反射是python开发中常用的功能,伴随开发的整个过程,因此要熟练掌握反射的用法。

  反射常用的函数有四个:hasattr()、getattr()、setattr()和delattr()四个反射的函数。

本文主要介绍python中的反射,以及该机制的简单应用,熟悉JAVA的程序员,一定经常和Class.forName打交道。在很多框架中(Spring,eclipse plugin机制)都依赖于JAVA的反射能力,而在python中,也同样有着强大的反射能力,本文将做简单的介绍。

一、前言

>>> def f1():
  ...     print("f1是这个函数的名字!")

>>> s1 = "f1"

>>> print("%s是个字符串" %s1)
  f1是个字符串

>>> f1
  <function f1 at 0x7fe9b995df28>
  >>> f1()
  f1是这个函数的名字!
  >>> s1()
  Traceback (most recent call last):
    File "<stdin>", line 1, in <module>
  TypeError: 'str' object is not callable

在上面的代码中,我们必须区分两个概念,f1和"f1"。前者是函数f1的函数名,后者只是一个叫"f1"的字符串,两者是不同的事物。我们可以用f1()的方式调用函数f1,但我们不能用"f1"()的方式调用函数。说白了就是,不能通过字符串来调用名字看起来相同的函数!

二、web实例

考虑有这么一个场景,根据用户输入的URL的不同调用不同的函数,实现不同的操作,也就是一个URL路由器的功能,这在Web框架里是核心部件之一。下面有一个精简版的示例:

首先,有一个commons模块,它里面有几个函数,分别用于展示不同的页面,代码如下:

 def login():
print("这是一个登录页面!") def logout():
print("这是一个退出页面!") def home():
print("这是网站主页面!")

其次,有一个visit模块,作为程序入口,接受用户输入,展示相应的页面,代码如下:(这段代码是比较初级的写法)

 import commons
#反射,用判断实现的反射,字符串调用模块的形式
def run():
ing = input("请输入你想访问页面的URL:").strip()
if ing == "login": #判断用户是否要调用login()方法,如果是调用模块commons中的login()方法
commons.login() elif ing == "logout": #判断用户是否要调用logout()方法,如果是调用commons中的logout()方法
commons.logout() elif ing == "home": #判断用户是否要调用home()方法,如果是,调用commons中的home()方法
commons.home() if __name__ == "__main__": #以后使用程序都要写上__name__ == "__main__"作为程序的主入口
run()

  我们运行visit.py,输入:home,页面结果如下:

    请输入你想访问页面的URL:home
  这是网站主页面!

这就实现了一个简单的WEB路由功能,根据不同的url,执行不同的函数,获得不同的页面。

然而,让我们考虑一个问题,如果commons模块里有成百上千个函数呢(这非常正常)?。难道你在visit模块里写上成百上千个elif?显然这是不可能的!那么怎么破?

三、反射机制

仔细观察visit中的代码,我们会发现用户输入的url字符串和相应调用的函数名好像!如果能用这个字符串直接调用函数就好了!但是,前面我们已经说了字符串是不能用来调用函数的。为了解决这个问题,python为我们提供一个强大的内置函数:getattr!我们将前面的visit修改一下,代码如下:

 import commons
#反射,用判断实现的反射,字符串调用模块的形式
def run():
# ing = input("请输入你想访问页面的URL:").strip()
# if ing == "login":
# commons.login()
#
# elif ing == "logout":
# commons.logout()
#
# elif ing == "home":
# commons.home() ing = input("请输入你想访问页面的URL:").strip()
func = getattr(commons,ing) #从模块commons中获取ing等同字符串的函数内存地址
func() #执行从commons模块中获取的函数 if __name__ == "__main__":
run()

首先说明一下getattr函数的使用方法:它接收2个参数,前面的是一个对象或者模块,后面的是一个字符串,注意了!是个字符串!

