Инстанцирование в Python

Допустим, у вас есть класс Foo :

class Foo(object):
    def __init__(self, x, y=0):
        self.x = x
        self.y = y

Что происходит, когда вы создаёте его объект?

f = Foo(1, y=2)

Какой метод вызывается первым при этом вызове Foo? Большинство новичков, да и, возможно, немало опытных питонистов тут же ответят: «метод __init__». Но если внимательно приглядеться к сниппетам выше, вскоре станет понятно, что такой ответ неверен.

__init__  не возвращает никакого результата, а Foo(1, y=2), напротив, возвращает экземпляр класса. К тому же __init__ принимает self в качестве первого параметра, чего не происходит при вызове Foo(1, y=2). Создание экземпляра происходит немного сложнее, о чём мы и поговорим в этой статье.

Порядок создания объекта

Инстанцирование в Python состоит из нескольких стадий. Понимание каждого шага делает нас чуть ближе к пониманию языка в целом. Foo — это класс, но в Питоне классы это тоже объекты! Классы, функции, методы и экземпляры — всё это объекты, и всякий раз, когда вы ставите скобки после их имени, вы вызываете их метод __call__. Так что Foo(1, y=2) — это эквивалент Foo.__call__(1, y=2). Причём метод __call__  объявлен в классе объекта Foo. Какой же класс у объекта Foo?

>>> Foo.__class__
<class 'type'>

Так что класс Foo — это экземпляр класса type и вызов метода __call__  последнего возвращает класс Foo. Теперь давайте разберём, что из себя представляет метод __call__  класса type. Ниже находятся его реализации на C в CPython и в PyPy. Если надоест их смотреть, прокручивайте чуть дальше, чтобы найти упрощённую версию:

CPython

Ссылка на исходник ^[1].

static PyObject *
type_call(PyTypeObject *type, PyObject *args, PyObject *kwds)
{
    PyObject *obj;

    if (type->tp_new == NULL) {
        PyErr_Format(PyExc_TypeError,
                     "cannot create '%.100s' instances",
                     type->tp_name);
        return NULL;
    }

    obj = type->tp_new(type, args, kwds);
    obj = _Py_CheckFunctionResult((PyObject*)type, obj, NULL);
    if (obj == NULL)
        return NULL;

    /* Ugly exception: when the call was type(something),
       don't call tp_init on the result. */
    if (type == &PyType_Type &&
        PyTuple_Check(args) && PyTuple_GET_SIZE(args) == 1 &&
        (kwds == NULL ||
         (PyDict_Check(kwds) && PyDict_Size(kwds) == 0)))
        return obj;

    /* If the returned object is not an instance of type,
       it won't be initialized. */
    if (!PyType_IsSubtype(Py_TYPE(obj), type))
        return obj;

    type = Py_TYPE(obj);
    if (type->tp_init != NULL) {
        int res = type->tp_init(obj, args, kwds);
        if (res < 0) {
            assert(PyErr_Occurred());
            Py_DECREF(obj);
            obj = NULL;
        }
        else {
            assert(!PyErr_Occurred());
        }
    }
    return obj;
}

PyPy

Ссылка на исходник ^[2].

def descr_call(self, space, __args__):
    promote(self)
    # invoke the __new__ of the type
    if not we_are_jitted():
        # note that the annotator will figure out that self.w_new_function
        # can only be None if the newshortcut config option is not set
        w_newfunc = self.w_new_function
    else:
        # for the JIT it is better to take the slow path because normal lookup
        # is nicely optimized, but the self.w_new_function attribute is not
        # known to the JIT
        w_newfunc = None
    if w_newfunc is None:
        w_newtype, w_newdescr = self.lookup_where('__new__')
        if w_newdescr is None:    # see test_crash_mro_without_object_1
            raise oefmt(space.w_TypeError, "cannot create '%N' instances",
                        self)
        w_newfunc = space.get(w_newdescr, self)
        if (space.config.objspace.std.newshortcut and
            not we_are_jitted() and
            isinstance(w_newtype, W_TypeObject)):
            self.w_new_function = w_newfunc
    w_newobject = space.call_obj_args(w_newfunc, self, __args__)
    call_init = space.isinstance_w(w_newobject, self)

