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類別繼承與家族紛爭（上）

為你自己學 Python

其實類別的「繼承（Inheritance）」在其它程式語言裡可能沒什麼好講的，大家的設計都差不多，就是把共同的方法寫在上層類別，然後繼承它的下層類別就可以直接使用。不過 Python 的繼承加入了多重繼承的設計，也就是一個類別可以同時有多個上層類別，讓整個故事變的複雜了一點點...，喔，應該不是一點點，如果追原始碼的話，這還滿大一點的。

類別與繼承​

建立類別​

我們先從最簡單開始：

class Animal:
    pass

class Cat(Animal):
    pass

來看看這幾行程式碼產生的 Bytecode 長什麼樣子，先看上半部：

  1           2 PUSH_NULL
              4 LOAD_BUILD_CLASS
              6 LOAD_CONST               0 (<code object Animal>)
              8 MAKE_FUNCTION            0
             10 LOAD_CONST               1 ('Animal')
             12 CALL                     2
             20 STORE_NAME               0 (Animal)

這裡大都是看過的指令，我們一行一行來看，但這回我們順便看一下記憶體堆疊的分解動作。

首先，LOAD_BUILD_CLASS 指令在上個章節看過，就是載入用來建立類別的 __build_class__() 函數，載入之後目前的堆疊狀態是：

+-----------------+
| __build_class__ |
+-----------------+

接下來，LOAD_CONST 指令載入已經編譯好的 Code Object，也就是 Animal 類別的程式碼，這時候堆疊狀態變成：

+-----------------+
| <Code Object>   |
+-----------------+
| __build_class__ |
+-----------------+

接著，MAKE_FUNCTION 0 指令建立會拿出目前堆疊的最上面一個當做參數，然後建立一個函數物件並且把這顆 Code Object 給包進去，再擺回堆疊上，這時候堆疊狀態變成：

+-----------------+
| <Animal 函數物件> |
+-----------------+
| __build_class__ |
+-----------------+

再來的 LOAD_CONST 1 載入字串 'Animal'，這準備用來當做類別的名字，這時候堆疊狀態變成：

+-----------------+
| "Animal" 字串    |
+-----------------+
| <Animal 函數物件> |
+-----------------+
| __build_class__ |
+-----------------+

接下來的 CALL 2 指令是指拿出目前堆疊的最上面兩個當做參數，然後拿第三個來執行，以結果來說，這裡 CALL 2 就等於是 __build_class__(<Animal 函數物件>, "Animal") 的意思。類別 Animal 建立好之後就會把它擺回到堆疊上，這時候堆疊狀態變成：

+-----------------+
| <Animal 類別物件> |
+-----------------+

搞定一個類別，接著來看看繼承是怎麼做的。

繼承是怎麼一回事？​

  5          22 PUSH_NULL
             24 LOAD_BUILD_CLASS
             26 LOAD_CONST               2 (<code object Cat>)
             28 MAKE_FUNCTION            0
             30 LOAD_CONST               3 ('Cat')
             32 LOAD_NAME                0 (Animal)
             34 CALL                     3
             42 STORE_NAME               1 (Cat)
             44 RETURN_CONST             4 (None)

大部份的指令差不多，但 CALL 3 是指要拿出堆疊最上面的三個元素當參數，並且拿第四個的元素來執行，以結果來說就會變成：

__build_class__(<Cat 函數物件>, "Cat", <Animal 類別物件>)

這樣就建立了 Cat 跟 Animal 之間的繼承關係了。我們再複習一下上個章節看過的 __build_class__() 這個內建函數的實作：

檔案：Python/bltinmodule.c
static PyObject *
builtin___build_class__(PyObject *self, PyObject *const *args, Py_ssize_t nargs,
                        PyObject *kwnames)
{
    // ... 略 ...
    orig_bases = _PyTuple_FromArray(args + 2, nargs - 2);
    // ... 略 ...
}

