Python中的`__slots__`与内存节省的边界：继承、多态与描述符的影响

Python __slots__：内存优化、继承、多态与描述符的复杂交互

大家好，今天我们来深入探讨Python中一个重要的内存优化手段：__slots__。虽然 __slots__ 经常被提及为一种简单的减少对象内存占用的方法，但它与继承、多态和描述符的交互却远比表面上看起来复杂。理解这些交互对于编写高效且可维护的Python代码至关重要。

__slots__ 的基本原理

默认情况下，Python使用字典（__dict__）来存储对象的属性。这种方式非常灵活，允许我们在运行时动态地添加、删除属性。然而，字典的灵活性也带来了内存开销。对于拥有大量对象的应用程序，这种开销可能会变得显著。

__slots__ 允许我们显式地声明一个类可以拥有的属性。通过指定 __slots__，我们告诉Python不要使用 __dict__，而是为每个实例分配固定大小的空间来存储指定的属性。这可以显著减少内存占用，特别是对于创建大量实例的类。

以下是一个简单的例子：

class Point:
    __slots__ = ('x', 'y')

    def __init__(self, x, y):
        self.x = x
        self.y = y

p = Point(10, 20)
# p.__dict__  # 会抛出 AttributeError: 'Point' object has no attribute '__dict__'

在这个例子中，Point 类定义了 __slots__，指定了它只允许拥有 x 和 y 属性。尝试访问 p.__dict__ 将会引发 AttributeError，因为 Point 实例不再拥有 __dict__。

内存节省原理：

使用 __slots__ 节省内存的主要原因在于：

1. 避免创建 __dict__: 每个对象的 __dict__ 都会占用一定的内存，即使对象没有属性。__slots__ 移除了这个默认的字典。
2. 节省存储开销: 使用 __dict__ 时，属性名作为键存储在字典中，而值作为字典的值存储。__slots__ 使用更紧凑的内部表示，例如一个简单的数组，来存储属性值。
3. 避免使用 __weakref__: 默认情况下，Python 会为每个对象创建一个 __weakref__ 属性，用于弱引用。__slots__ 默认情况下也会阻止创建 __weakref__，除非显式地包含它。

__slots__ 的局限性与副作用

虽然 __slots__ 可以带来显著的内存优化，但它也引入了一些限制：

1. 动态属性限制: 无法在运行时动态地添加未在 __slots__ 中声明的属性。

   class Point:
       __slots__ = ('x', 'y')
   
       def __init__(self, x, y):
           self.x = x
           self.y = y
   
   p = Point(10, 20)
   # p.z = 30  # 会抛出 AttributeError: 'Point' object has no attribute 'z'

2. 多重继承的复杂性: 当使用 __slots__ 进行多重继承时，需要特别小心，以避免命名冲突和意外的行为。

3. 与某些库的兼容性问题: 一些依赖于对象 __dict__ 的库可能无法与使用了 __slots__ 的类正常工作。

4. 性能影响：虽然通常可以减少内存占用，但在某些情况下，由于属性访问方式的改变，可能会略微降低属性访问速度。

__slots__ 与继承

__slots__ 的继承行为比较复杂，需要仔细考虑。

• 子类未定义 __slots__: 如果子类没有定义 __slots__，那么它将拥有 __dict__，并且可以动态添加属性。这意味着子类不会继承父类的 __slots__ 限制，父类的 __slots__ 提供的内存优化也因此失效。

  class Point:
      __slots__ = ('x', 'y')
  
      def __init__(self, x, y):
          self.x = x
          self.y = y
  
  class ColorPoint(Point):
      def __init__(self, x, y, color):
          super().__init__(x, y)
          self.color = color  # 可以添加 color 属性，因为 ColorPoint 有 __dict__
  
  cp = ColorPoint(10, 20, "red")
  print(cp.color)  # 输出: red
  print(cp.__dict__) #输出: {'color': 'red'}

