摘要：最近在閱讀微型框架的源碼，發(fā)現(xiàn)了中有一個(gè)既是裝飾器類又是描述符的有趣實(shí)現(xiàn)。所以第三版的代碼可以這樣寫第三版的代碼沒有使用裝飾器，而是使用了描述符這個(gè)技巧。更大的問題來自如何將描述符與裝飾器結(jié)合起來，因?yàn)槭且粋€(gè)類而不是方法。

最近在閱讀Python微型Web框架Bottle的源碼，發(fā)現(xiàn)了Bottle中有一個(gè)既是裝飾器類又是描述符的有趣實(shí)現(xiàn)。剛好這兩個(gè)點(diǎn)是Python比較的難理解，又混合在一起，讓代碼有些晦澀難懂。但理解代碼之后不由得為Python語(yǔ)言的簡(jiǎn)潔優(yōu)美贊嘆。所以把相關(guān)知識(shí)和想法稍微整理，以供分享。

Bottle是Python的一個(gè)微型Web框架，所有代碼都在一個(gè)bottle.py文件中，只依賴標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)實(shí)現(xiàn)，兼容Python 2和Python 3，而且最新的穩(wěn)定版0.12代碼也只有3700行左右。雖然小，但它實(shí)現(xiàn)了Web框架基本功能。這里就不以過多的筆墨去展示Bottle框架，需要的請(qǐng)?jiān)L問其網(wǎng)站了解更多。這里著重介紹與本文相關(guān)的重要對(duì)象request。在Bottle里，request對(duì)象代表了當(dāng)前線程處理的請(qǐng)求，客戶端發(fā)送的請(qǐng)求數(shù)據(jù)如表單數(shù)據(jù)，請(qǐng)求網(wǎng)站和cookie都可以從request對(duì)象中獲得。下面是官方文檔中的兩個(gè)例子
from bottle import request, route, response, template

# 獲取客戶端cookie以實(shí)現(xiàn)登陸時(shí)問候用戶功能
@route("/hello")
def hello():
    name = request.cookie.username or "Guest"
    return template("Hello {{name}}", name=name)

# 獲取形如/forum?id=1&page=5的查詢字符串中id和page變量的值
route("/forum")
def display_forum():
    forum_id = request.query.id
    page = request.query.page or "1"
    return template("Forum ID: {{id}} (page {{page}})", id=forum_id, page=page)

那么Bottle是如何實(shí)現(xiàn)的呢？根據(jù)WSGI接口規(guī)定，所有的HTTP請(qǐng)求信息都包含在一個(gè)名為envrion的dict對(duì)象中。所以Bottle要做的就是把HTTP請(qǐng)求信息從environ解析出來。在深入Request類如何實(shí)現(xiàn)之前先要了解下Bottle的FormsDict。FormsDict與字典類相似，但擴(kuò)展了一些功能，比如支持屬性訪問、一對(duì)多的鍵值對(duì)、WTForms支持等。它在Bottle中被廣泛應(yīng)用，如上面的示例中cookie和query數(shù)據(jù)都以FormsDict存儲(chǔ)，所以我們可以用request.query.page的方式獲取相應(yīng)屬性值。
下面是0.12版Bottle中Request類的部分代碼，0.12版中Request類繼承了BaseRequest，為了方便閱讀我把代碼合并在一起，同時(shí)還有重要的DictProperty的代碼。需要說明的是Request類__init__傳入的environ參數(shù)就是WSGI協(xié)議中包含HTTP請(qǐng)求信息的envrion，而query方法中的_parse_qsl函數(shù)可以接受形如/forum?id=1&page=5原始查詢字符串然后以[(key1, value1), (ke2, value2), ...]的list返回。

class DictProperty(object):
    """ Property that maps to a key in a local dict-like attribute. """

    def __init__(self, attr, key=None, read_only=False):
        self.attr, self.key, self.read_only = attr, key, read_only

    def __call__(self, func):
        functools.update_wrapper(self, func, updated=[])
        self.getter, self.key = func, self.key or func.__name__
        return self

    def __get__(self, obj, cls):
        if obj is None: return self
        key, storage = self.key, getattr(obj, self.attr)
        if key not in storage: storage[key] = self.getter(obj)
        return storage[key]

    def __set__(self, obj, value):
        if self.read_only: raise AttributeError("Read-Only property.")
        getattr(obj, self.attr)[self.key] = value

    def __delete__(self, obj):
        if self.read_only: raise AttributeError("Read-Only property.")
        del getattr(obj, self.attr)[self.key]

class Request:
    def __init__(self, environ=None):
        self.environ {} if environ is None else envrion
        self.envrion["bottle.request"] = self
    
