初學者指南：深入了解 Python 中的 __slots__

更新日期： 2024 年 10 月 12 日

在學習 Python 的物件導向程式設計（Object-Oriented Programming, OOP）時，類別（Class） 和 實體（Instance） 的屬性管理是一個重要的課題。

當我們創建大量物件時，內存使用和性能可能會成為需要關注的問題。

Python 提供了一個名為 __slots__ 的機制，讓我們可以更高效地管理物件的屬性，節省內存並提高訪問速度。

本文將為新手詳細介紹 Python 中的 __slots__，解釋其作用、如何定義和使用，以及其優點和限制。

什麼是 __slots__？

__slots__ 是 Python 類別中的一個特殊屬性，用於明確宣告類別所允許的實體屬性。

透過定義 __slots__，Python 會為實體使用更加緊湊的內部結構，避免為每個實體創建 __dict__（用於存儲屬性的字典），從而節省內存。

簡單來說：

• __slots__ 限制了實體可以擁有的屬性。
• __slots__ 可以節省內存，特別是在大量創建物件時。

為什麼需要 __slots__？

在 Python 中，類別的實體預設使用一個字典（__dict__）來存儲屬性。

這使得我們可以動態地為實體添加屬性，但同時也增加了內存開銷。

內存開銷示例

class WithoutSlots:
    def __init__(self, name, age):
        self.name = name
        self.age = age

class WithSlots:
    __slots__ = ['name', 'age']
    def __init__(self, name, age):
        self.name = name
        self.age = age

當我們創建大量實體時，使用 __slots__ 的類別將節省大量內存。

如何使用 __slots__？

定義 __slots__

在類別中定義一個名為 __slots__ 的屬性，並將其設置為包含屬性名稱的可迭代物件（通常是列表或元組）。

class MyClass:
    __slots__ = ['attribute1', 'attribute2']

示例

class Person:
    __slots__ = ['name', 'age']

    def __init__(self, name, age):
        self.name = name
        self.age = age

• 說明：
• __slots__ 中列出的 'name' 和 'age' 是實體允許的屬性。
• 實體將不再有 __dict__ 屬性。

嘗試添加未定義的屬性

person = Person('Alice', 30)
person.name = 'Bob'  # 可以，'name' 在 __slots__ 中
person.age = 35      # 可以，'age' 在 __slots__ 中
person.gender = 'Female'  # AttributeError: 'Person' object has no attribute 'gender'

• 說明：試圖添加未在 __slots__ 中定義的屬性時，會引發 AttributeError。

__slots__ 的優點

節省內存

• 原因：實體不再需要 __dict__ 來存儲屬性，減少了內存使用。
• 適用情況：當需要創建大量實體時，內存節省效果顯著。

提高屬性訪問速度

• 原因：由於使用了緊湊的內部結構，屬性的存取速度可能會略有提升。

防止錯誤添加屬性

• 原因：限制了實體只能擁有特定的屬性，可以防止意外添加錯誤的屬性。

__slots__ 的限制

無法添加新的屬性

• 說明：無法為實體動態添加未在 __slots__ 中定義的屬性。
• 影響：減少了類別的靈活性。

無法使用實體屬性字典

• 說明：實體不再有 __dict__ 屬性，某些需要使用 __dict__ 的功能將無法使用，例如某些序列化工具。

無法在子類別中簡單擴展 __slots__

• 說明：在繼承中，需要小心處理 __slots__，否則可能導致錯誤。

與多重繼承的兼容性問題

• 說明：在多重繼承中使用 __slots__ 可能會帶來複雜性，需謹慎使用。

完整示例

定義一個使用 __slots__ 的類別

class Employee:
    __slots__ = ['name', 'position', 'salary']

    def __init__(self, name, position, salary):
        self.name = name
        self.position = position
        self.salary = salary

    def display_info(self):
        print(f"姓名：{self.name}, 職位：{self.position}, 薪資：{self.salary}")

創建實體並測試

# 創建實體
emp = Employee('Alice', 'Engineer', 80000)

# 訪問屬性
emp.display_info()  # 輸出：姓名：Alice, 職位：Engineer, 薪資：80000

# 嘗試添加未定義的屬性
emp.department = 'R&D'  # AttributeError: 'Employee' object has no attribute 'department'

適用場景

• 大量實體的情況：如處理大型數據集、需要創建大量物件時，使用 __slots__ 可以節省大量內存。
• 需要固定屬性的類別：當類別的屬性是固定的，不需要動態添加新屬性時，__slots__ 是合適的選擇。
• 追求性能優化：在對內存和性能要求較高的情況下，可以考慮使用 __slots__。

結論

__slots__ 是 Python 中一個強大的工具，透過明確宣告實體屬性，可以節省內存並提高性能。

然而，它也帶來了一些限制，如減少類別的靈活性、與繼承和多重繼承的兼容性問題。

因此，在使用 __slots__ 時，需要根據實際情況權衡利弊。

總結：

• 優點：節省內存、提高性能、限制屬性。
• 缺點：減少靈活性、可能帶來兼容性問題。

希望通過本文的介紹，您對 Python 中的 __slots__ 有了更深入的了解，並能在適當的情況下靈活運用。

進一步學習

• 深入理解 Python 的內部實現：瞭解 CPython 中物件的內存管理機制。
• 探索 __slots__ 與繼承：學習如何在繼承結構中正確使用 __slots__。
• 性能優化技巧：瞭解更多 Python 的性能優化方法，如使用生成器、協程等。
• 資料結構與演算法：加強對資料結構的理解，編寫更高效的程式。