀取不存在的 key 時，都會按子類定義的__missing__()進行處理。
我還沒空深刻分析，懇請知道答案的同窗給我留言。
五、內置類型子類化的最佳實踐
綜上所述，內置類型子類化時並無出問題，只是因爲咱們沒有認清特殊方法（C 語言實現的方法）的真面目，纔會致使結果誤差。
那麼，這又召喚出了一個新的問題：若是非要繼承內置類型，最佳的實踐方式是什麼呢？
首先，若是在繼承內置類型後，並不重寫（overwrite）它的特殊方法的話，子類化就不會有任何問題。
其次，若是繼承後要重寫特殊方法的話，記得要把全部但願改變的方法都重寫一遍，例如，若是想改變 get() 方法，就要重寫 get() 方法，若是想改變 __getitem__()方法，就要重寫它……
可是，若是咱們只是想重寫某種邏輯（即 C 語言的部分），以便全部用到該邏輯的特殊方法都發生改變的話，例如重寫__setitem__()的邏輯，同時令初始化和update()等操做跟着改變，那麼該怎麼辦呢？
咱們已知特殊方法間不存在複用，也就是說單純定義新的__setitem__()是不夠的，那麼，怎麼才能對多個方法同時產生影響呢？
PyPy 這個非官方的 Python 版本發現了這個問題，它的作法是令內置類型的特殊方法發生調用，創建它們之間的鏈接通路。
官方 Python 固然也意識到了這麼問題，不過它並無改變內置類型的特性，而是提供出了新的方案：UserString、UserList、UserDict……
除了名字不同，基本能夠認爲它們等同於內置類型。
這些類的基本邏輯是用 Python 實現的，至關因而把前文 C 語言界面的某些邏輯搬到了 Python 界面，在左側創建起調用鏈，如此一來，就解決了某些特殊方法的複用問題。
對照前文的例子，採用新的繼承方式後，結果就符合預期了：
from collections import UserDict
class DoppelDict(UserDict):
def __setitem__(self, key, value):
super().__setitem__(key, [value] * 2)
dd = DoppelDict(one=1) # {'one': [1, 1]}
dd['two'] = 2 # {'one': [1, 1], 'two': [2, 2]}
dd.update(three=3) # {'one': [1, 1], 'two': [2, 2], 'three': [3, 3]}
顯然，若是要繼承 str/list/dict 的話，最佳的實踐就是繼承collections庫提供的那幾個類。
六、小結
寫了這麼多，是時候做 ending 了~~
在本系列的前一篇文章中，Python貓從查找順序與運行速度兩方面，分析了「爲何內置函數/內置類型不是萬能的」，本文跟它一脈相承，也是揭示了內置類型的某種神祕的看似是缺陷的行爲特徵。
本文雖然是從《流暢的Python》書中得到的靈感，然而在語言表象以外，咱們還多追問了一個「爲何」，從而更進一步地分析出了現象背後的原理。
簡而言之，內置類型的特殊方法是由 C 語言獨立實現的，它們在 Python 語言界面中不存在調用關係，所以在內置類型子類化時，被重寫的特殊方法只會影響該方法自己，不會影響其它特殊方法的效果。
若是咱們對特殊方法間的關係有錯誤的認知，就可能會認爲 Python 破壞了「子類方法先於父類方法」的基本繼承原則。（很遺憾《流暢的Python》和 PyPy 都有此錯誤的認知）
爲了迎合你們對內置類型的廣泛預期，Python 在標準庫中提供了 UserString、UserList、UserDict 這些擴展類，方便程序員來繼承這些基本的數據類型。
寫在最後：本文屬於「Python爲何」系列（Python貓出品），該系列主要關注 Python 的語法、設計和發展等話題，以一個個「爲何」式的問題爲切入點，試着展示 Python 的迷人魅力。若你有其它感興趣的話題，歡迎填在《Python的十萬個爲何？ 》裏的調查問卷中。
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