Disclamer: рассмотрены только новые классы — все наследуемые от object. В «старых» классах все работает немного по-другому.

Во всей статье классы именуются с заглавной буквы, а экземпляры классов со строчной. A это класс экземпляра a.

Вопрос о том что происходит когда python исполняет конструкцию a.b очень важен для понимания многих других тем. Особенно учитывая что имитация атрибутов один из наиболее часто используемых приемов для написания библиотек в pythonic стиле.

Сначала посмотрим где принципиально может быть '»b»'. Из документации python можно узнать о следующих возможных вариантах.

• A.__getattrib__(a, «b»)
• 'a.__dict__[«b»]'' ; пока без '__slots__
• 'A.__dict__[«b»]'', вместо 'A может быть один из базовых для A классов.
• A.__dict__[«b»](a) — свойство (property)
• A.__getattr__(a, «b»)

A.__getattrib__(a, «b») гарантировано вызывается первым, A.__getattr__(a, «b») последним, а a.__dict__[«b»] имеет приоритет над 'A.__dict__[«b»]'. Без ответов остаются вопросы о приоритете property и о том, что происходит если на отдельных фазах будут возбужденны исключения.

Ответить на эти вопросы можно разными способами, но только чтение исходников гарантированно ответит на них со всеми тонкостями. Все не желающие идти путь самурая по С коду могут смело пролистать вниз ~250 сток до итогового результата и Очень Важной Картинки.

Итак скачиваем последнюю версию исходников cpython и будем погружаться. Все начинается в cpython/Python/ceval.c со строки вида TARGET(LOAD_ATTR) (у меня строка 2228). Мы находимся прямо в сердце виртуальной машины сpython, в цикле eval — здесь сpython по очереди исполняет инструкции байтокода. dis.dis говорит нам, что a.b компилируется в две инструкции:

    >>> import dis
    >>> dis.dis(lambda : a.b )

    1   0 LOAD_GLOBAL              0 (a)
        3 LOAD_ATTR                1 (b)
        6 RETURN_VALUE

Так что инструкция LOAD_ATTR это как раз то, что нам нужно. Тело TARGET(LOAD_ATTR) содержит стандартную возню со стеком, подсчет ссылок и интересующий нас вызов:

Hightlited/Raw

x = PyObject_GetAttr(v, w); //Здесь 'v' - 'a', а 'w' -  'b'.

x = PyObject_GetAttr(v, w); //Здесь 'v' - 'a', а 'w' -  'b'.

Hightlited/Raw

//Ф-ция PyObject_GetAttr находится в cpython/objects/object.c

PyObject *
PyObject_GetAttr(PyObject *v, PyObject *name)
{
    // получаем тип v
    PyTypeObject *tp = Py_TYPE(v);

    // бла-бла-бла, проверка типов
    // получение атрибута
    if (tp->tp_getattro != NULL)
        return (*tp->tp_getattro)(v, name);

    // не важный код        
}

//Ф-ция PyObject_GetAttr находится в cpython/objects/object.c

PyObject *
PyObject_GetAttr(PyObject *v, PyObject *name)
{
    // получаем тип v
    PyTypeObject *tp = Py_TYPE(v);

    // бла-бла-бла, проверка типов
    // получение атрибута
    if (tp->tp_getattro != NULL)
        return (*tp->tp_getattro)(v, name);

    // не важный код        
}

Ок, следующие два участка кода, которые могут ответить на наш вопрос это структура object и метод type.__new__. Первый наследуют почти все классы, а второй может повлиять на структуру новых классов.

Hightlited/Raw

//cpython/Objects/typeobject.c:3260

PyTypeObject PyBaseObject_Type <
span style="color: #666666">= {  // эта девушка! (с)
    // bla-bla-bla
    "object",                                   /* tp_name */
    // bla-bla-bla

    // __getattribute__
    PyObject_GenericGetAttr,                    /* tp_getattro */
    // .......    
}


// PyObject_GenericGetAttr:
// cpython/objects/object.c

PyObject *
PyObject_GenericGetAttr(PyObject *obj, PyObject *name)
{
    return _PyObject_GenericGetAttrWithDict(obj, name, NULL);
}

// cpython/objects/object.c
// первый солидный кусок кода
PyObject *
_PyObject_GenericGetAttrWithDict(PyObject *obj, PyObject *name, PyObject *dict)
{
    PyTypeObject *tp = Py_TYPE(obj);

    .......

    if (!PyUnicode_Check(name)){
        .... // исключение
    }
    else
        Py_INCREF(name);

    // ......