    @DictProperty("environ", "bottle.request.query", read_only=True)
    def query(self):
        get = self.environ["bottle.get"] = FormsDict()
        pairs = _parse_qsl(self.environ.get("QUERY_STRING", ""))
        for key, value in pairs:
            get[key] = value
        return get

query方法的邏輯和代碼都比較簡(jiǎn)單，就是從environ中獲取"QUERY_STRING"，并用把原始查詢字符串解析為一個(gè)FormsDict，將這個(gè)FormsDict賦值給environ["bottle.request.query"]并返回。但這個(gè)函數(shù)的裝飾器的作用就有些難以理解，裝飾器的實(shí)現(xiàn)方式都是"dunder"特殊方法，有些晦澀難懂。如果上來就看這些源碼可能難以理解代碼實(shí)現(xiàn)的功能。那不如這些放一邊，假設(shè)自己要實(shí)現(xiàn)這些方法，你會(huì)寫出什么代碼。
一開始你可能寫出這樣的代碼。

# version 1
class Request:
    """
    some codes here
    """
    def query(self):
        get = self.environ["bottle.get"] = FormsDict()
        pairs = _parse_qsl(self.environ.get("QUERY_STRING", ""))
        for key, value in pairs:
            get[key] = value
        return get

這樣確實(shí)實(shí)現(xiàn)了解析查詢字符串的功能，但每次在調(diào)用這個(gè)方法時(shí)都需要對(duì)原始查詢字符串解析一次，實(shí)際上在處理某特請(qǐng)求時(shí)，查詢字符串是不會(huì)改變的，所以我們只需要解析一次并把它保存起來，下次使用時(shí)直接返回就好了。另外此時(shí)的query方法還是一個(gè)普通方法，必須使用這樣的方法來調(diào)用它

# 獲取id
request.query().id
# 獲取page
request.query().page

query后面的小括號(hào)讓語(yǔ)句顯得不那么協(xié)調(diào)，其實(shí)就是我覺得它丑。要是也能和官方文檔中的示例實(shí)現(xiàn)以屬性訪問的方式獲取相應(yīng)的數(shù)據(jù)就好了。所以代碼還得改改。

# query method version 2
class Request:
    """
    some codes here
    """
    @property
    def query(self):
        if "bootle.get.query" not in self.environ:
            get = self.environ["bottle.get"] = FormsDict()
            pairs = _parse_qsl(self.environ.get("QUERY_STRING", ""))
            for key, value in pairs:
                get[key] = value
        return self.environ["bottle.get.query"]

第二版改變的代碼就兩處，一個(gè)是使用property裝飾器，實(shí)現(xiàn)了request.query的訪問方式；另一個(gè)就是在query函數(shù)體中增加了判斷"bottle.get.query"是否在environ中的判斷語(yǔ)句，實(shí)現(xiàn)了只解析一次的要求。第二版幾乎滿足了所有要求，它表現(xiàn)得就像Bottle中真正的query方法一樣。但它還是有些缺陷。
首先，Request類并不只有query一個(gè)方法，如果要編寫完整的Request類就會(huì)發(fā)現(xiàn)，有很多方法的代碼與query相似，都是從environ中解析出需要的數(shù)據(jù)，而且都只需要解析一次，保存起來，第二次或以后訪問時(shí)返回保存的數(shù)據(jù)就好了。所以可以考慮將屬性管理的代碼從方法體內(nèi)抽象出來，正好Python中的描述符可以實(shí)現(xiàn)這樣的功能。另外如果使用Bottle的開發(fā)者在寫代碼時(shí)不小心嘗試進(jìn)行request.query = some_data的賦值時(shí)，將會(huì)拋出如下錯(cuò)誤。

>>> AttributeError: can"t set attribute

我們確實(shí)希望屬性是只讀的，在對(duì)其賦值時(shí)應(yīng)該拋出錯(cuò)誤，但這樣的報(bào)錯(cuò)信息并沒有提供太多有用的信息，導(dǎo)致調(diào)bug時(shí)一頭霧水，找不到方向。我們更希望拋出如

