簡單談談python的反射機制

對編程語言比較熟悉的朋友，應該知道“反射”這個機制。Python作為一門動態語言，當然不會缺少這一重要功能。然而，在網絡上卻很少見到有詳細或者深刻的剖析論文。下面結合一個web路由的實例來闡述python的反射機制的使用場景和核心本質。

一、前言 
def f1():
  print("f1是這個函數的名字！")
 
s = "f1"
print("%s是個字符串" % s)

　　在上面的代碼中，我們必須區分兩個概念，f1和“f1"。前者是函數f1的函數名，后者只是一個叫”f1“的字符串，兩者是不同的事物。我們可以用f1()的方式調用函數f1，但我們不能用"f1"()的方式調用函數。說白了就是，不能通過字符串來調用名字看起來相同的函數！

二、web實例

　　考慮有這么一個場景，根據用戶輸入的url的不同，調用不同的函數，實現不同的操作，也就是一個url路由器的功能，這在web框架里是核心部件之一。下面有一個精簡版的示例：

　　首先，有一個commons模塊，它里面有幾個函數，分別用于展示不同的頁面，代碼如下：
def login():
  print("這是一個登陸頁面！")
 
def logout():
  print("這是一個退出頁面！")
 
def home():
  print("這是網站主頁面！")

　　其次，有一個visit模塊，作為程序入口，接受用戶輸入，展示相應的頁面，代碼如下：（這段代碼是比較初級的寫法）
import commons
 
def run():
  inp = input("請輸入您想訪問頁面的url： ").strip()
  func = getattr(commons,inp)
  func()
 
if __name__ == '__main__':
  run()

　　首先說明一下getattr函數的使用方法：它接收2個參數，前面的是一個對象或者模塊，后面的是一個字符串，注意了！是個字符串！

　　例子中，用戶輸入儲存在inp中，這個inp就是個字符串，getattr函數讓程序去commons這個模塊里，尋找一個叫inp的成員（是叫，不是等于），這個過程就相當于我們把一個字符串變成一個函數名的過程。然后，把獲得的結果賦值給func這個變量，實際上func就指向了commons里的某個函數。最后通過調用func函數，實現對commons里函數的調用。這完全就是一個動態訪問的過程，一切都不寫死，全部根據用戶輸入來變化。

　　執行上面的代碼，結果和最開始的是一樣的。

　　這就是python的反射，它的核心本質其實就是利用字符串的形式去對象（模塊）中操作（查找/獲取/刪除/添加）成員，一種基于字符串的事件驅動！

　　這段話，不一定準確，但大概就是這么個意思。

四、進一步完善

　　上面的代碼還有個小瑕疵，那就是如果用戶輸入一個非法的url，比如jpg，由于在commons里沒有同名的函數，肯定會產生運行錯誤，具體如下：
請輸入您想訪問頁面的url： jpg
Traceback (most recent call last):
 File "F:/Python/pycharm/s13/reflect/visit.py", line 16, in
  run()
 File "F:/Python/pycharm/s13/reflect/visit.py", line 11, in run
  func = getattr(commons,inp)
AttributeError: module 'commons' has no attribute 'jpg'

　　那怎么辦呢？其實，python考慮的很全面了，它同樣提供了一個叫hasattr的內置函數，用于判斷commons中是否具有某個成員。我們將代碼修改一下：
import commons
 
def run():
  inp = input("請輸入您想訪問頁面的url： ").strip()
  if hasattr(commons,inp):
    func = getattr(commons,inp)
    func()
  else:
    print("404")
 
if __name__ == '__main__':
  run()

　　通過hasattr的判斷，可以防止非法輸入錯誤，并將其統一定位到錯誤頁面。

　　其實，研究過python內置函數的朋友，應該注意到還有delattr和setattr兩個內置函數。從字面上已經很好理解他們的作用了。

　　python的四個重要內置函數：getattr、hasattr、delattr和setattr較為全面的實現了基于字符串的反射機制。他們都是對內存內的模塊進行操作，并不會對源文件進行修改。