    # maybe invoke the __init__ of the type
    if (call_init and not (space.is_w(self, space.w_type) and
        not __args__.keywords and len(__args__.arguments_w) == 1)):
        w_descr = space.lookup(w_newobject, '__init__')
        if w_descr is not None:    # see test_crash_mro_without_object_2
            w_result = space.get_and_call_args(w_descr, w_newobject,
                                               __args__)
            if not space.is_w(w_result, space.w_None):
                raise oefmt(space.w_TypeError,
                            "__init__() should return None")
    return w_newobject

Если забыть про всевозможные проверки на ошибки, то коды выше примерно эквивалентны такому:

def __call__(obj_type, *args, **kwargs):
    obj = obj_type.__new__(*args, **kwargs)
    if obj is not None and issubclass(obj, obj_type):
        obj.__init__(*args, **kwargs)
    return obj

__new__  выделяет память под «пустой» объект и вызывает __init__, чтобы его инициализировать.

Подведём итог:

1. Foo(*args, **kwargs) эквивалентно Foo.__call__(*args, **kwargs).
2. Так как объект Foo — это экземпляр класса type, то вызов Foo.__call__(*args, **kwargs) эквивалентен type.__call__(Foo, *args, **kwargs).
3. type.__call__(Foo, *args, **kwargs) вызывает метод type.__new__(Foo, *args, **kwargs), возвращающий obj.
4. obj инициализируется при вызове obj.__init__(*args, **kwargs).
5. Результат всего процесса — инициализированный obj.

Кастомизация

Теперь давайте переключим наше внимание на __new__. Этот метод выделяет память под объект и возвращает его. Вы вольны кастомизировать этот процесс множеством разных способов. Следует отметить, что, хотя __new__  и является статическим методом, вам не нужно объявлять его используя @staticmethod: интерпретатор обрабатывает __new__ как специальный случай.

Распространённый пример переопределения __new__ — создание Синглтона:

class Singleton(object):
    _instance = None
    
    def __new__(cls, *args, **kwargs):
        if cls._instance is None:
            cls._instance = super().__new__(cls, *args, **kwargs)
        return cls._instance

Тогда:

>>> s1 = Singleton()
... s2 = Singleton()
... s1 is s2
True

Обратите внимание, что __init__  будет вызываться каждый раз при вызове Singleton(), поэтому следует соблюдать осторожность.

Другой пример переопределения __new__ — реализация паттерна Борг («Borg») ^[3]:

class Borg(object):
    _dict = None

    def __new__(cls, *args, **kwargs):
        obj = super().__new__(cls, *args, **kwargs)
        if cls._dict is None:
            cls._dict = obj.__dict__
        else:
            obj.__dict__ = cls._dict
        return obj

Тогда:

>>> b1 = Borg()
... b2 = Borg()
... b1 is b2
False
>>> b1.x = 8
... b2.x
8

Учтите, что хотя примеры выше и демонстрируют возможности переопределения __new__, это ещё не значит что его обязательно нужно использовать:

__new__   — одна из самых частых жертв злоупотреблений. То, что может быть сделано переопределением этого метода, чаще всего лучше достигается другими средствами. Тем не менее, когда это действительно необходимо, __new__ — крайне полезный и мощный инструмент.

— Арион Спрэг, Хорошо забытое старое в Python ^[4]

Редко можно встретить проблему в Python, где лучшим решением было использование __new__. Но когда у вас есть молоток, каждая проблема начинает выглядеть как гвоздь, поэтому всегда предпочитайте использованию нового мощного инструмента использование наиболее подходящего.

Автор: germn

Источник ^[5]