第6篇:Cython的面向对象编程(中篇)

我们在前一篇已经说过Python版本实现的类和Cython版本的类的区别，其中一个最为显著的特征是Python类实例的属性数据存放一个内部字典中即__ dict__，我们了解dict的底层是基于哈系表

例如 Fruit的实例下,如下图查看所有实例属性的数据

ss8.png
另外我在前面的随笔说过，纯Python版本的面向对象编程中，不存在封装一说,因为Python的类是基于解析语言构建，Python运行时系统并没有像C++/JAVA提供对类实例的属性/方法的访问控制

我们先来查看原生Python定义的Fruit类，我们可以通电点号访问符实访问Fruit实例的属性，同时可以修改其属性

因此Python定义的类默认所有属性是公开，并且可修改的,甚至Python运行时还允许我们动态添加新的类属性变量，如下操作，动态添加weight属性

Python类性能问题

上面的例子，其实就突出一点Python类强调运行时的动态性，因为Python类的实例属性存储内部dict中，而dict的本质就是哈系表，但纯Python类实例的属性数量规模不宜过大，因为哈系表元素(类实例属性的引用)的数量超过负载系数，会导致字典重散列，在典型的哈希表的内存模型中，重散列(Rehashing)意味着

1. 带来巨大的内存消耗，因为重散列意味着，运行时频繁添加或删除类实例属性，可能导致已分配内存利用率低下
2. 字典内部若类实例属性存在散列冲突，即访问或修改某些实例属性的效率时间复杂度可能为O(n)

扩展阅读:如果你对哈希表基本原理不熟悉,可以阅读我之前写的随笔《C++哈希表-负载系数与重散列》，那篇是非收费文章..

Cython类的访问控制

接下来，我们讨论Cython版本的类Fruit，这是一个纯Cython的扩展类，位于一个cy_fruit.pyx的文件中

#cython:language_level=3

cdef class Fruit(object):
    '''Fruit Type'''
    
    cdef str name
    cdef double qty
    cdef double price
    
    def __init__(self,nm,qt,pc):
          self.name=nm
          self.qty=qt
          self.price=pc

    def amount(self):
          return  self.qty*self.price

下面是一个错误示例的演示

当我们尝试对一个C实现的扩展类的实例调用一个类似Python类的内部字典属性__ dict__会发生报错，会提示 no attribute '__ dict __'错误，

ss8.png
由于Cython关键字 cdef class就是告知Cython编译器将Fruit类的定义编译为C版本的类Fruit，若你了解C的话，C版本的Fruit类定义可以类比下面的C代码，

typedef struct{
    char* name;
    double qty;
    double price;
    
}    Fruit;

double amount(Fruit* self){
      return self->qty*self->price;
}

没错，cdef class 在底层就做了这些底层的操作：

1. 对于C来说,Fruit类的本体就是一个具备以上字段的结构体，
2. Fruit类在实例化时，必须明确告知编译器它自己内部字段(属性)的类型，编译器根据字段的类型能计算出整个Fruit结构体实例化时该为它分配多大的内存量。

当然上面不是完全的描述，我们在通过例子去进一步分析cdef关键字的对Cython类的操作。

反例演示:当我们尝试通过点号访问符访问C级别的Fruit类实例属性，哦~!一一报错，这又是何解呢？你可以自行思考一下。

此时，你应该想到Cython的关键字cdef class集成了C++ class的特性就是类成员的访问控制，C++的关键字class就是提供了访问控制的struct的加强版。这里需要说一下：Cython与C++访问控制修饰符的对应关系。

• private:对于Cython编译器来说，任何使用cdef定义的类属性/方法默认是私有的，类外部代码无法访问之,并且在声明类成员时,Cython语法层面不提供显式的private关键字声明，因为像cdef private double price 等同画蛇舔足。
• public: Cython编译器继承了C++这一特性，例如类内声明cdef public double price,表示外部代码可以自由访问和修改该属性值。
• protected:要在Cython中实现类似C++类继承的protected访问控制特性，在Cython中不能使用protected，而是使用cppclass关键字,关于此方面内容以后再说。

再多说一句，我们知道C的struct是简单的聚合类型，也就是对基本数据类型聚合扩展新的用户自定义类型而已，且不提供任何访问限制。而Python 的C底层的API实现中使用最为频繁的函数参数就是struct PyObject*，只要Python解析器在运行时解析任何动态变量都会首先指向PyObject这个C版本的结构体指针。这恰好说明Python运行时系统对类实例属性没有访问控制的根本原因。

Ok,我们通过一些例子加深并巩固上面的概念，请看下面添加访问控制修饰符后的Cython类

#cython:language_level=3

cdef class Fruit(object):
    '''Fruit Type'''
    
    cdef readonly str name
    cdef public double qty
    cdef readonly double price
    
    def __init__(self,nm,qt,pc):
          self.name=nm
          self.qty=qt
          self.price=pc

    cdef public double amount(self):
          return  self.qty*self.price

下面的调用Cython版本的Fruit类，类实例属性name和类实例属性qty都能被外部的Python代码调用，如下图，因为readonly和public允许外部Python代码访问其类属性

• 属性namereadonly关键字
• 属性qty被public关键字修饰
• 属性price被readonly关键修饰

值得一提的是，当readonly关键字修饰类属性时,其实很想Java中的final关键字的原理一样：类实例属性值一旦在初始化之后便不能更改,但允许调用代码访问。我们可以通过下面示例来演示。

public关键字允许外部Python代码调用被public修饰的类实例属性，并且可以自由修改类实例属性的值

更新中.....