苦练Python第56天：元类•描述符•异步•Pickle 的 28 个魔术方法——从入门到精通

前言

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欢迎来到 苦练Python第56天！

今天我们把聚光灯打在最容易被忽视、却又最魔法的 28 个双下方法上： 元类、描述符、异步协议、Pickle 协议以及对象模型"暗桩"。

读完你会知道：Python 什么时候偷偷调它们、如何定制、如何防坑。

📦 目录（28 个方法，一口气干完）

1. 属性访问三兄弟
   __getattr__ __getattribute__ __setattr__

   __delattr__

2. 可调用 & 类型检查
   __call__ __instancecheck__

   __subclasscheck__

3. 异步三件套
   __await__ __aiter__

   __anext__

4. Pickle & 拷贝
   __reduce__ __reduce_ex__

   __copy__ __deepcopy__

5. 泛型 & 继承钩子
   __class_getitem__ __mro_entries__

   __init_subclass__

6. 描述符协议
   __get__ __set__

   __delete__ __set_name__

7. 杂项暗桩
   __slots__ __dir__ __doc__

   __module__ __annotations__

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1. 属性访问三兄弟 + 一个隐藏 Boss

1.1 __getattr__ ------ "找不到才找我"

触发时机

• 访问不存在的属性时
• 不会拦截已存在的属性

作用

• 实现懒加载、动态 API、回退字典

示例：懒加载配置文件

class Config:
    def __init__(self, file):
        self._file = file
        self._data = None

    def _load(self):
        import json, pathlib
        self._data = json.loads(pathlib.Path(self._file).read_text())

    def __getattr__(self, name):
        if self._data is None:
            self._load()
        try:
            return self._data[name]
        except KeyError:
            raise AttributeError(name)

cfg = Config("settings.json")
print(cfg.debug)   # 第一次触发 __getattr__ 并加载文件

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1.2 __getattribute__ ------ "所有属性我都要管"

触发时机

• 任何属性访问都会触发（包括存在和不存在的）

作用

• 实现权限控制、审计、代理

⚠️ 注意：

无限递归地狱 return self.x → 正确姿势：object.__getattribute__(self, name)

示例：禁止访问私有字段

class Guard:
    def __getattribute__(self, name):
        if name.startswith("_"):
            raise PermissionError("Private!")
        return object.__getattribute__(self, name)

g = Guard()
g.ok = 1
print(g.ok)   # 1
# g._secret   # PermissionError

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1.3 __setattr__ & 1.4 __delattr__

触发时机

• obj.x = y / del obj.x

示例：只读属性保护

class ReadOnly:
    __slots__ = ("_x",)

    def __init__(self, x):
        object.__setattr__(self, "_x", x)

    @property
    def x(self):
        return self._x

    def __setattr__(self, key, value):
        raise AttributeError("read-only")

ro = ReadOnly(42)
# ro.x = 100   # AttributeError

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2. 可调用 & 类型检查

2.1 __call__ ------ "把对象当函数"

触发时机

• obj()

示例：计数器闭包

class Counter:
    def __init__(self):
        self.n = 0

    def __call__(self):
        self.n += 1
        return self.n

c = Counter()
print(c(), c())   # 1 2

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2.2 __instancecheck__ & 2.3 __subclasscheck__

触发时机

• isinstance(obj, cls) / issubclass(sub, cls)

示例：抽象鸭子类型

class DrawableMeta(type):
    def __instancecheck__(self, instance):
        return hasattr(instance, "draw")

class Drawable(metaclass=DrawableMeta):
    pass

class Circle:
    def draw(self): ...

print(isinstance(Circle(), Drawable))  # True

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3. 异步三件套

3.1 __await__ ------ 让对象 awaitable

触发时机

• await obj

示例：自定义 Future（极简）

class MyFuture:
    def __init__(self, value):
        self.value = value

    def __await__(self):
        yield  # 让出一次控制权
        return self.value

async def main():
    result = await MyFuture(99)
    print(result)

import asyncio
asyncio.run(main())   # 99

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3.2 __aiter__ & 3.3 __anext__

触发时机

• async for i in obj:

示例：异步计数器

class AsyncCounter:
    def __init__(self, n):
        self.max = n
        self.i = 0

    def __aiter__(self):
        return self

    async def __anext__(self):
        if self.i >= self.max:
            raise StopAsyncIteration
        self.i += 1
        return self.i

async def main():
    async for n in AsyncCounter(3):
        print(n)

import asyncio
asyncio.run(main())   # 1 2 3

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4. Pickle & 拷贝

4.1 __reduce__ & 4.2 __reduce_ex__

触发时机

• pickle.dumps(obj) / 指定协议版本

作用

• 自定义序列化规则，返回 (callable, args) 或更复杂的元组

示例：序列化打开的文件句柄（仅文件名）

class FileWrapper:
    def __init__(self, path):
        self.path = path
        self.file = open(path, "rb")

    def __reduce__(self):
        return (self.__class__, (self.path,))

    def __del__(self):
        if hasattr(self, "file"):
            self.file.close()

import pickle, tempfile, os
fd, name = tempfile.mkstemp()
os.write(fd, b"Hi")
os.close(fd)

fw = FileWrapper(name)
data = pickle.dumps(fw)
new_fw = pickle.loads(data)
print(new_fw.path)   # /tmp/...

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4.3 __copy__ & 4.4 __deepcopy__

触发时机

• copy.copy(obj) / copy.deepcopy(obj)

示例：共享缓存的浅拷贝

import copy

class Cache:
    def __init__(self):
        self.data = {}

    def __copy__(self):
        new = Cache()
        new.data = self.data  # 共享
        return new

c1 = Cache()
c2 = copy.copy(c1)
c1.data["x"] = 1
print(c2.data)  # {'x': 1}

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5. 泛型 & 继承钩子

5.1 __class_getitem__ ------ 支持 MyList[int]

触发时机

• 类索引语法 cls[T]

示例：PEP 560 泛型工厂

class MyList:
    def __init__(self):
        self.items = []

    def __class_getitem__(cls, item):
        # 实际库中会返回 _GenericAlias
        print(f"Generic alias created with {item}")
        return f"MyList[{item.__name__}]"

print(MyList[int])   # MyList[int]

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5.2 __mro_entries__ ------ 操纵 MRO

触发时机

• 类定义体内使用 class C(Base, Mixin) 且 Mixin 是特殊对象

示例：动态混入方法

class Addable:
    def __mro_entries__(self, bases):
        return (Helper,)   # 插入到 MRO

class Helper:
    def add(self, other): return self + other

class MyInt(int, Addable()):
    pass

print(MyInt.__mro__)
# (<class '__main__.MyInt'>, <class '__main__.Helper'>, <class 'int'>, ...)

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5.3 __init_subclass__ ------ 注册子类

触发时机

• 定义子类后自动调用

示例：API 路由注册

class Router:
    routes = {}

    def __init_subclass__(cls, path=None, **kw):
        super().__init_subclass__(**kw)
        if path:
            Router.routes[path] = cls

class Index(Router, path="/"):
    pass

print(Router.routes)  # {'/': <class '__main__.Index'>}

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6. 描述符协议

6.1 __get__(self, instance, owner)

6.2 __set__(self, instance, value)

6.3 __delete__(self, instance)

6.4 __set_name__(self, owner, name) ------ PEP 487

触发时机

• 作为类变量被访问 / 赋值 / 删除 / 类创建时

示例：类型检查字段

class Typed:
    def __set_name__(self, owner, name):
        self.name = name

    def __get__(self, instance, owner):
        if instance is None:
            return self
        return instance.__dict__[self.name]

    def __set__(self, instance, value):
        if not isinstance(value, int):
            raise TypeError("Need int")
        instance.__dict__[self.name] = value

class Point:
    x = Typed()
    y = Typed()

p = Point()
p.x = 3
# p.y = "hi"  # TypeError

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7. 杂项暗桩

方法	触发时机	一句话用法
__slots__	类定义	节省内存，禁止 __dict__
__dir__	dir(obj)	定制自动补全
__doc__	help(obj)	文档字符串
__module__	模块名	序列化/文档用
__annotations__	类型注解	运行时读取

示例：精简对象内存

class Point:
    __slots__ = ("x", "y")
    def __init__(self, x, y):
        self.x, self.y = x, y

p = Point(1, 2)
# p.z = 3   # AttributeError

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🧪 实战演练（30 分钟）

1. 写一个描述符 Range，让属性值只能落在 [min, max]。
2. 利用 __init_subclass__ 做一个插件系统，自动收集所有子类。
3. 用 __reduce__ 实现一个数据库连接池的序列化（仅保存配置）。
4. 写一个异步生成器，支持 async for line in tail("log.txt"):。

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📌 记忆口诀

• 访问属性：getattr 兜底，getattribute 全拦。
• 异步：await 看 __await__，async for 看 __aiter__ + __anext__。
• Pickle：想活命，先写 __reduce__。
• 描述符：谁用谁知道，省代码省 BUG。

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