第一個參數是建立類別的函數物件，第二個是類別的名字，後面剩下的參數就是上層類別了，這些上層類別會被擺進一個 Tuple 裡，看想放幾個上層類別都可以。啊...也不是說沒有限制的啦，原則上是沒限制沒錯，但放太多個上層類別的話，在計算繼承關係的時候就得額外花時間，所以通常也不會擺太多。

查找方法​

先來個簡單的例子：

class Cat:
  def hi(self):
    pass

kitty = Cat()
kitty.hi()

kitty 的 .hi() 方法是怎麼被找到的？來看看 Bytecode 長什麼樣子：

            4 LOAD_BUILD_CLASS
            6 LOAD_CONST               0 (<code object Cat>)
            8 MAKE_FUNCTION            0
           10 LOAD_CONST               1 ('Cat')
           12 CALL                     2
           20 STORE_NAME               0 (Cat)

6          22 PUSH_NULL
           24 LOAD_NAME                0 (Cat)
           26 CALL                     0
           34 STORE_NAME               1 (kitty)

7          36 LOAD_NAME                1 (kitty)
           38 LOAD_ATTR                5 (NULL|self + hi)
           58 CALL                     0
           66 POP_TOP
           68 RETURN_CONST             2 (None)

上半段是在建立 Cat 類別，中間那段是在建立 kitty 實體，實體建立後，LOAD_NAME 1 (kitty) 就是載入剛才建立的實體並擺在堆疊上，接著 LOAD_ATTR 5 就是要找到堆疊最上層的 kitty 這顆實體裡的 hi 方法，最後再由 CALL 0 指令執行。

我們來看看這個新的指令 LOAD_ATTR 5 在做些什麼事：

檔案：Python/bytecodes.c
inst(LOAD_ATTR, (unused/9, owner -- res2 if (oparg & 1), res)) {
    // ... 略 ...
    PyObject *name = GETITEM(frame->f_code->co_names, oparg >> 1);
    if (oparg & 1) {
        PyObject* meth = NULL;
        if (_PyObject_GetMethod(owner, name, &meth)) {
            assert(meth != NULL);  // No errors on this branch
            res2 = meth;
            res = owner;  // Transfer ownership
        }
        else {
            DECREF_INPUTS();
            ERROR_IF(meth == NULL, error);
            res2 = NULL;
            res = meth;
        }
    }
    else {
        // ... 略 ...
    }
}

因為 LOAD_ATTR 5 的 oparg 是 5，所以會走的路線是 _PyObject_GetMethod(owner, name, &meth) 函數，也就是從 owner 裡面找到 name，並指定給 meth。以我們的範例來說，這個 owner 指的就是剛剛建立的 kitty 實體，name 就是 "hi"。

要從物件裡找到指定的方法。怎麼找呢？來看看原始碼是怎麼做的，這個函數行數比較多，我們一段一段來看：

檔案：Objects/object.c
int
_PyObject_GetMethod(PyObject *obj, PyObject *name, PyObject **method)
{
    // ... 略 ...
    PyTypeObject *tp = Py_TYPE(obj);

    // ... 略 ...
    PyObject *descr = _PyType_Lookup(tp, name);

    // ... 略 ...
}

扣掉前面省略的一些錯誤檢查的程式碼，這個 _PyType_Lookup() 函數從名字大概能猜的出來從指定的型別找到符合 name 的方法。追進 _PyType_Lookup() 函數：

檔案：Objects/typeobject.c
/* Internal API to look for a name through the MRO.
   This returns a borrowed reference, and doesn't set an exception! */

PyObject *
_PyType_Lookup(PyTypeObject *type, PyObject *name)
{
    // ... 略 ...
    res = find_name_in_mro(type, name, &error);