    // ищем name по mro
    descr = _PyType_Lookup(tp, name);

    .....

    if (descr != NULL) {

        // если у descr есть __get__ - перед нами дескриптор    
        f = descr->ob_type->tp_descr_get;

        // если дескриптор данных
        if (f != NULL && PyDescr_IsData(descr)) {

            // получаем из него значение и выходим
            res = f(descr, obj, (PyObject *)obj->ob_type);
            Py_DECREF(descr);
            goto done;
        }
    }

    // dict это параметр для рекурсивного поиска
    // при вызове из tp_getattro он всегда NULL 
    if (dict == NULL) {
        /* Inline _PyObject_GetDictPtr */
        // тут получаем смещение __dict__ внутри объекта
        // ну и сам __dict__ по нему
        dictptr = (PyObject **) ((char *)obj + dictoffset);
        dict = *dictptr;
    }

    // если dict нашелся
    if (dict != NULL) {
        Py_INCREF(dict);

        // получаем a.__dict__['b']
        // если 'b' not in a.__dict__, то PyDict_GetItem установит
        // исключение и вернет NULL
        // PyObject_GetAttr затем заменит это исключение(KeyError) на AttributeError
        res = PyDict_GetItem(dict, name);
        if (res != NULL) {
            ....
            goto done;
        }
        ....
    }

    // возвращаемся к дескриптору
    // если он хоть какой-нить
    // используем его
    if (f != NULL) {
        res = f(descr, obj, (PyObject *)Py_TYPE(obj));
        Py_DECREF(descr);
        goto done;
    }

    // если вообще нашли что-то в базовых классах
    if (descr != NULL) {
        res = descr;
        /* descr was already increfed above */
        goto done;
    }

    // иначе raise AttributeError
    PyErr_Format(PyExc_AttributeError,
                 "'%.50s' object has no attribute '%U'",
                 tp->tp_name, name);
  done:
    Py_DECREF(name);
    return res;
}

//cpython/Objects/typeobject.c:3260

PyTypeObject
PyBaseObject_Type = {  // эта девушка! (с)
    // bla-bla-bla
    "object",                                   /* tp_name */
    // bla-bla-bla

    // __getattribute__
    PyObject_GenericGetAttr,                    /* tp_getattro */
    // .......    
}


// PyObject_GenericGetAttr:
// cpython/objects/object.c

PyObject *
PyObject_GenericGetAttr(PyObject *obj, PyObject *name)
{
    return _PyObject_GenericGetAttrWithDict(obj, name, NULL);
}

// cpython/objects/object.c
// первый солидный кусок кода
PyObject *
_PyObject_GenericGetAttrWithDict(PyObject *obj, PyObject *name, PyObject *dict)
{
    PyTypeObject *tp = Py_TYPE(obj);

    .......

    if (!PyUnicode_Check(name)){
        .... // исключение
    }
    else
        Py_INCREF(name);

    // ......

    // ищем name по mro
    descr = _PyType_Lookup(tp, name);

    .....

    if (descr != NULL) {

        // если у descr есть __get__ - перед нами дескриптор    
        f = descr->ob_type->tp_descr_get;

        // если дескриптор данных
        if (f != NULL && PyDescr_IsData(descr)) {

            // получаем из него значение и выходим
            res = f(descr, obj, (PyObject *)obj->ob_type);
            Py_DECREF(descr);
            goto done;
        }
    }

    // dict это параметр для рекурсивного поиска
    // при вызове из tp_getattro он всегда NULL 
    if (dict == NULL) {
        /* Inline _PyObject_GetDictPtr */
        // тут получаем смещение __dict__ внутри объекта
        // ну и сам __dict__ по нему
        dictptr = (PyObject **) ((char *)obj + dictoffset);
        dict = *dictptr;
    }

    // если dict нашелся
    if (dict != NULL) {
        Py_INCREF(dict);

        // получаем a.__dict__['b']
        // если 'b' not in a.__dict__, то PyDict_GetItem установит
        // исключение и вернет NULL
        // PyObject_GetAttr затем заменит это исключение(KeyError) на AttributeError
        res = PyDict_GetItem(dict, name);
        if (res != NULL) {
            ....
            goto done;
        }
        ....
    }

    // возвращаемся к дескриптору
    // если он хоть какой-нить
    // используем его
    if (f != NULL) {
        res = f(descr, obj, (PyObject *)Py_TYPE(obj));
        Py_DECREF(descr);
        goto done;
    }

    // если вообще нашли что-то в базовых классах
    if (descr != NULL) {
        res = descr;
        /* descr was already increfed above */
        goto done;
    }

