Python中class内置方法__init__与__new__作用与区别解析

背景

最近尝试了解Django中ORM实现的原理，发现其用到了metaclass(元类)这一技术，进一步又涉及到Python class中有两个特殊内置方法__init__与__new__，决定先尝试探究一番两者的具体作用与区别。
PS: 本文中涉及的类均为Python3中默认的新式类，对应Python2中则为显式继承了object的class，因为未继承object基类的旧式类并没有这些内置方法。

__init__方法作用

凡是使用Python自定义过class就必然要和__init__方法打交道，因为class实例的初始化工作即由该函数负责，实例各属性的初始化代码一般都写在这里。事实上之前如果没有认真了解过class实例化的详细过程，会很容易误认为__init__函数就是class的构造函数，负责实例创建(内存分配)、属性初始化工作，但实际上__init__只是负责第二步的属性初始化工作，第一步的内存分配工作另有他人负责--也就是__new__函数。

__new__方法作用

__new__是一个内置staticmethod，其首个参数必须是type类型--要实例化的class本身，其负责为传入的class type分配内存、创建一个新实例并返回该实例，该返回值其实就是后续执行__init__函数的入参self，大体执行逻辑其实可以从Python的源码typeobject.c中定义的type_call函数看出来：

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); # 这里先执行tp_new分配内存、创建对象返回obj
     obj = _Py_CheckFunctionResult((PyObject*)type, obj, NULL);
 ...
     type = Py_TYPE(obj); # 这里获取obj的class类型，并判定有tp_init则执行该初始化函数
     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;
}

执行代码class(*args, **kwargs) 时，其会先调用type_new函数分配内存创建实例并返回为obj，而后通过Py_TYPE(obj)获取其具体type，再进一步检查type->tp_init不为空则执行该初始化函数。

__init__ && __new__联系

上面已经明确__new__负责内存分配创建好实例，__init__负责实例属性的相关初始化工作，乍看上去对于实例属性的初始化代码完全可以也放在__new__之中，即__new__同时负责对象创建、属性初始化，省去多定义一个__init__函数的工作，那为什么要把这两个功能拆分开来呢？
stackoverflow上有一个回答感觉比较合理:

As to why they're separate (aside from simple historical reasons): __new__ methods require a bunch of boilerplate to get right (the initial object creation, and then remembering to return the object at the end). __init__ methods, by contrast, are dead simple, since you just set whatever attributes you need to set.

大意是__new__方法自定义要求保证实例创建、并且必须记得返回实例对象的一系列固定逻辑正确，而__init__方法相当简单只需要设置想要设置的属性即可，出错的可能性就很小了，绝大部分场景用户完全只需要更改__init__方法，用户无需感知__new__的相关逻辑。
另外对于一个实例理论上是可以通过多次调用__init__函数进行初始化的，但是任何实例都只可能被创建一次，因为每次调用__new__函数理论上都是创建一个新实例返回(特殊情况如单例模式则只返回首次创建的实例)，而不会存在重新构造已有实例的情况。
针对__init__可被多次调用的情况，mutable和immutable对象会有不同的行为，因为immutable对象从语义上来说首次创建、初始化完成后就不可以修改了，所以后续再调用其__init__方法应该无任何效果才对，如下以list和tuple为例可以看出：

In [1]: a = [1, 2, 3]; print(id(a), a)
4590340288 [1, 2, 3]
# 对list实例重新初始化改变其取值为[4, 5]
In [2]: a.__init__([4, 5]); print(id(a), a)
4590340288 [4, 5]

In [3]: b = (1, 2, 3); print(id(b), b)
4590557296 (1, 2, 3)
# 对tuple实例尝试重新初始化并无任何效果，符合对immutable类型的行为预期
In [4]: b.__init__((4, 5)); print(id(b), b)
4590557296 (1, 2, 3)

这里可以看出将实例创建、初始化工作独立拆分后的一个好处是：要自定义immutable class时，就应该自定义该类的__new__方法，而非__init__方法，对于immutable class的定义更方便了。