    // ... 略 ...
    return res;
}

註解寫的也滿清楚的，這個方法會從 MRO 裡找東西，find_name_in_mro() 這個函數的命名也很清楚它的目的。MRO 是 Method Resolution Order 的縮寫，這是 Python 用來找方法的順序，這有一套算是有點複雜但我目前還不太想面對的演算法，下集再來跟大家詳細介紹，現在只要先知道它是 Python 用來找方法的順序就好。

再回到原本的 _PyObject_GetMethod() 函數，繼續往下看：

descrgetfunc f = NULL;
if (descr != NULL) {
    Py_INCREF(descr);
    if (_PyType_HasFeature(Py_TYPE(descr), Py_TPFLAGS_METHOD_DESCRIPTOR)) {
        meth_found = 1;
    } else {
        f = Py_TYPE(descr)->tp_descr_get;
        if (f != NULL && PyDescr_IsData(descr)) {
            *method = f(descr, obj, (PyObject *)Py_TYPE(obj));
            Py_DECREF(descr);
            return 0;
        }
    }
}

在「為你自己學 Python」的物件導向程式設計 - 進階篇章節曾經介紹過關於「描述器（Descriptor）」的概念，而 tp_descr_get 跟 tp_descr_set 這兩個成員就是對應到描述器的 __get__ 及 __set__ 方法。上面這段程式碼就是在檢查 descr 這個物件是不是一個「方法描述器（Method Descriptor）」。

描述器有分資料描述器（Data Descriptor）跟非資料描述器（Non-Data Descriptor），這兩種描述器的細節可再參考上述連結資料。方法描述器是一種的非資料描述器，它沒有 __set__ 或 __delete__ 方法，只有 __get__ 方法。

這裡會判斷是不是一個方法描述器，如果不是的話，會執行 f(descr, obj, (PyObject *)Py_TYPE(obj)) 並指定給 method，這相當於執行 Python 描述器的 __get__ 方法。

再繼續往下看：

PyObject *dict;
if ((tp->tp_flags & Py_TPFLAGS_MANAGED_DICT)) {
    PyDictOrValues* dorv_ptr = _PyObject_DictOrValuesPointer(obj);
    if (_PyDictOrValues_IsValues(*dorv_ptr)) {
        PyDictValues *values = _PyDictOrValues_GetValues(*dorv_ptr);
        PyObject *attr = _PyObject_GetInstanceAttribute(obj, values, name);
        if (attr != NULL) {
            *method = attr;
            Py_XDECREF(descr);
            return 0;
        }
        dict = NULL;
    }
    else {
        dict = dorv_ptr->dict;
    }
}
else {
    PyObject **dictptr = _PyObject_ComputedDictPointer(obj);
    if (dictptr != NULL) {
        dict = *dictptr;
    }
    else {
        dict = NULL;
    }
}

if (dict != NULL) {
    Py_INCREF(dict);
    PyObject *attr = PyDict_GetItemWithError(dict, name);
    if (attr != NULL) {
        *method = Py_NewRef(attr);
        Py_DECREF(dict);
        Py_XDECREF(descr);
        return 0;
    }
    Py_DECREF(dict);

    if (PyErr_Occurred()) {
        Py_XDECREF(descr);
        return 0;
    }
}

這段程式碼看起來有點囉嗦，但目的是試著從物件的字典或屬性中找到特定屬性值，如果找到就把它存放到 method 中並結束這個函數；如果找不到就會繼續其他解析邏輯，如果到最後都還是找不到，就會出現錯誤。如果方法找到了會再次被擺上堆疊，下個 CALL 0 就會來執行這個方法。

這個 LOAD_ATTR 指令其實做了不少事，當我們在 Python 程式裡寫 kitty.say_goodbye() 的時候，這種 . 方法就是會由 LOAD_ATTR 負責查找，但我們這裡省略了很多細節，就是我前面提到不想面對的 MRO 演算法，這個演算法在多重繼承的情況下會變的有點複雜，就讓我們在下集再來詳細介紹吧！

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