Python中的數(shù)據(jù)類dataclass解讀

更新時間：2024年01月25日 16:36:09 作者：be5yond

這篇文章主要介紹了Python中的數(shù)據(jù)類dataclass使用,具有很好的參考價值,希望對大家有所幫助,如有錯誤或未考慮完全的地方,望不吝賜教

1. 為什么需要數(shù)據(jù)類

1.1 ??內(nèi)置數(shù)據(jù)類型的局限

假設(shè)我們現(xiàn)在遇到一個場景, 需要一個數(shù)據(jù)對象來保存一些運(yùn)動員信息.

可以選擇使用基本的數(shù)據(jù)類型tuple或者dict實現(xiàn). 如：創(chuàng)建一個球員jordan, 信息包括球員姓名, 號碼, 位置, 年齡.

使用tuple

In [1]: jordan = ('Micheal Jordan', 23, 'PG', 29)
In [2]: jordan[0]
Out[2]: 'Micheal Jordan'

劣勢：創(chuàng)建和取值基于位置, 需要記住坐標(biāo)對應(yīng)的信息.

使用dict

In [3]: jordan = {'name': 'Micheal Jordan', 'number': 23, 'position': 'PG', 'age': 29}
In [4]: jordan['position']
Out[4]: 'PG'

使用字典之后, 獲取信息時會相對直觀, 但是相較于字典的括號語法 jordan["position"] 我們更希望可以用類似獲取屬性一樣使用 jordan.postion.

劣勢：無法對數(shù)據(jù)屬性名進(jìn)行控制,

少值或者錯值,如, jordan = {'name': 'Micheal Jordan', 'NUMBER': 23} 一樣可以創(chuàng)建成功.

1.2 ??使用命名元組 namedtuple

為了解決這種問題, python 中的 collections 模塊提供一個命名元組, 可以使用點(diǎn)表示法和字段名稱訪問給定命名元組中的值.

使用namedtuple代碼如下

In [5]: from collections import namedtuple
 
In [6]: Player = namedtuple('Player', ['name', 'number', 'position', 'age', 'grade'])
In [7]: jordan = Player('Micheal Jordan', 23, 'PG', 29, 'S+')
 
In [8]: jordan
Out[8]: Player(name='Micheal Jordan', number=23, position='PG', age=29, grade='S+')

使用namedtuple之后

① 可以使用 '.'語法獲取數(shù)據(jù)的屬性, 可以限制數(shù)據(jù)的屬性名稱,

② 創(chuàng)建對象時數(shù)據(jù)不匹配會報錯.

In [9]: jordan.number
Out[9]: 23
 
In [10]: bryant = Player('Kobe Bryant', 24, 'PG')
---------------------------------------------------------------------------
TypeError: __new__() missing 2 required positional arguments: 'age' and 'grade'

1.2.1 namedtuple的不足

對于一些字段比較少的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu), namedtuple是一個非常好的解決方案.

但面對一些復(fù)雜的數(shù)據(jù)的時候, 需要更多的功能時, namedtuple就無法滿足了.

In [11]: bryant = Player('Kobe Bryant', 24, 'PG', 22, 'S')
In [12]: bryant.age=23
---------------------------------------------------------------------------
AttributeError: can't set attribute

劣勢：

① 數(shù)據(jù)無法修改

② 無法自定義數(shù)據(jù)比較, 沒有默認(rèn)值, 沒有函數(shù)支持.

1.3 自定義類 Class

為了支持?jǐn)?shù)據(jù)修改, 默認(rèn)值, 比較等功能. 更加好一些的方法是, 使用自定義類來實現(xiàn)數(shù)據(jù)類.

一個最簡單的數(shù)據(jù)類代碼如下：

In [13]: class Player:
    ...:     def __init__(self, name, number, position, age, grade):
    ...:         self.name = name
    ...:         self.number = number
    ...:         self.position = position
    ...:         self.age = age
    ...:         self.grade = grade
 
In [14]: bryant = Player(name='Kobe Bryant', number=24, position='PG', age=22, grade='S')
In [15]: jordan = Player('Micheal Jordan', 23, 'PG', 29, 'S+')

可以使用位置參數(shù)或者鍵值參數(shù)創(chuàng)建對象

In [16]: bryant.position='SF'
In [17]: bryant.position
Out[17]: 'SF'

可以看到, 數(shù)據(jù)類可以支持對屬性的修改,

In [18]: bryant
Out[18]: <__main__.Player at 0x29446d401c8>

問題①：目前的實現(xiàn) 對于對象的描述不太友好,

 
In [19]: jordan > bryant
---------------------------------------------------------------------------
TypeError: '>' not supported between instances of 'Player' and 'Player'

問題②：數(shù)據(jù)還不支持比較.

為了解決上面兩個問題，可以通過實現(xiàn) __repr__ 方法來自定義描述, 實現(xiàn) __gt__ 方法來支持比較的功能.