使用__new__的场景

上面已经说过对于绝大部分场景自定义__init__函数初始化实例已经能cover住需求，完全不需要再自定义__new__函数，但是终归是有一些“高端”场景需要自定义__new__的，经过阅读多篇资料，这里大概总结出了两个主要场景举例如下。

定义、继承immutable class

之前已经说过__int__与__new__的拆分使immutable class的定义更加方便了，因为只需要自定义仅在创建时会调用一次的__new__方法即可保证后面任意调用其__init__方法也不会有副作用。
而如果是继承immutable class，要自定义对应immutable 实例的实例化过程，也只能通过自定义__new__来实现，更改__init__是没有用的，如下尝试定义一个PositiveTuple，其继承于tuple，但是会将输入数字全部转化为正数。
首先尝试自定义__init__的方法：

In [95]: class PositiveTuple(tuple):
    ...:     def __init__(self, *args, **kwargs):
    ...:         print('get in init one, self:', id(self), self)
    ...:         # 直接通过索引赋值的方式会报: PositiveTuple' object does not support item assignment
    ...:         # for i, x in enumerate(self):
    ...:         #     self[i] = abs(x)
    ...:         # 只能尝试对self整体赋值
    ...:         self = tuple(abs(x) for x in self)
    ...:         print('get in init two, self:', id(self), self)
    ...:

In [96]: t = PositiveTuple([-3, -2, 5])
get in init one, self: 4590714416 (-3, -2, 5)
get in init two, self: 4610402176 (3, 2, 5)

In [97]: print(id(t), t)
4590714416 (-3, -2, 5)

可以看到虽然在__init__中重新对self进行了赋值，其实只是相当于新生成了一个tuple对象4610402176，t指向的依然是最开始生成好的实例4590714416。
如下为使用自定义__new__的方法：

In [128]: class PositiveTuple(tuple):
     ...:     def __new__(cls, *args, **kwargs):
     ...:         self = super().__new__(cls, *args, **kwargs)
     ...:         print('get in init one, self:', id(self), self)
     ...:         # 直接通过索引赋值的方式会报: PositiveTuple' object does not support item assignment
     ...:         # for i, x in enumerate(self):
     ...:         #     self[i] = abs(x)
     ...:         # 只能尝试对self整体赋值
     ...:         self = tuple(abs(x) for x in self)
     ...:         print('get in init two, self:', id(self), self)
     ...:         return self
     ...:
     ...:
In [129]: t = PositiveTuple([-3, -2, 5])
get in init one, self: 4621148432 (-3, -2, 5)
get in init two, self: 4611736752 (3, 2, 5)

In [130]: print(id(t), t)
4611736752 (3, 2, 5)

可以看到一开始调用super.__new__时其实已经创建了一个实例4621148432，而后通过新生成一个全部转化为正数的tuple 4611736752赋值后返回，最终返回的实例t也就最终需要的全正数tuple。

使用metaclass

另一个使用__new__函数的场景是metaclass，这是一个号称99%的程序员都可以不用了解的“真高端”技术，也是Django中ORM实现的核心技术，目前本人也还在摸索、初学之中，这里推荐一篇文章科普：https://www.jb51.net/article/137718.htm ，以后有机会再单独写一篇blog探究。

参考文献

https://stackoverflow.com/a/4859181/11153091
https://www.liaoxuefeng.com/wiki/1016959663602400/1017592449371072
https://xxhs-blog.readthedocs.io/zh_CN/latest/how_to_be_a_rich_man.html
https://blog.csdn.net/luoweifu/article/details/82732313

https://www.cnblogs.com/wdliu/p/6757511.html

到此这篇关于Python中class内置方法__init__与__new__作用与区别探究的文章就介绍到这了,更多相关Python class内置方法内容请搜索脚本之家以前的文章或继续浏览下面的相关文章希望大家以后多多支持脚本之家！