Python：描述符對象

在 Python 的對象模型中，描述符對象（Descriptor Objects）是支撐語言動態特性的核心機制之一。從最基礎的屬性訪問，到復雜的元編程框架（如 Django ORM、SQLAlchemy、Pydantic 的字段系統），描述符始終處于幕后，卻決定著屬性系統的最終行為。

如果說 __dict__ 體系提供了屬性數據的靜態存儲結構，那么描述符對象就是介入這一結構之上的動態訪問控制層。

需要強調的是，描述符不是特殊語法或內建魔法，而是完全遵循 Python 對象模型的普通對象。

一、描述符對象的概念

（1）描述符是對象

在 Python 中，一切皆對象。描述符也不例外：

? 它是某個類的實例

? 擁有自身的類型、屬性與方法

? 可以被賦值、傳遞并存儲于 __dict__ 中

d = Descriptor()

在這一層面上，d 與任何普通對象并無區別。

（2）描述符語義的由來

描述符之所以獲得特殊語義，并非源于其“身份”，而在于其實現了特定的協議方法，并且位于類屬性位置。

當一個對象同時滿足以下條件時，在屬性訪問過程中，就會被解釋器識別為描述符對象：

? 實現 __get__()、__set__()、__delete__() 中至少一個

? 作為類屬性存在于另一個類的 __dict__ 中

二、描述符的存儲位置與作用范圍

（1）描述符的存儲位置

描述符對象在參與屬性訪問控制時，必須作為類屬性存在于另一個類對象的 __dict__ 中。

    x = D()   # 描述符對象存放在 A.__dict__ 中

此處的 D() 是一個普通對象，但由于它位于 A.__dict__ 中，因此進入屬性查找鏈。

（2）描述符的作用對象

盡管描述符存在于類級別，但其控制的卻是：

? 實例屬性的訪問

? 類屬性的訪問行為（當 instance is None）

比如：

print(a.x)    # 輸出：descriptor

因為該訪問會被解釋為：

A.__dict__['x'].__get__(a, A)

從語言規范角度看，描述符對象本質上是對的實現。這些協議方法不是“魔法”，而是 Python 在屬性查找過程中主動調用的標準接口。

三、描述符對象的分類

根據是否攔截屬性寫入或刪除操作，描述符可分為兩類：數據描述符（Data Descriptor）和非數據描述符（Non-data Descriptor）。

（1）數據描述符

定義：實現了 __set__() 和 / 或 __delete__()，通常同時實現了 __get__() 方法。

行為特征：在屬性查找順序中優先級高于實例 __dict__，因此實例無法通過同名屬性繞過其控制。

示例：

        obj.__dict__[self.storage_name] = value

作為類屬性使用：

    balance = Positive()

訪問行為驗證：

print(a.__dict__) # 輸出 {'_balance': 100, 'balance': -999}

在 Python 的世界里，沒有什么能完全阻止一個想要直接操作 __dict__ 的開發者，但描述符能確保通過“正規途徑”（即 a.balance = val）進入的數據一定是合法的。真正的保護應將存儲名（如 _balance）與屬性名（balance）分離。

（2）非數據描述符

定義：僅實現 __get__() 方法。

行為特征：優先級低于實例 __dict__，因此可被實例屬性遮蔽。

示例：

        return value

作為類屬性使用：

        return 42

訪問行為驗證：

print(d.value)   # 第二次：直接從 d.__dict__ 取值，42，不再觸發描述符

以上示例利用非數據描述符優先級低于實例 __dict__ 的特性實現“惰性求值”：首次訪問時觸發計算并將結果緩存至實例 __dict__ ；后續訪問則因實例屬性“遮蔽”了描述符而直接讀取緩存，從而有效避免重復計算，優化運行性能。

四、Python 內置的描述符對象

Python 中的大量核心對象，本身就是描述符對象。

（1）函數對象：非數據描述符

類中定義的函數對象本身是非數據描述符。通過其 __get__() 方法，Python 實現了實例方法的自動綁定。

a = A()

當訪問方法 foo：

a.foo

本質是：

A.__dict__['foo'].__get__(a, A)

從而生成綁定方法（Bound Method）。

（2）@property：標準數據描述符

@property 返回的是標準的數據描述符對象（實現了 __get__()、__set__() 和 __delete__()），用于將屬性訪問映射為函數調用。

示例：

        self._age = value

訪問行為：

p.age = 30       # 調用 property.__set__

可以這樣說，@property 是描述符機制的官方封裝版本。

（3）@classmethod 與 @staticmethod

這兩個裝飾器均返回描述符對象，分別實現對類對象或函數本身的不同綁定策略。

示例：

        return "no binding"

訪問驗證：

print(Demo().static_method()) # 仍不綁定

classmethod 的描述符在 __get__() 中綁定 owner。staticmethod 的描述符在 __get__() 中直接返回函數。二者都是描述符對象，只是綁定策略不同。

五、描述符對象在屬性查找鏈中的位置

當執行 obj.attr 時，Python 的查找順序為：

1、類 __dict__ 中的數據描述符

2、實例 obj.__dict__

3、類 __dict__ 中的非數據描述符

4、類 __dict__ 中的普通屬性

5、__getattr__() 方法

描述符的“權力”并非絕對，而是由協議與順序共同決定的。

六、描述符的現代最佳實踐：__set_name__

Python 3.6 之后，引入了：

__set_name__(self, owner, name)

__set_name__() 方法在類創建階段被自動調用，使描述符對象能夠獲知自身的屬性名與所屬類。這是當前描述符實現的標準范式。

示例：

        setattr(obj, self.storage_name, value)

描述符作為類屬性使用：

    salary = Typed()

此時在類創建過程中，解釋器會隱式執行：

Typed.__set_name__(Employee, "salary")

實際訪問行為如下：

print(e.salary)   # 輸出：8000

底層狀態：

e.__dict__ == {"_age": 30, "_salary": 8000}

實際數據存儲在實例的 __dict__ 中，而訪問路徑始終經過類 __dict__ 中的描述符對象。

上例說明：

? Typed() 本身是一個普通對象。

? 它存在于 Employee.__dict__。

? 通過 __set_name__ 獲得屬性名。

? 通過 __get__ / __set__ 管理實例數據。

? 實例并不直接暴露真實存儲字段。

這一結構正是現代描述符實現的標準范式，也是 ORM、字段系統、類型系統中最常見的設計基礎。

小結

描述符對象是 Python 屬性系統中的關鍵組成部分。它們以普通對象的形式存在于類 __dict__ 中，通過實現特定協議方法參與屬性查找過程，從而實現對屬性訪問行為的精細控制。理解描述符，有助于全面把握 Python 對象模型與屬性機制的設計思想。

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