例子中,用户输入储存在inp中,这个inp就是个字符串,getattr函数让程序去commons这个模块里寻找一个叫inp的成员(是叫,不是等于),这个过程就相当于我们把一个字符串变成一个函数名的过程。然后,把获得的结果赋值给func这个变量,实际上func就指向了commons里的某个函数。最后通过调用func函数实现对commons里函数的调用。这完全就是一个动态访问的过程,一切都不写死,全部根据用户输入来变化。

执行上面的代码,结果和最开始的是一样的。

这就是python的反射,它的核心本质其实就是利用字符串的形式去对象(模块)中操作(查找/获取/删除/添加)成员,一种基于字符串的事件驱动!

这段话,不一定准确,但大概就是这么个意思。

四、进一步完善

上面的代码还有个小瑕疵,那就是如果用户输入一个非法的url,比如jpg,由于在commons里没有同名的函数,肯定会产生运行错误,具体如下:

    请输入你想访问页面的URL:jnp
  Traceback (most recent call last):
    File "/home/zhuzhu/day7/commons/visits.py", line 19, in <module>
      run()
    File "/home/zhuzhu/day7/commons/visits.py", line 15, in run
      func = getattr(commons,ing)
  AttributeError: module 'commons' has no attribute 'jnp'

那怎么办呢?其实,python考虑的很全面了,它同样提供了一个叫hasattr的内置函数,用于判断commons中是否具有某个成员。我们将代码修改一下:

 import commons
#反射,用判断实现的反射,字符串调用模块的形式
def run():
# ing = input("请输入你想访问页面的URL:").strip()
# if ing == "login":
# commons.login()
#
# elif ing == "logout":
# commons.logout()
#
# elif ing == "home":
# commons.home()
ing = input("请输入你想访问页面的URL:").strip()
if hasattr(commons,ing): #判断模块commons中是否包含ing方法,如果包含就获取commons模块中的ing方法
func = getattr(commons,ing)
func()
else:
print() if __name__ == "__main__":
run()
当用户输入home时:
请输入你想访问页面的URL:home
func: <function home at 0x7f4ebd747048>
这是网站主页面!
当用户输入的字符串不是函数名时:
请输入你想访问页面的URL:ing
404

上面getattr(模块名,字符串)获取的是函数的内存地址,如果获取到了就执行函数。

通过hasattr的判断,可以防止非法输入错误,并将其统一定位到错误页面。

其实,研究过python内置函数的朋友,应该注意到还有delattrsetattr两个内置函数。从字面上已经很好理解他们的作用了。

python的四个重要内置函数:getattrhasattrdelattrsetattr较为全面的实现了基于字符串的反射机制。他们都是对内存内的模块进行操作,并不会对源文件进行修改。

五、动态导入模块

上面的例子是在某个特定的目录结构下才能正常实现的,也就是commons和visit模块在同一目录下,并且所有的页面处理函数都在commons模块内。如下图:

但在现实使用环境中,页面处理函数往往被分类放置在不同目录的不同模块中,也就是如下图:

难道我们要在visit模块里写上一大堆的import 语句逐个导入account、manage、commons模块吗?要是有1000个这种模块呢?

刚才我们分析完了基于字符串的反射,实现了动态的函数调用功能,我们不禁会想那么能不能动态导入模块呢?这完全是可以的!

python提供了一个特殊的方法__import__(字符串参数)通过它,我们就可以实现类似的反射功能。__import__()方法会根据参数,动态的导入同名的模块

我们再修改一下上面的visit模块的代码。

 #反射,用判断实现的反射,字符串调用模块的形式
def run():
ing = input("请输入你想访问页面的URL:").strip()
modules,func = ing.split("/")
obj = __import__(modules) #将字符串转化为模块名
print(obj)
if hasattr(commons,func):
func = getattr(commons,func)
print("func:",func)
func()
else:
print() if __name__ == "__main__":
run()
运行一下:
请输入你想访问页面的URL:commons/home
<module 'commons' from '/home/zhuzhu/day7/commons/__init__.py'>
func: <function home at 0x7fcc7ab27048>
这是网站主页面! 请输入你想访问页面的URL:find/home
Traceback (most recent call last):
  File "/home/zhuzhu/day7/commons/visits.py", line 16, in <module>
    run()
  File "/home/zhuzhu/day7/commons/visits.py", line 6, in run
    obj = __import__(modules)     #将字符串转化为模块名
ImportError: No module named 'find'