五、動態導入模塊

　　上面的例子是在某個特定的目錄結構下才能正常實現的，也就是commons和visit模塊在同一目錄下，并且所有的頁面處理函數都在commons模塊內。如下圖：

　　但在現實使用環境中，頁面處理函數往往被分類放置在不同目錄的不同模塊中，也就是如下圖：

　　難道我們要在visit模塊里寫上一大堆的import 語句逐個導入account、manage、commons模塊嗎？要是有1000個這種模塊呢？

　　剛才我們分析完了基于字符串的反射，實現了動態的函數調用功能，我們不禁會想那么能不能動態導入模塊呢？這完全是可以的！

　　python提供了一個特殊的方法：__import__(字符串參數)。通過它，我們就可以實現類似的反射功能。__import__()方法會根據參數，動態的導入同名的模塊。

我們再修改一下上面的visit模塊的代碼。
def run():
  inp = input("請輸入您想訪問頁面的url： ").strip()
  modules, func = inp.split("/")
  obj = __import__(modules)
  if hasattr(obj, func):
    func = getattr(obj, func)
    func()
  else:
    print("404")
 
if __name__ == '__main__':
  run()

運行一下：
請輸入您想訪問頁面的url： commons/home
這是網站主頁面！
請輸入您想訪問頁面的url： account/find
這是一個查找功能頁面！

　　我們來分析一下上面的代碼：

　　首先，我們并沒有定義任何一行import語句；

　　其次，用戶的輸入inp被要求為類似“commons/home”這種格式，其實也就是模擬web框架里的url地址，斜杠左邊指向模塊名，右邊指向模塊中的成員名。

　　然后，modules,func = inp.split("/")處理了用戶輸入，使我們獲得的2個字符串，并分別保存在modules和func變量里。

　　接下來，最關鍵的是obj = __import__(modules)這一行，它讓程序去導入了modules這個變量保存的字符串同名的模塊，并將它賦值給obj變量。

　　最后的調用中，getattr去modules模塊中調用func成員的含義和以前是一樣的。

　　總結：通過__import__函數，我們實現了基于字符串的動態的模塊導入。

　　同樣的，這里也有個小瑕疵！

　　如果我們的目錄結構是這樣的：

 　　那么在visit的模塊調用語句中，必須進行修改，我們想當然地會這么做：

def run():
  inp = input("請輸入您想訪問頁面的url： ").strip()
  modules, func = inp.split("/")
  obj = __import__("lib." + modules)   #注意字符串的拼接
  if hasattr(obj, func):
    func = getattr(obj, func)
    func()
  else:
    print("404")
 
if __name__ == '__main__':
  run()

　　改了這么一個地方:obj = __import__("lib." + modules)，看起來似乎沒什么問題，和import lib.commons的傳統方法類似，但實際上運行的時候會有錯誤。
請輸入您想訪問頁面的url： commons/home
404
請輸入您想訪問頁面的url： account/find
404

　　為什么呢？因為對于lib.xxx.xxx.xxx這一類的模塊導入路徑，__import__默認只會導入最開頭的圓點左邊的目錄，也就是“lib”。我們可以做個測試，在visit同級目錄內新建一個文件，代碼如下：
obj = __import__("lib.commons")
print(obj)

　　執行結果：


　　這個問題怎么解決呢？加上fromlist = True參數即可！
def run():
  inp = input("請輸入您想訪問頁面的url： ").strip()
  modules, func = inp.split("/")
  obj = __import__("lib." + modules, fromlist=True) # 注意fromlist參數
  if hasattr(obj, func):
    func = getattr(obj, func)
    func()
  else:
    print("404")
 
if __name__ == '__main__':
  run()

　　至此，動態導入模塊的問題基本都解決了，只剩下最后一個，那就是萬一用戶輸入錯誤的模塊名呢？比如用戶輸入了somemodules/find，由于實際上不存在somemodules這個模塊，必然會報錯！那有沒有類似上面hasattr內置函數這么個功能呢？答案是沒有！碰到這種，你只能通過異常處理來解決。

六、最后的思考

　　可能有人會問python不是有兩個內置函數exec和eval嗎？他們同樣能夠執行字符串。比如：
  
exec("print('haha')")

結果：
    
haha

　　那么直接使用它們不行嗎？非要那么費勁地使用getattr， __import__干嘛？
　　其實，在上面的例子中，圍繞的核心主題是如何利用字符串驅動不同的事件，比如導入模塊、調用函數等等，這些都是python的反射機制，是一種編程方法、設計模式的體現，凝聚了高內聚、松耦合的編程思想，不能簡單的用執行字符串來代替。當然，exec和eval也有它的舞臺，在web框架里也經常被使用。