Python中的描述符协议与属性访问控制

描述符是Python中一个强大但常被忽视的特性，它允许对象自定义属性访问行为。描述符协议通过三个特殊方法实现：__get__、__set__和__delete__。

1. 描述符的基本概念
描述符是实现了至少一个描述符方法的类。当类的实例作为另一个类的属性时，就会触发描述符协议。

2. 描述符方法的签名

• __get__(self, instance, owner)：获取属性值时调用
  • instance：使用描述符的类实例（当通过实例访问时为实例，通过类访问时为None）
  • owner：拥有该描述符的类
• __set__(self, instance, value)：设置属性值时调用
• __delete__(self, instance)：删除属性时调用

3. 数据描述符 vs 非数据描述符

• 数据描述符：实现了__set__或__delete__方法的描述符
• 非数据描述符：只实现了__get__方法的描述符
  关键区别：数据描述符优先于实例字典中的属性，而非数据描述符则相反

4. 实现一个简单的描述符示例

class SimpleDescriptor:
    """一个简单的数据描述符实现"""
    
    def __init__(self, initial_value=None):
        self.value = initial_value
    
    def __get__(self, instance, owner):
        print(f"获取值: {self.value}")
        return self.value
    
    def __set__(self, instance, value):
        print(f"设置值: {value}")
        self.value = value

class MyClass:
    attr = SimpleDescriptor("初始值")

# 使用示例
obj = MyClass()
print(obj.attr)  # 触发__get__
obj.attr = "新值"  # 触发__set__

5. 属性访问的完整查找顺序
当访问obj.attr时，Python按以下顺序查找：

1. 数据描述符：在类及其父类中查找实现了__set__或__delete__的描述符
2. 实例属性：在obj.__dict__中查找
3. 非数据描述符：在类及其父类中查找只实现了__get__的描述符
4. 类属性：在类及其父类的__dict__中查找
5. 调用__getattr__（如果定义）

6. 实用的描述符应用：类型验证

class Typed:
    """类型验证描述符"""
    
    def __init__(self, name, expected_type):
        self.name = name
        self.expected_type = expected_type
    
    def __get__(self, instance, owner):
        if instance is None:
            return self
        return instance.__dict__.get(self.name)
    
    def __set__(self, instance, value):
        if not isinstance(value, self.expected_type):
            raise TypeError(f"期望类型 {self.expected_type}，但得到 {type(value)}")
        instance.__dict__[self.name] = value

class Person:
    name = Typed("name", str)
    age = Typed("age", int)
    
    def __init__(self, name, age):
        self.name = name
        self.age = age

# 使用示例
p = Person("Alice", 25)  # 正常
p = Person("Bob", "25")  # 抛出TypeError

7. 描述符与property的关系
property实际上是描述符的高级封装：

# 这两种实现是等价的
class UsingProperty:
    def __init__(self):
        self._x = None
    
    @property
    def x(self):
        return self._x
    
    @x.setter
    def x(self, value):
        self._x = value

# 等价的手动描述符实现
class ManualDescriptor:
    def __get__(self, instance, owner):
        return instance._x
    
    def __set__(self, instance, value):
        instance._x = value

class UsingDescriptor:
    x = ManualDescriptor()

8. 描述符的实际应用场景

• 数据验证和类型检查
• 延迟计算和缓存
• 观察者模式（属性变化通知）
• ORM中的字段映射
• 单位转换和格式化

9. 注意事项

• 描述符实例在类定义时创建，被所有实例共享
• 使用实例字典（instance.__dict__）来存储每个实例特有的数据
• 注意描述符的继承行为
• 考虑描述符与元类的交互

描述符是Python实现高级属性访问控制的核心机制，理解它有助于深入掌握Python的面向对象编程模型。