    // иначе raise AttributeError
    PyErr_Format(PyExc_AttributeError,
                 "'%.50s' object has no attribute '%U'",
                 tp->tp_name, name);
  done:
    Py_DECREF(name);
    return res;
}

Выясним что такое PyDescr_IsData:

Hightlited/Raw

//cpython/Include/descrobject.h
#define PyDescr_IsData(d) (Py_TYPE(d)->tp_descr_set != NULL)

//cpython/Include/descrobject.h
#define PyDescr_IsData(d) (Py_TYPE(d)->tp_descr_set != NULL)

Переведем на почти python

Hightlited/Raw

def PyObject_GenericGetAttr(obj, name):
    tp_attr = getattr(obj.__class__, name, NULL)
    f = getattr(tp_attr, '__get__', NULL)
    if f != NULL:
        if hasattr(tp_attr, '__set__'):
            return f(obj) 
    if obj.have_a_slot(__dict__):
        return obj.__dict__[name]
    if f != NULL:
        return f(obj) 
    if tp_attr != NULL:
        return tp_attr
    raise AttributeError('......')

def PyObject_GenericGetAttr(obj, name):
    tp_attr = getattr(obj.__class__, name, NULL)
    f = getattr(tp_attr, '__get__', NULL)
    if f != NULL:
        if hasattr(tp_attr, '__set__'):
            return f(obj) 
    if obj.have_a_slot(__dict__):
        return obj.__dict__[name]
    if f != NULL:
        return f(obj) 
    if tp_attr != NULL:
        return tp_attr
    raise AttributeError('......')

Ситуация проясняется, переходим к type.__new__.

Hightlited/Raw

//cpython/objects/typeobject.c 
static PyObject *
type_new(PyTypeObject *metatype, PyObject *args, PyObject *kwds)
{
    // ... 453 строки разного, не важного для нас сейчас кода

    /* Put the proper slots in place */
    fixup_slot_dispatchers(type);

    return (PyObject *)type;    
}

//cpython/objects/typeobject.c 
static PyObject *
type_new(PyTypeObject *metatype, PyObject *args, PyObject *kwds)
{
    // ... 453 строки разного, не важного для нас сейчас кода

    /* Put the proper slots in place */
    fixup_slot_dispatchers(type);

    return (PyObject *)type;    
}

fixup_slot_dispatchers должен настроить слоты создаваемого объекта (в python CAPI слотами называются все поля PyObject tp_getattr/tp_getattro — слоты). fixup_slot_dispatchers использует slotdefs для обновления слотов. Это стуруктура содержит разнообразную информацию о слотах по умолчанию для классов. Cледующая остановка — slot_tp_getattro и slot_tp_getattr_hook — именно они описанны, как значения по умолчанию для tp_getattro в slotdefs.

Hightlited/Raw

// Используется если __getattribute__ перегружен а __getattr__ - нет.
// Изначально fixup_slot_dispatchers всегда помещает в объект
// slot_tp_getattr_hook и уже она произведет подмену себя на
// slot_tp_getattro, если в объекте нет __getattr__
// __getattribute__ есть всегда

static PyObject *
slot_tp_getattro(PyObject *self, PyObject *name)
{
    static PyObject *getattribute_str = NULL;
    return call_method(self, "__getattribute__", &getattribute_str,
                       "(O)", name);
}


static PyObject *
slot_tp_getattr_hook(PyObject *self, PyObject *name)
{
    PyTypeObject *tp = Py_TYPE(self);

    .....
    // всякие проверки
    .....

    // если нет __getattr__ вызываем slot_tp_getattro
    // и подменяем слот на slot_tp_getattro для будущих вызовов
    getattr = _PyType_Lookup(tp, getattr_str);
    if (getattr == NULL) {
        /* No __getattr__ hook: use a simpler dispatcher */
        tp->tp_getattro = slot_tp_getattro;
        return slot_tp_getattro(self, name);
    }


    getattribute = _PyType_Lookup(tp, getattribute_str);

    // если __getattribute__ не определен, или если он
    // ссылается на PyObject_GenericGetAttr
    // маленькая оптимизация
    if (getattribute == NULL ||
        (Py_TYPE(getattribute) == &PyWrapperDescr_Type &&
         ((PyWrapperDescrObject *)getattribute)->d_wrapped ==
         (void *)PyObject_GenericGetAttr))
        // ищем атрибут, используя PyObject_GenericGetAttr
        res = PyObject_GenericGetAttr(self, name);
    else {
        // есть __getattribute__, оличный от PyObject_GenericGetAttr

