Python学习之MRO方法搜索顺序

为什么会讲 MRO?

  • 在讲多继承的时候,有讲到, 当继承的多个父类拥有同名属性、方法,子类对象调用该属性、方法时会调用哪个父类的属性、方法呢?
  • 这就取决于 Python 的 MRO 了

什么是 MRO

  • MRO,method resolution order,方法搜索顺序
  • 对于单继承来说,MRO 很简单,从当前类开始,逐个搜索它的父类有没有对应的属性、方法
  • 所以 MRO 更多用在多继承时判断方法、属性的调用路径
  • Python 中针对类提供了一个内置属性__mro__可以查看方法搜索顺序

实际代码

class A:
    def test(self):
        print("AAA-test")


class B:
    def test(self):
        print("BBB-test")


# 继承了三个类,B、A、还有默认继承的 object
class C(B, A):
    ...


# 通过类对象调用,不是实例对象!
print(C.__mro__)


# 输出结果
(, , , )

  • 1.在搜索方法时,是按照__mro__的输出结果从左往右的顺序查找的
  • 2.如果在当前类(Class C)中找到方法,就直接执行,不再搜索
  • 3.如果没有找到,就查找下一个类中(Class B)是否有对应的方法,如果找到,就直接执行,不再搜素
  • 4.如果找到最后一个类(Class object)都没有找到方法,程序报错

类图

Python学习之MRO方法搜索顺序_第1张图片

注意

其实 MRO 是涉及一个底层算法的,下面来详细讲解一下

MRO 算法

Python 发展到现在经历了三种算法

  • 旧式类 MRO 算法:从左往右,采用深度优先搜索(DFS),从左往右的算法,称为旧式类的 MRO
  • 新式类 MRO 算法:自 Python 2.2 版本开始,新式类在采用深度优先搜索算法的基础上,对其做了优化
  • C3 算法:自 Python 2.3 版本,对新式类采用了 C3 算法;由于 Python 3.x 仅支持新式类,所以该版本只使用 C3 算法

什么是旧式类,新式类

Python学习之新式类和旧式类讲解

想深入了解 C3 算法的可以看看官网

https://www.python.org/download/releases/2.3/mro/

旧式类 MRO 算法

需要在 python2 环境下运行这段代码

实际代码

# 旧式类算法
class A:
    def test(self):
        print("CommonA")


class B(A):
    pass


class C(A):
    def test(self):
        print("CommonC")


class D(B, C):
    pass


D().test()


# python2 下的运行结果
CommonA

Python学习之MRO方法搜索顺序_第2张图片

类图

Python学习之MRO方法搜索顺序_第3张图片

分析

  • 通过类图可以看到,此程序中的 4 个类是一个“菱形”继承的关系
  • 当使用 D 类实例对象访问 test() 方法时,根据深度优先算法,搜索顺序为D->B->A->C->A
  • 因此,旧式类 MRO 算法最先搜索得到 test() 方法是在 A 类里面,所以最终输出结果为 CommonA

新式类 MRO 算法

  • 为解决旧式类 MRO 算法存在的问题,Python 2.2 版本推出了新的计算新式类 MRO 的方法
  • 它仍然采用从左至右的深度优先遍历,但是如果遍历中出现重复的类,只保留最后一个

以上面的代码栗子来讲

  • 深度优先遍历,搜索顺序为D->B->A->C->A
  • 因为顺序中有 2 个 A,因此只保留最后一个
  • 最终搜索顺序为D->B->C->A

新式 MRO 算法的问题

虽然解决了旧式 MRO 算法的问题,但可能会违反单调性原则

什么是单调性原则?

在子类存在多继承时,子类不能改变父类的 MRO 搜索顺序,否则会导致程序发生异常

实际代码

class X(object):
    pass


class Y(object):
    pass


class A(X, Y):
    pass


class B(Y, X):
    pass


class C(A, B):
    pass

深度优先遍历后的搜索顺序为:C->A->X->object->Y->object->B->Y->object->X->object

相同取后者的搜索顺序为:C->A->B->Y->X->object

分析不同类的 MRO

  • A:A->X->Y->object
  • B:A->Y->X->object
  • C:C->A->B->X->Y->object

很明显,B、C 中间的 X、Y 顺序是相反的,就是说 B 被继承时,它的搜索顺序会被改变,违反了单调性

在 python2 中运行这段代码的报错

Python学习之MRO方法搜索顺序_第4张图片

在 python3 中运行这段代码的报错

Python学习之MRO方法搜索顺序_第5张图片

C3 MRO 算法

  • 为解决前面两个算法的问题,Python 2.3 采用了 C3 方法来确定方法搜索顺序
  • 多数情况下,如果别人提到 Python 中的 MRO,指的都是 C3 算法

将上面第一个栗子的代码放到 python3 中运行

class A:
    def test(self):
        print("CommonA")


class B(A):
    pass


class C(A):
    def test(self):
        print("CommonC")


class D(B, C):
    pass


D().test()