• 子类定义了 __slots__: 如果子类定义了 __slots__，并且父类也定义了 __slots__，那么子类的 __slots__ 只会包含它自己的属性，而不会自动继承父类的 __slots__。为了确保子类也具有父类的 __slots__ 带来的内存优化，需要将父类的 __slots__ 合并到子类的 __slots__ 中。

  class Point:
      __slots__ = ('x', 'y')
  
      def __init__(self, x, y):
          self.x = x
          self.y = y
  
  class ColorPoint(Point):
      __slots__ = ('color',)  # 错误：没有包含父类的 x 和 y
  
      def __init__(self, x, y, color):
          Point.__init__(self,x,y) #必须显式调用父类的init
          self.color = color
  
  cp = ColorPoint(10, 20, "red")
  #print(cp.x)  # 会抛出 AttributeError: 'ColorPoint' object has no attribute 'x'
  
  class BetterColorPoint(Point):
      __slots__ = ('color', 'x', 'y') #或者__slots__ = ('color', *Point.__slots__)
  
      def __init__(self, x, y, color):
          Point.__init__(self,x,y)
          self.color = color
  
  bcp = BetterColorPoint(10, 20, "red")
  print(bcp.x) # 输出 10

  注意： 在 BetterColorPoint 中，我们显式地将父类的 __slots__ (x 和 y) 添加到了子类的 __slots__ 中。 这确保了 BetterColorPoint 实例也受益于 __slots__ 带来的内存优化。 此外，父类的__init__ 方法需要显式调用，因为子类没有自动继承它。

• 多重继承与 __slots__ 冲突: 当一个类从多个定义了 __slots__ 的父类继承时，如果父类之间有同名的 __slots__，会引发 TypeError。为了解决这个问题，可以使用只继承一个定义了__slots__的父类，或者使用描述符。

  class Base1:
      __slots__ = ('a',)
  
  class Base2:
      __slots__ = ('b',)
  
  # class Derived(Base1, Base2): # 错误，因为 Base1 和 Base2 都有 __slots__
  #     pass

  解决办法：

  class Mixin:
      def __init__(self, *args, **kwargs):
          super().__init__(*args, **kwargs)
          self.__dict__ = {} #引入一个__dict__
  class Base1:
      __slots__ = ('a',)
  
  class Base2:
      __slots__ = ('b',)
  
  class Derived(Base1, Base2, Mixin):
      pass
  
  d = Derived()
  d.c = 10 #可以动态添加属性
  print(d.c)

__slots__ 与多态

__slots__ 对多态的影响主要体现在属性访问方式上。虽然 __slots__ 限制了动态属性的添加，但它并不妨碍多态的实现。只要子类正确地继承或重新定义了父类的属性，多态仍然可以正常工作。

class Animal:
    __slots__ = ('name',)

    def __init__(self, name):
        self.name = name

    def make_sound(self):
        raise NotImplementedError("Subclasses must implement make_sound method")

class Dog(Animal):
    __slots__ = () #注意这里，Dog 继承 Animal, 并且定义了空的 __slots__

    def make_sound(self):
        return "Woof!"

class Cat(Animal):
    __slots__ = () #注意这里，Cat 继承 Animal, 并且定义了空的 __slots__
    def make_sound(self):
        return "Meow!"

def animal_sound(animal: Animal):
    return animal.make_sound()

dog = Dog("Buddy")
cat = Cat("Whiskers")

print(animal_sound(dog))  # 输出: Woof!
print(animal_sound(cat))  # 输出: Meow!

在这个例子中，Dog 和 Cat 都继承了 Animal 类，并重写了 make_sound 方法。animal_sound 函数接受一个 Animal 类型的参数，并调用其 make_sound 方法。由于多态性，即使 dog 和 cat 是 Animal 的子类，animal_sound 函数也能正确地调用它们各自的 make_sound 方法。

注意： 虽然 Dog 和 Cat 定义了空的 __slots__，但它们仍然可以继承 Animal 类的 name 属性，因为 Animal 类定义了 __slots__ = ('name',)。 如果 Dog 和 Cat 也想使用 __slots__ 来优化内存， 它们需要将 name 添加到自己的 __slots__ 中。

