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簡單談談python的反射機制

 更新時間:2016年06月28日 09:06:32   作者:feixuelove1009  
本文主要介紹python中的反射,以及該機制的簡單應用,熟悉JAVA的程序員,一定經常和Class.forName打交道。在很多框架中(Spring,eclipse plugin機制)都依賴于JAVA的反射能力,而在python中,也同樣有著強大的反射能力,本文將做簡單的介紹

  對編程語言比較熟悉的朋友,應該知道“反射”這個機制。Python作為一門動態(tài)語言,當然不會缺少這一重要功能。然而,在網絡上卻很少見到有詳細或者深刻的剖析論文。下面結合一個web路由的實例來闡述python的反射機制的使用場景和核心本質。

一、前言

def f1():
  print("f1是這個函數的名字!")
 
s = "f1"
print("%s是個字符串" % s)

  在上面的代碼中,我們必須區(qū)分兩個概念,f1和“f1"。前者是函數f1的函數名,后者只是一個叫”f1“的字符串,兩者是不同的事物。我們可以用f1()的方式調用函數f1,但我們不能用"f1"()的方式調用函數。說白了就是,不能通過字符串來調用名字看起來相同的函數!

二、web實例

  考慮有這么一個場景,根據用戶輸入的url的不同,調用不同的函數,實現不同的操作,也就是一個url路由器的功能,這在web框架里是核心部件之一。下面有一個精簡版的示例:

  首先,有一個commons模塊,它里面有幾個函數,分別用于展示不同的頁面,代碼如下:

def login():
  print("這是一個登陸頁面!")

def logout():
  print("這是一個退出頁面!")

def home():
  print("這是網站主頁面!")

  其次,有一個visit模塊,作為程序入口,接受用戶輸入,展示相應的頁面,代碼如下:(這段代碼是比較初級的寫法)

import commons

def run():
  inp = input("請輸入您想訪問頁面的url: ").strip()
  if inp == "login":
    commons.login()
  elif inp == "logout":
    commons.logout()
  elif inp == "home":
    commons.home()
  else:
    print("404")

if __name__ == '__main__':
  run()

  我們運行visit.py,輸入:home,頁面結果如下:

請輸入您想訪問頁面的url: home
這是網站主頁面!

  這就實現了一個簡單的WEB路由功能,根據不同的url,執(zhí)行不同的函數,獲得不同的頁面。

  然而,讓我們考慮一個問題,如果commons模塊里有成百上千個函數呢(這非常正常)?。難道你在visit模塊里寫上成百上千個elif?顯然這是不可能的!那么怎么破?

三、反射機制

  仔細觀察visit中的代碼,我們會發(fā)現用戶輸入的url字符串和相應調用的函數名好像!如果能用這個字符串直接調用函數就好了!但是,前面我們已經說了字符串是不能用來調用函數的。為了解決這個問題,python為我們提供一個強大的內置函數:getattr!我們將前面的visit修改一下,代碼如下:

import commons

def run():
  inp = input("請輸入您想訪問頁面的url: ").strip()
  func = getattr(commons,inp)
  func()
 
if __name__ == '__main__':
  run()

  首先說明一下getattr函數的使用方法:它接收2個參數,前面的是一個對象或者模塊,后面的是一個字符串,注意了!是個字符串!

  例子中,用戶輸入儲存在inp中,這個inp就是個字符串,getattr函數讓程序去commons這個模塊里,尋找一個叫inp的成員(是叫,不是等于),這個過程就相當于我們把一個字符串變成一個函數名的過程。然后,把獲得的結果賦值給func這個變量,實際上func就指向了commons里的某個函數。最后通過調用func函數,實現對commons里函數的調用。這完全就是一個動態(tài)訪問的過程,一切都不寫死,全部根據用戶輸入來變化。

  執(zhí)行上面的代碼,結果和最開始的是一樣的。

  這就是python的反射,它的核心本質其實就是利用字符串的形式去對象(模塊)中操作(查找/獲取/刪除/添加)成員,一種基于字符串的事件驅動!

  這段話,不一定準確,但大概就是這么個意思。

四、進一步完善

  上面的代碼還有個小瑕疵,那就是如果用戶輸入一個非法的url,比如jpg,由于在commons里沒有同名的函數,肯定會產生運行錯誤,具體如下:

請輸入您想訪問頁面的url: jpg
Traceback (most recent call last):
 File "F:/Python/pycharm/s13/reflect/visit.py", line 16, in <module>
  run()
 File "F:/Python/pycharm/s13/reflect/visit.py", line 11, in run
  func = getattr(commons,inp)
AttributeError: module 'commons' has no attribute 'jpg'

  那怎么辦呢?其實,python考慮的很全面了,它同樣提供了一個叫hasattr的內置函數,用于判斷commons中是否具有某個成員。我們將代碼修改一下:

import commons
 
def run():
  inp = input("請輸入您想訪問頁面的url: ").strip()
  if hasattr(commons,inp):
    func = getattr(commons,inp)
    func()
  else:
    print("404")
 
if __name__ == '__main__':
  run()