# 输出结果
CommonC

简单了解下 C3 算法

以上面代码为栗子,C3 会把各个类的 MRO 等价为以下等式

  • A:L[A] = merge(A , object)
  • B:L[B] = B + merge(L[A] , A)
  • C:L[C] = C + merge(L[A] , A)
  • D:L[D] = D + merge(L[B] , L[C] , B , C)

了解一下:头、尾

以 A 类为栗,merge() 包含的 A 成为 L[A] 的头,剩余元素(这里只有 object)称为尾

merge 的运算方式

  • 1.将merge 第一个列表的头元素(如 L[A] 的头),记作 H
  • 2.如果 H 出现在 merge 其他列表的头部,则将其输出,并将其从所有列表中删除
  • 3.如果 H 只出现一次,那么也将其输出,并将其从所有列表中删除
  • 4.如果 H 出现在 merge 其他列表的非头部,则取下一个列表的头元素记作 H,然后回到步骤二
  • 5.最后回到步骤一,重复以上步骤

重复以上步骤直到列表为空,则算法结束;如果不能再找出可以输出的元素,则抛出异常

简单类 MRO 的计算栗子

class B(object): pass

print(B.__mro__)


(, )
  • MRO 计算方式
L[B] = L[B(object)]
     = B + merge(L[object])
     = B + L[object]
     = B object

单继承MRO 的计算栗子

# 计算 MRO
class B(object): pass

class C(B): pass

print(C.__mro__)


(, , )
  • MRO 计算方式
L[C] = C + merge(L[B])
     = C + L[B]
     = C B object

多继承MRO 的计算栗子

O = object

class F(O): pass

class E(O): pass

class D(O): pass

class C(D, F): pass

class B(D, E): pass

class A(B, C): pass


print(C.__mro__)
print(B.__mro__)
print(A.__mro__)


# 输出结果
(, , , )
(, , , )
(, , , , , , )

  • O 类、object 类 MRO 计算
L[O] = O = object
  • D、E、F 类 MRO 计算
L[D] = D + merge(L[O])
        = D O
  • C 类 MRO 计算
L[C] = L[C(D, F)]
     = C + merge(L[D], L[F], DF)
     # 从前面可知 L[D] 和 L[F] 的结果
     = C +  merge(DO, FO, DF)
     # 因为 D 是顺序第一个并且在几个包含 D 的 list 中是 head,
     # 所以这一次取 D 同时从列表中删除 D
     = C + D + merge(O, FO, F)
     # 因为 O 虽然是顺序第一个但在其他 list (FO)中是在尾部, 跳过
     # 改为检查第二个list FO
     # F 是第二个 list 和其他 list 的 head
     # 取 F 同时从列表中删除 F
     = C + D + F + merge(O)
     = C D F O
  • B 类 MRO 计算
L[B] = L[B(D, E)]
     = B + merge(L[D], L[E], DE)
     = B + merge(DO, EO, DE)
     = B + D + merge(O, EO, E)
     = B + D + E + merge(O)
     = B D E O
  • A 类 MRO 计算
L[A] = L[A(B,C)]
        = A + merge(L[B], L[C], BC)
        = A + merge( BDEO, CDFO, BC )
        = A + B + merge( DEO, CDFO, C )
        # D 在其他列表 CDFO 不是 head,所以跳过到下一个列表的 头元素 C
        = A + B + C + merge( DEO, DFO )
        = A + B + C + D + merge( EO, FO )
        = A + B + C + D + E + merge( O, FO )
        = A + B + C + D + E + F + merge( O )
        = A B C D E F O

多继承MRO 的计算栗子二

O = object

class F(O): pass

class E(O): pass

class D(O): pass

class C(D, F): pass

class B(E, D): pass

class A(B, C): pass


print(C.__mro__)
print(B.__mro__)
print(A.__mro__)


# 输出结果
(, , , )
(, , , )
(, , , , , , )

  • O 类、object 类 MRO 计算
L[O] = O = object
  • D、E、F 类 MRO 计算
L[D] = D + merge(L[O])
        = D O
  • C 类 MRO 计算
L[C] = L[C(D, F)]
        = C + merge(L[D], L[F], DF)
        = C + merge(DO, FO, DF)
        = C + D + merge(O, FO, F)
        = C + D + F + merge(O)
        = C D F O
  • B 类 MRO 计算
L[B] = L[B(E, D)]
       = B + merge(L[E], L[D], ED)
       = B + merge(EO, DO, ED)
       = B + E + merge(O, DO, D)
       = B + E + D + merge(O)
       = B E D O
  • A 类 MRO 计算
L[A]  = L[A(B, C)]
        = A + merge(L[B], L[C], BC)
        = A + merge(BEDO, CDFO, BC)
        = A + B + merge(EDO, CDFO, C)
        = A + B + E + merge(DO,CDFO, C)
        = A + B + E + C + merge(O,DFO)
        = A + B + E + C + D + merge(O, FO)
        = A + B + E + C + D + F + merge(O)
        = A B E C D F O

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