__slots__ 与描述符

描述符是一种强大的Python特性，它允许我们自定义属性访问的行为。描述符可以与 __slots__ 一起使用，以实现更精细的属性控制和验证。

class ValidatedInteger:
    def __init__(self, name):
        self.name = name

    def __get__(self, instance, owner):
        if instance is None:
            return self
        return instance.__dict__[self.name] #因为描述符需要使用__dict__

    def __set__(self, instance, value):
        if not isinstance(value, int):
            raise TypeError(f"{self.name} must be an integer")
        instance.__dict__[self.name] = value

class Point:
    __slots__ = ('_x', '_y') #注意，为了兼容描述符，这里使用 _x 和 _y

    x = ValidatedInteger('_x')
    y = ValidatedInteger('_y')

    def __init__(self, x, y):
        self.x = x
        self.y = y

p = Point(10, 20)
print(p.x)  # 输出: 10

# p.x = "hello"  # 会抛出 TypeError: x must be an integer

#print(p.__dict__) #使用描述符后，即使有slots，仍然会创建__dict__

在这个例子中，ValidatedInteger 是一个描述符，它验证属性的值是否为整数。Point 类使用 ValidatedInteger 描述符来定义 x 和 y 属性。这意味着当我们访问或设置 p.x 或 p.y 时，ValidatedInteger 描述符的 __get__ 和 __set__ 方法会被调用。

注意： 为了使描述符能够正常工作，我们需要使用 __dict__ 来存储属性值。因此，在 Point 类中，我们使用了 _x 和 _y 作为实际存储属性值的 __slots__，并将 x 和 y 定义为描述符。 这样，我们既可以利用 __slots__ 来减少内存占用，又可以使用描述符来实现属性验证。 另外，使用了描述符后，即使有slots，仍然会创建__dict__。

表格总结：__slots__、继承、多态、描述符的交互

特性	行为	注意事项
__slots__	限制对象属性，减少内存占用。	无法动态添加属性，可能与某些库不兼容。
继承	子类不会自动继承父类的 __slots__。	需要显式地将父类的 __slots__ 合并到子类的 __slots__ 中。多重继承时可能出现命名冲突。
多态	不妨碍多态的实现，只要子类正确地继承或重新定义了父类的属性。	无特殊注意事项。
描述符	可以与 __slots__ 一起使用，以实现更精细的属性控制和验证。	为了使描述符能够正常工作，需要使用 __dict__ 来存储属性值。需要小心处理 __slots__ 和描述符之间的交互。

何时使用 __slots__

使用 __slots__ 的最佳时机是当你需要创建大量的对象实例，并且这些实例的属性是固定的。例如，在游戏开发、数据处理和科学计算等领域，__slots__ 可以显著减少内存占用，提高程序的性能。

另一方面，如果你的类需要动态地添加属性，或者你需要与依赖于对象 __dict__ 的库进行交互，那么最好避免使用 __slots__。

结语：理解 __slots__ 的复杂性

__slots__ 是一个强大的内存优化工具，但它也引入了一些复杂性。理解 __slots__ 与继承、多态和描述符的交互对于编写高效且可维护的Python代码至关重要。 在决定是否使用 __slots__ 时，需要权衡内存优化带来的好处和限制带来的不便。 在实际应用中，需要根据具体情况进行选择。

希望今天的讲解能够帮助大家更深入地理解 __slots__，并在实际开发中灵活运用它。

使用场景和注意事项

__slots__ 在特定场景下非常有用，但也有一些需要注意的地方：

• 数据类： 对于表示数据的类（例如，数据库记录、网络数据包），__slots__ 可以显著减少内存占用。

• 性能敏感的应用： 在性能至关重要的应用中，例如游戏引擎、高性能计算等，使用 __slots__ 可以提高程序的运行速度。

• API 设计： 如果你的类是公共 API 的一部分，那么使用 __slots__ 可能会限制用户的灵活性。 需要仔细考虑是否值得为了内存优化而牺牲 API 的灵活性。

• 测试： 在测试使用了 __slots__ 的类时，需要注意测试代码是否依赖于对象 __dict__。 如果是，需要修改测试代码以适应 __slots__ 的限制。

最后的建议：合理利用，谨慎权衡

__slots__ 是一个有用的工具，但它并不是万能的。 在使用 __slots__ 时，需要仔细权衡内存优化带来的好处和限制带来的不便。 只有在真正需要内存优化，并且能够接受 __slots__ 带来的限制时，才应该使用它。 理解其运作方式和影响，可以帮助我们做出更明智的决策。

更多IT精英技术系列讲座，到智猿学院