我们来分析一下上面的代码:

首先,我们并没有定义任何一行import语句;

其次,用户的输入inp被要求为类似“commons/home”这种格式,其实也就是模拟web框架里的url地址,斜杠左边指向模块名右边指向模块中的成员名

然后,modules,func = inp.split("/")处理了用户输入,使我们获得的2个字符串,并分别保存在modules和func变量里。

接下来,最关键的是obj = __import__(modules)这一行,它让程序去导入了modules这个变量保存的字符串同名的模块并将它赋值给obj变量

最后的调用中,getattr去modules模块中调用func成员的含义和以前是一样的。

总结:通过__import__函数,我们实现了基于字符串的动态的模块导入。

同样的,这里也有个小瑕疵!

如果我们的目录结构是这样的(不在同一目录结构):

那么在visit的模块调用语句中,必须进行修改,我们想当然地会这么做:

import commons
#反射,用判断实现的反射,字符串调用模块的形式
def run():
ing = input("请输入你想访问页面的URL:").strip()
modules,func = ing.split("/")
obj = __import__("lib." + modules) #导入文件路径(字符串拼接)将字符串转化为模块名
print(obj)
if hasattr(commons,func):
func = getattr(commons,func)
print("func:",func)
func()
else:
print() if __name__ == "__main__":
run()
运行如下:
请输入你想访问页面的URL:commons/home
Traceback (most recent call last):
  File "/home/zhuzhu/day7/commons/visits.py", line 16, in <module>
    run()
  File "/home/zhuzhu/day7/commons/visits.py", line 6, in run
    obj = __import__("lib" + modules)     #导入文件路径(字符串拼接)将字符串转化为模块名
ImportError: No module named 'libcommons'

改了这么一个地方:obj = __import__("lib." + modules),看起来似乎没什么问题,和import lib.commons的传统方法类似,但实际上运行的时候会有错误。

为什么呢?因为对于lib.xxx.xxx.xxx这一类的模块导入路径,__import__默认只会导入最开头的圆点左边的目录,也就是“lib”。我们可以做个测试,在visit同级目录内新建一个文件,代码如下:

    obj = __import__("lib.commons")

    print(obj)
    执行结果:
     <module 'lib' (namespace)>
 
    这个问题怎么解决呢?加上fromlist = True参数即可!
import commons
#反射,用判断实现的反射,字符串调用模块的形式
def run():
ing = input("请输入你想访问页面的URL:").strip()
modules,func = ing.split("/")
obj = __import__("lib" + modules,fromlist=True) #导入文件路径(字符串拼接)将字符串转化为模块名
print(obj)
if hasattr(commons,func):
func = getattr(commons,func)
print("func:",func)
func()
else:
print() if __name__ == "__main__":
run()

至此,动态导入模块的问题基本都解决了,只剩下最后一个,那就是万一用户输入错误的模块名呢?比如用户输入了somemodules/find,由于实际上不存在somemodules这个模块,必然会报错!那有没有类似上面hasattr内置函数这么个功能呢?答案是没有!碰到这种,你只能通过异常处理来解决

六、最后的思考

可能有人会问python不是有两个内置函数execeval吗?他们同样能够执行字符串。比如:

    >>> exec("print('haha')")     #执行文本操作的函数   eval()是执行字符串运算的函数
  haha
    那么直接使用它们不行吗?非要那么费劲地使用getattr__import__干嘛?

其实,在上面的例子中,围绕的核心主题是如何利用字符串驱动不同的事件,比如导入模块、调用函数等等,这些都是Python的反射机制,是一种编程方法、设计模式的体现,凝聚了高内聚、松耦合的编程思想,不能简单的用执行字符串来代替。当然,exec和eval也有它的舞台,在Web框架里也经常被使用。

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