        Py_INCREF(getattribute);
        res = call_attribute(self, getattribute, name);
        Py_DECREF(getattribute);
    }

    // если ничего не нашли и есть исключение PyExc_AttributeError - очищаем исключение
    // и вызываем self.__getattr__

    if (res == NULL && PyErr_ExceptionMatches(PyExc_AttributeError)) {
        PyErr_Clear();
        res = call_attribute(self, getattr, name);
    }
    Py_DECREF(getattr);
    return res;
}

// Используется если __getattribute__ перегружен а __getattr__ - нет.
// Изначально fixup_slot_dispatchers всегда помещает в объект
// slot_tp_getattr_hook и уже она произведет подмену себя н
а
// slot_tp_getattro, если в объекте нет __getattr__
// __getattribute__ есть всегда

static PyObject *
slot_tp_getattro(PyObject *self, PyObject *name)
{
    static PyObject *getattribute_str = NULL;
    return call_method(self, "__getattribute__", &getattribute_str,
                       "(O)", name);
}


static PyObject *
slot_tp_getattr_hook(PyObject *self, PyObject *name)
{
    PyTypeObject *tp = Py_TYPE(self);

    .....
    // всякие проверки
    .....

    // если нет __getattr__ вызываем slot_tp_getattro
    // и подменяем слот на slot_tp_getattro для будущих вызовов
    getattr = _PyType_Lookup(tp, getattr_str);
    if (getattr == NULL) {
        /* No __getattr__ hook: use a simpler dispatcher */
        tp->tp_getattro = slot_tp_getattro;
        return slot_tp_getattro(self, name);
    }


    getattribute = _PyType_Lookup(tp, getattribute_str);

    // если __getattribute__ не определен, или если он
    // ссылается на PyObject_GenericGetAttr
    // маленькая оптимизация
    if (getattribute == NULL ||
        (Py_TYPE(getattribute) == &PyWrapperDescr_Type &&
         ((PyWrapperDescrObject *)getattribute)->d_wrapped ==
         (void *)PyObject_GenericGetAttr))
        // ищем атрибут, используя PyObject_GenericGetAttr
        res = PyObject_GenericGetAttr(self, name);
    else {
        // есть __getattribute__, оличный от PyObject_GenericGetAttr

        Py_INCREF(getattribute);
        res = call_attribute(self, getattribute, name);
        Py_DECREF(getattribute);
    }

    // если ничего не нашли и есть исключение PyExc_AttributeError - очищаем исключение
    // и вызываем self.__getattr__

    if (res == NULL && PyErr_ExceptionMatches(PyExc_AttributeError)) {
        PyErr_Clear();
        res = call_attribute(self, getattr, name);
    }
    Py_DECREF(getattr);
    return res;
}

Теперь можно восстановить всю картину: a.b => Если:

• __getattribute__ был перегружен, то вызывается A.__getattribute__(a, «b»).
• есть свойство-данное — вызывается оно A.b.__get__(a)
• b присутствует в a.__dict__, возвращаем a.__dict__[«b»]
• есть какое-нить свойство — вызывается оно A.b.__get__(a)
• b найдено в A.__dict__ или в __dict__ одного из базовых для A классов, => X.__dict__[«b»]
• Если не перегружен __getattr__ — исключение/результат возвращаются
• Если перегружен __getattr__ и ничего не найдено и тип исключения AttributeError — вызывается A.__getattr__(a, «b»)
• исключение/результат возвращаются

Очень Важная Картинка

Нетривиальный результат:

Hightlited/Raw

class X(object):
    def __getattribute__(self, name):
        raise AttributeError(name)

    f = 1

    def __getattr__(self, name):
        return name

class X(object):
    def __getattribute__(self, name):
        raise AttributeError(name)

    f = 1

    def __getattr__(self, name):
        return name

В таком классе поле f будет всегда игнорироваться, но если __getattribute__ убрать — то все вернется на свои места и 'X().f' будет равно 1, а 'X().d == d'.