>>> AttributeError: Read-only property

這樣明確的錯(cuò)誤信息。
所以第三版的代碼可以這樣寫

# query method version 3
class Descriptor:
    def __init__(self, attr, key, getter, read_only=False):
        self.attr = attr
        self.key = key
        self.getter = getter
        self.read_only = read_only
    
    def __set__(self, obj, value):
        if self.read_only:
                raise AttributeError("Read only property.")
        getattr(obj, self.attr)[self.key] = value
    
    def __get__(self, obj, cls):
        if obj is None:
            return self
        key, storage = self.key, getattr(obj, self.attr)
        if key not in storage:
            storage[key] = self.getter(obj)
        return storage[key]
    
    def __delete__(self, obj):
        if self.read_only:
            raise AttributeError("Read only property.")
        del getattr(obj, self.attr)[self.key]

class Reqeust:
    """
    some codes
    """
    def query(self):
        get = self.environ["bottle.get"] = FormsDict()
        pairs = _parse_qsl(self.environ.get("QUERY_STRING", ""))
        for key, value in pairs:
            get[key] = value
        return get  
    query = Descriptor("environ", "bottle.get.query", query, read_only=True)

第三版的代碼沒有使用property裝飾器，而是使用了描述符這個(gè)技巧。如果你之前沒有見到過描述符，在這里限于篇幅只能做個(gè)簡(jiǎn)單的介紹，但描述符涉及知識(shí)點(diǎn)眾多，如果有不清楚之處可以看看《流暢的Python》第20章屬性描述符，里面有非常詳細(xì)的介紹。
簡(jiǎn)單來說，描述符是對(duì)多個(gè)屬性運(yùn)用相同存取邏輯的一種方式，如Bottle框架里我們需要對(duì)很多屬性都進(jìn)行判斷某個(gè)鍵是否在environ中，如果在則返回，如果不在，需要解析一次這樣的存取邏輯。而描述符需要實(shí)現(xiàn)特定協(xié)議，包括__set__, __get__, __delete___方法，分別對(duì)應(yīng)設(shè)置，讀取和刪除屬性的方法。他么的參數(shù)也比較特殊，如__get__方法的三個(gè)參數(shù)self, obj, cls分別對(duì)應(yīng)描述符實(shí)例的引用，對(duì)第三版的代碼來說就是Descriptor("environ", "bottle.get.query", query, read_only=True)創(chuàng)建的實(shí)例的引用；obj則對(duì)應(yīng)將某個(gè)屬性托管給描述的實(shí)例對(duì)象的引用，對(duì)應(yīng)的應(yīng)該為request對(duì)象；而cls則為Request類的引用。在調(diào)用request.query時(shí)編譯器會(huì)自動(dòng)傳入這些參數(shù)。如果以Request.query的方式調(diào)用，那么obj參數(shù)的傳入值為None，這時(shí)候通常的處理是返回描述符實(shí)例。
在Descriptor中__get__方法的代碼最多，也比較難理解，但如果記住其參數(shù)的意義也沒那么難。下面以query的實(shí)現(xiàn)為例，我添加一些注釋來幫助理解

key, storage = self.key, getattr(obj, self.attr)
# key="bottle.get.query"
# storage = environ 即包含HTTP請(qǐng)求的信息的environ

# 判斷envrion中是否包含key來決定是否需要解析
if key not in storage:
    storage[key] = self.getter(obj)
    # self.getter(obj)就是調(diào)用了原來的query方法，不過要傳入一個(gè)Request實(shí)例，也就是obj
return storage[key]

而__set__, __delete__代碼比較簡(jiǎn)單，在這里我們把只讀屬性在賦值和刪除時(shí)拋出的錯(cuò)誤定制為AttributeError("Read only property.")，方便調(diào)試。
通過使用描述符這個(gè)有些難懂的方法，我們可以在Request的方法中專心于編寫如何解析的代碼，不用擔(dān)心屬性的存取邏輯。和在每個(gè)方法中都使用if判斷相比高到不知道哪里去。但美中不足的是，這樣讓我們的方法代碼后面拖著一個(gè)“小尾巴”，即

query = Descriptor("envrion", "bottle.get.query", query, read_only=True)