更新代碼如下:

In [20]: class Player:
    ...:     def __init__(self, name, number, position, age, grade):
    ...:         self.name = name
    ...:         self.number = number
    ...:         self.position = position
    ...:         self.age = age
    ...:         self.grade = grade
    ...:     def __repr__(self):
    ...:         return f'Player: \n {self.name}\t #{self.number}\t @{self.position}\t <{self.grade}>'
    ...:     def __eq__(self, other):
    ...:         return self.age == other.age
    ...:     def __gt__(self, other):
    ...:         return self.age > other.age
    ...:     def swing(self, pos):
    ...:         self.position = pos
 
In [21]: jordan = Player('Micheal Jordan', 23, 'PG', 29, 'S+')
In [22]: bryant = Player('Kobe Bryant', 24, 'PG', 22, 'S')
 
In [23]: jordan
Out[23]:
Player:
 Micheal Jordan  #23     @PG     <S+>
 
In [24]: jordan > bryant
Out[24]: True
 
In [25]: jordan.swing('SF')
In [26]: jordan
Out[26]:
Player:
 Micheal Jordan  #23     @SF     <S+>

可以看到數(shù)據(jù)對象有了更直觀的描述, 支持了對比 (若要支持 >= 的對比, 還需要自定義 __ge__方法). 還可以自定義方法swing來改變球員打的位置.

劣勢：

① __init__方法中重復(fù)代碼 (示例中每個屬性都需要寫3遍)

② 需要自己實現(xiàn)__repr__方法, 和比較方法__eq__, __gt__等

1.4 ??數(shù)據(jù)類 dataclass

主角出場了, 數(shù)據(jù)類是Python3.7 開始引入的一個新功能, 數(shù)據(jù)類提供了開箱即用的方法來創(chuàng)建自定義數(shù)據(jù), 可以直接實例化、打印和比較數(shù)據(jù)類實例.

In [1]: from dataclasses import dataclass
 
In [2]: @dataclass
   ...: class Player:
   ...:     name: str
   ...:     number: int
   ...:     position: str
   ...:     age: int
   ...:     grade: str
 
In [3]: james = Player('Lebron James', 23, 'SF', 25, 'S')
In [4]: james
Out[4]: Player(name='Lebron James', number=23, position='SF', age=25, grade='S')

2. dataclass 的使用

2.1 類型提示和默認(rèn)值

dataclass 可以認(rèn)為是提供了一個簡寫__init__方法的語法糖.

類型注釋是必填項 (不限制數(shù)據(jù)類型時, 添加typing.Any為類型注釋), 默認(rèn)值的傳遞方式和__init__方法的參數(shù)格式一致.

In [1]: from dataclasses import dataclass
In [2]: from typing import Any
 
In [3]: @dataclass
   ...: class Data:
   ...:     name: Any
   ...:     value: Any = 42

2.2 數(shù)據(jù)嵌套

數(shù)據(jù)類可以嵌套為其他數(shù)據(jù)類的字段, 可以簡單創(chuàng)建一個有2個隊員的球隊.lal包含兩名球員 james和davis

In [1]: from dataclasses import dataclass
In [2]: from typing import List
 
In [3]: @dataclass
   ...: class Player:
   ...:     name: str
   ...:     number: int
   ...:     position: str
   ...:     age: int
   ...:     grade: str
 
In [4]: @dataclass
   ...: class Team:
   ...:     name: str
   ...:     players: List[Player]
 
In [5]: james = Player('Lebron James', 23, 'SF', 25, 'S')
In [6]: davis = Player('Anthony Davis', 3, 'PF', 21, 'S-')
 
In [7]: lal = Team('Los Angeles Lakers', [james, davis])
In [8]: lal
Out[8]: Team(name='Los Angeles Lakers', players=[Player(name='Lebron James', number=23, position='SF', age=25, grade='S'), Player(name='Anthony Davis', number=3, position='PF', age=21, grade='S-')])

2.3 dataclasses中的field

當(dāng)我們嘗試使用可變的數(shù)據(jù)類型, 給數(shù)據(jù)類中做默認(rèn)值時, 觸發(fā)了python中的大坑之一 使用可變默認(rèn)參數(shù), 導(dǎo)致多個實例公用一個數(shù)據(jù)從而引發(fā)bug.

dataclass 默認(rèn)阻止使用可變數(shù)據(jù)做默認(rèn)值

In [9]: @dataclass
   ...: class Team:
   ...:     name: str
   ...:     players: List[Player] = [james]
---------------------------------------------------------------------------
ValueError: mutable default <class 'list'> for field players is not allowed: use default_factory

就像錯誤提示中的, 處理此種場景時, 需要使用 field 中的 default_factory .

In [10]: from dataclasses import field
 
In [11]: @dataclass
    ...: class Team:
    ...:     name: str
    ...:     players: List[Player] = field(default_factory=lambda :[james])
 
In [12]: nyk = Team('New York Knicks')
In [13]: nyk
Out[13]: Team(name='New York Knicks', players=[Player(name='Lebron James', number=23, position='SF', age=25, grade='S')])

field 支持的參數(shù)
參數(shù)	描述	默認(rèn)值
default	字段的默認(rèn)值
default_factory	返回字段初始值的函數(shù)
init	是否在.__init__()方法中使用字段	True
repr	是否在.__repr__()方法中使用字段	True
compare	是否在比較對象時, 包括該字段	True
hash	計算hash時, 是否包括字段	True
metadata	包含字段信息的映射

2.4 不可變數(shù)據(jù)類

要使數(shù)據(jù)類不可變，需要在創(chuàng)建類時設(shè)置frozen=True。

In [1]: from dataclasses import dataclass
In [2]: from typing import Any
 
In [3]: @dataclass(frozen=True)
   ...: class Data:
   ...:     name: Any
   ...:     value: Any = 42
 
In [4]: data = Data('myname', 99)
In [4]: data.name = 'other'
---------------------------------------------------------------------------
FrozenInstanceError: cannot assign to field 'name'