  通過hasattr的判斷,可以防止非法輸入錯誤,并將其統(tǒng)一定位到錯誤頁面。

  其實,研究過python內置函數的朋友,應該注意到還有delattrsetattr兩個內置函數。從字面上已經很好理解他們的作用了。

  python的四個重要內置函數:getattrhasattr、delattrsetattr較為全面的實現了基于字符串的反射機制。他們都是對內存內的模塊進行操作,并不會對源文件進行修改。

五、動態(tài)導入模塊

  上面的例子是在某個特定的目錄結構下才能正常實現的,也就是commons和visit模塊在同一目錄下,并且所有的頁面處理函數都在commons模塊內。如下圖:

  但在現實使用環(huán)境中,頁面處理函數往往被分類放置在不同目錄的不同模塊中,也就是如下圖:

  難道我們要在visit模塊里寫上一大堆的import 語句逐個導入account、manage、commons模塊嗎?要是有1000個這種模塊呢?

  剛才我們分析完了基于字符串的反射,實現了動態(tài)的函數調用功能,我們不禁會想那么能不能動態(tài)導入模塊呢?這完全是可以的!

  python提供了一個特殊的方法:__import__(字符串參數)。通過它,我們就可以實現類似的反射功能。__import__()方法會根據參數,動態(tài)的導入同名的模塊。

我們再修改一下上面的visit模塊的代碼。

def run():
  inp = input("請輸入您想訪問頁面的url: ").strip()
  modules, func = inp.split("/")
  obj = __import__(modules)
  if hasattr(obj, func):
    func = getattr(obj, func)
    func()
  else:
    print("404")
 
if __name__ == '__main__':
  run()

運行一下:

請輸入您想訪問頁面的url: commons/home
這是網站主頁面!
請輸入您想訪問頁面的url: account/find
這是一個查找功能頁面!

  我們來分析一下上面的代碼:

  首先,我們并沒有定義任何一行import語句;

  其次,用戶的輸入inp被要求為類似“commons/home”這種格式,其實也就是模擬web框架里的url地址,斜杠左邊指向模塊名,右邊指向模塊中的成員名。

  然后,modules,func = inp.split("/")處理了用戶輸入,使我們獲得的2個字符串,并分別保存在modules和func變量里。

  接下來,最關鍵的是obj = __import__(modules)這一行,它讓程序去導入了modules這個變量保存的字符串同名的模塊,并將它賦值給obj變量。

  最后的調用中,getattr去modules模塊中調用func成員的含義和以前是一樣的。

  總結:通過__import__函數,我們實現了基于字符串的動態(tài)的模塊導入。

  同樣的,這里也有個小瑕疵!

  如果我們的目錄結構是這樣的:

   那么在visit的模塊調用語句中,必須進行修改,我們想當然地會這么做:

def run():
  inp = input("請輸入您想訪問頁面的url: ").strip()
  modules, func = inp.split("/")
  obj = __import__("lib." + modules)   #注意字符串的拼接
  if hasattr(obj, func):
    func = getattr(obj, func)
    func()
  else:
    print("404")
 
if __name__ == '__main__':
  run()

  改了這么一個地方:obj = __import__("lib." + modules),看起來似乎沒什么問題,和import lib.commons的傳統(tǒng)方法類似,但實際上運行的時候會有錯誤。

請輸入您想訪問頁面的url: commons/home
404
請輸入您想訪問頁面的url: account/find
404

  為什么呢?因為對于lib.xxx.xxx.xxx這一類的模塊導入路徑,__import__默認只會導入最開頭的圓點左邊的目錄,也就是“l(fā)ib”。我們可以做個測試,在visit同級目錄內新建一個文件,代碼如下:

obj = __import__("lib.commons")
print(obj)

  執(zhí)行結果:

<module 'lib' (namespace)>

  這個問題怎么解決呢?加上fromlist = True參數即可!

def run():
  inp = input("請輸入您想訪問頁面的url: ").strip()
  modules, func = inp.split("/")
  obj = __import__("lib." + modules, fromlist=True) # 注意fromlist參數
  if hasattr(obj, func):
    func = getattr(obj, func)
    func()
  else:
    print("404")
 
if __name__ == '__main__':
  run()

  至此,動態(tài)導入模塊的問題基本都解決了,只剩下最后一個,那就是萬一用戶輸入錯誤的模塊名呢?比如用戶輸入了somemodules/find,由于實際上不存在somemodules這個模塊,必然會報錯!那有沒有類似上面hasattr內置函數這么個功能呢?答案是沒有!碰到這種,你只能通過異常處理來解決。

六、最后的思考

  可能有人會問python不是有兩個內置函數execeval嗎?他們同樣能夠執(zhí)行字符串。比如:

exec("print('haha')")


結果:

haha

  那么直接使用它們不行嗎?非要那么費勁地使用getattr, __import__干嘛?

  其實,在上面的例子中,圍繞的核心主題是如何利用字符串驅動不同的事件,比如導入模塊、調用函數等等,這些都是python的反射機制,是一種編程方法、設計模式的體現,凝聚了高內聚、松耦合的編程思想,不能簡單的用執(zhí)行字符串來代替。當然,exec和eval也有它的舞臺,在web框架里也經常被使用。

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