怎么去掉這個(gè)這個(gè)“小尾巴“呢？回顧之前的代碼幾乎都是對(duì)query之類的方法進(jìn)行修飾，所以可以嘗試使用裝飾器，畢竟裝飾器就是對(duì)某個(gè)函數(shù)進(jìn)行修飾的，而且我們應(yīng)該使用參數(shù)化的裝飾器，這樣才能將envrion等參數(shù)傳遞給裝飾器。如果要實(shí)現(xiàn)參數(shù)化裝飾器就需要一個(gè)裝飾器工廠函數(shù)，也就是說裝飾器的代碼里需要嵌套至少3個(gè)函數(shù)體，寫起來有寫繞，代碼可閱讀性也有差。更大的問題來自如何將描述符與裝飾器結(jié)合起來，因?yàn)镈escriptor是一個(gè)類而不是方法。
解決辦法其實(shí)挺簡(jiǎn)單的。如果知道Python中函數(shù)也是對(duì)象，實(shí)現(xiàn)了__call__方法的對(duì)象可以表現(xiàn)得像函數(shù)一樣。所以我們可以修改Descirptor的代碼，實(shí)現(xiàn)__call__方法，讓它的實(shí)例成為callable對(duì)象就可以把它用作裝飾器；而要傳入的參數(shù)可以以實(shí)例屬性存儲(chǔ)起來，通過self.attribute的形式訪問，而不是像使用工廠函數(shù)實(shí)現(xiàn)參數(shù)化裝飾器時(shí)通過閉包來實(shí)現(xiàn)參數(shù)的訪問獲取。這時(shí)候再來看看Bottle里的DictProperty代碼

class DictProperty(object):
    """ Property that maps to a key in a local dict-like attribute. """

    def __init__(self, attr, key=None, read_only=False):
        self.attr, self.key, self.read_only = attr, key, read_only

    def __call__(self, func):
        functools.update_wrapper(self, func, updated=[])
        self.getter, self.key = func, self.key or func.__name__
        return self

    def __get__(self, obj, cls):
        if obj is None: return self
        key, storage = self.key, getattr(obj, self.attr)
        if key not in storage: storage[key] = self.getter(obj)
        return storage[key]

    def __set__(self, obj, value):
        if self.read_only: raise AttributeError("Read-Only property.")
        getattr(obj, self.attr)[self.key] = value

    def __delete__(self, obj):
        if self.read_only: raise AttributeError("Read-Only property.")
        del getattr(obj, self.attr)[self.key]

其實(shí)就是一個(gè)有描述符作用的裝飾器類，它的使用方法很簡(jiǎn)單：

@DictProperty("environ", "bottle.get.query", read_only=True)
def query(self):
    """ some codes """

拆開會(huì)更好理解點(diǎn)：

property = DictProperty("environ", "bottle.get.query", read_only=True)
@property
def query(self):
    """ some codes """

再把@實(shí)現(xiàn)的語(yǔ)法糖拆開：

def query(self):
    """ some codes """

property = DictProperty("environ", "bottle.get.query", read_only=True)
query = property(query) # @實(shí)現(xiàn)的語(yǔ)法糖
再修改以下代碼形式：

def query(self):
    """ some codes """

query = DictProperty("environ", "bottle.get.query", read_only=True)(query)
是不是和第三版的實(shí)現(xiàn)方式非常相似。

def query(self):
    """ some codes """

query = Descriptor("environ", "bottle.get.query", query, read_only=True)

但我們可以使用裝飾器把方法體后面那個(gè)不和諧的賦值語(yǔ)句”小尾巴“去掉，將屬性存取管理抽象出來，而且只需要使用一行非常簡(jiǎn)便的裝飾器把這個(gè)功能添加到某個(gè)方法上。這也許就是Python的美之一吧。

DictProperty涉及知識(shí)遠(yuǎn)不止文中涉及的那么簡(jiǎn)單，如果你還是不清楚DictProperty的實(shí)現(xiàn)功能，建議閱讀《流暢的Python》第7章和第22章，對(duì)裝飾器和描述符有詳細(xì)的描述，另外《Python Cookbook》第三版第9章元編程有關(guān)于參數(shù)化裝飾器和裝飾器類的敘述和示例。如果你對(duì)Bottle為什么要實(shí)現(xiàn)這樣的功能感到困惑，建議閱讀Bottle的文檔和WSGI相關(guān)的文章。
其實(shí)前一陣再閱讀Bottle源碼時(shí)就想寫一篇文章，但奈何許久不寫東西文筆生疏加上醫(yī)院實(shí)習(xí)期間又比較忙，一直推到現(xiàn)在才終于磕磕絆絆地把我閱讀的Bottle源碼的一些感悟?qū)懗鰜恚Ｍ麑?duì)喜歡Python的各位有些幫助把。