После просмотра кода возникает вопрос — какой ценой достается эта гибкость? Замеряем скорость доступа к разным вариантам атрибутов:

Hightlited/Raw

# глобальная переменная
global_var = 1

# пустая функция
def empty_func():
    pass

# доступ к глобальной переменной из функции
def global_var_from_func():
    global_var

# доступ к локальной переменной из функции
def local_var_from_func():
    local_var = 1
    local_var

# сложение целых
a = 1
# int + int
a + a

class A1(object):
    def __getattribute__(self, name):
        return None

class A2(object):

    def get_b(self):
        return None

    def set_b(self, val):
        pass

    b = property(get_b, set_b)

class A3(object):
    def __init__(self):
        self.b = None

class A4(object):
    def get_b(self):
        return None

    b = property(get_b)

class A5(object):
    b = None


# создаем иерархию со 128ю уровнями вложенности наследования
# атрибут 'b' будет у "самого базового" класса
# в использовать для доступа будет экзампляр "самого дочернего"

class A6(object):
    b = None

for i in range(127):
    A6 = type('A6', (A6,), {})

a6 = A6()

class A7(object):
    def __getattr__(self, name):
        return None

# глобальная переменная
global_var = 1

# пустая функция
def empty_func():
    pass

# доступ к глобальной переменной из функции
def global_var_from_func():
    global_var

# доступ к локальной переменной из функции
def local_var_from_func():
    local_var = 1
    local_var

# сложение целых
a = 1
# int + int
a + a

class A1(object):
    def __getattribute__(self, name):
        return None

class A2(object):

    def get_b(self):
        return None

    def set_b(self, val):
        pass

    b = property(get_b, set_b)

class A3(object):
    def __init__(self):
        self.b = None

class A4(object):
    def get_b(self):
        return None

    b = property(get_b)

class A5(object):
    b = None


# создаем иерархию со 128ю уровнями вложенности наследования
# атрибут 'b' будет у "самого базового" класса
# в использовать для доступа будет экзампляр "самого дочернего"

class A6(object):
    b = None

for i in range(127):
    A6 = type('A6', (A6,), {})

a6 = A6()

class A7(object):
    def __getattr__(self, name):
        return None

Время замерянно на Core i7-2630QM, 2Ghz. Ubuntu 11.10, python 2.7.2, 64bit

    +----------------------------------------------------------------------------------------+
    |              Операция               | время нс | diff % |   относительное | такты CPU  |
    |       показывающая где берется      |          |        |       время     |            |
    |               aX.b                  |          |        |  time/(a.b time)|            |
    |----------------------------------------------------------------------------------------|
    |          Global var access          |     7.4  |    0   |        0.2      |      15    |
    |           Empty func call           |    66.2  |    2   |        2.2      |     132    |
    |         Global var from func        |     9.3  |    0   |        0.3      |      19    |
    |         Local var from func         |     7.4  |    0   |        0.3      |      15    |
    |              int + int              |    17.5  |    1   |        0.6      |      35    |
    |      A1.__getattribute__(a, 'b')    |   178.9  |    1   |        6.0      |     358    |
    |     A2.b.__get__(a) data property   |   139.4  |    0   |        4.7      |     279    |
    |           a3.__dict__['b']          |    30.0  |    1   |        1.0      |      60    |
    |       A4.b.__get__(a) property      |   140.0  |    1   |        4.7      |     280    |
    |            A5.__dict__['b']         |    21.6  |    0   |        0.7      |      43    |
    |            A6.__dict__['b']         |    21.6  |    1   |        0.7      |      43    |
    |        A7.__getattr__(a, 'b')       |   517.0  |    4   |       17.2      |    1034    |
    |                a.b.b                |    54.1  |    2   |        1.8      |     108    |
    |              a.b.b.b.b              |   103.5  |    2   |        3.4      |     207    |
    |             a....b (128)            |  3428.5  |    1   |      114.0      |    6857    |
    +----------------------------------------------------------------------------------------+

diff — максимальный разброс времени в % на 10 измерениях, при выброш
енных 2 крайних значениях.

В принципе все результаты, кроме странных «тормозов» __getattr__, ожидаемы. Одинаковое время для A5.__dict__[«b»] и A6.__dict__[«b»] связанно с кешированием привязки имени классового атрибута к классу, так что поиск по всей иерархии не производится. Тестирующий скрипт лежит тут. Тестирование производительности отдельная достаточно большая тема, которой я собираюсь посвятить отдельный пост в ближайшем будущем. Получить указанные тайминги и погрешность на уровне < 5% простым использованием timeit.timeit не получится.

Ссылки:
          github.com/koder-ua/python-lectures/blob/master/attribute_access.py
          github.com/koder-ua/python-lectures/raw/master/attribute.jpg
          docs.python.org/reference/datamodel.html#customizing-attribute-access

Исходники этого и других постов со скриптами лежат тут — github.com/koder-ua. При использовании их, пожалуйста, ссылайтесь на koder-ua.blogspot.com.

Автор: konstantin danilov