在中高级Python开发面试中，面试官为了考察面试者是否了解面向对象编程，会通过Python魔术方法相关概念来变向提问
引言
定义和基本概念
魔术方法（Magic Methods） 是 Python 中一种特殊的函数，它们用于定义类的特定行为和属性。这些方法通常由 Python 解释器自动调用，而不是显式地在代码中调用。
它们允许你自定义类与内置操作符、函数和语法结构的交互方式，使得自定义对象能够像内置类型一样自然地使用。
命名约定
魔术方法的命名有特定的格式要求，它们都以双下划线__开头和结尾。这种命名约定使得这些方法在类中具有特殊的用途，不会与普通的方法名发生冲突。例如：
学习原因
- 提升代码可读性和可维护性
- 实现类的特殊行为和高级功能
常见魔术方法
初始化、删除、调用
__init__(self, ...)：对象初始化方法（构造函数）__new__(cls, ...)：创建对象实例的方法，通常与__init__ 搭配使用__del__(self)：对象销毁方法（析构函数）__call__(self, ...)：对象被调用时，比如xxx()这样调用形式，就会调用__call__方法的内容
字符串表示
__str__(self)：定义对象的字符串表示，适用于 str() 和 print()__repr__(self)：定义对象的官方字符串表示，适用于 repr()，通常可通过 eval() 函数重建对象__format__(self, format_spec)：定义对象的格式化表示，适用于 format() 函数和格式化字符串__bytes__(self)：定义对象的字节串表示，适用于 bytes()
数值运算
__neg__(self)：一元负号（取负），即 -self__pos__(self)：一元正号，即 +self__abs__(self)：绝对值，即 abs(self)__invert__(self)：按位取反，即 ~self__add__(self, other)：加法，即 self + other__sub__(self, other)：减法，即 self - other__mul__(self, other)：乘法，即 self * other__matmul__(self, other)：矩阵乘法，即 self @ other__truediv__(self, other)：真除法，即 self / other__floordiv__(self, other)：取整除法，即 self // other__mod__(self, other)：取模，即 self % other__divmod__(self, other)：同时计算取整除法和取模，返回 (self // other, self % other)__pow__(self, other, modulo=None)：幂运算，即 self ** other__lshift__(self, other)：左移位运算，即 self << other__rshift__(self, other)：右移位运算，即 self >> other__and__(self, other)：按位与，即 self & other__xor__(self, other)：按位异或，即 self ^ other__or__(self, other)：按位或，即 self | other__radd__(self, other)：反向加法，即 other + self__rsub__(self, other)：反向减法，即 other - self__rmul__(self, other)：反向乘法，即 other * self__rmatmul__(self, other)：反向矩阵乘法，即 other @ self__rtruediv__(self, other)：反向真除法，即 other / self__rfloordiv__(self, other)：反向取整除法，即 other // self__rmod__(self, other)：反向取模，即 other % self__rdivmod__(self, other)：反向同时计算取整除法和取模，返回 (other // self, other % self)__rpow__(self, other, modulo=None)：反向幂运算，即 other ** self__rlshift__(self, other)：反向左移位运算，即 other << self__rrshift__(self, other)：反向右移位运算，即 other >> self__rand__(self, other)：反向按位与，即 other & self__rxor__(self, other)：反向按位异或，即 other ^ self__ror__(self, other)：反向按位或，即 other | self__iadd__(self, other)：增量加法赋值，即 self += other__isub__(self, other)：增量减法赋值，即 self -= other__imul__(self, other)：增量乘法赋值，即 self *= other__imatmul__(self, other)：增量矩阵乘法赋值，即 self @= other__itruediv__(self, other)：增量真除法赋值，即 self /= other__ifloordiv__(self, other)：增量取整除法赋值，即 self //= other__imod__(self, other)：增量取模赋值，即 self %= other__ipow__(self, other, modulo=None)：增量幂运算赋值，即 self **= other__ilshift__(self, other)：增量左移位赋值，即 self <<= other__irshift__(self, other)：增量右移位赋值，即 self >>= other__iand__(self, other)：增量按位与赋值，即 self &= other__ixor__(self, other)：增量按位异或赋值，即 self ^= other__ior__(self, other)：增量按位或赋值，即 self |= other
类型转换
__int__(self)：定义对象到整数的转换，适用于 int()__float__(self)：定义对象到浮点数的转换，适用于 float()__complex__(self)：定义对象到复数的转换，适用于 complex()__bool__(self)：定义对象的布尔值转换，适用于 bool()__index__(self)：定义对象作为索引的转换，适用于切片操作和 bin()、hex()、oct() 函数
集合操作
__len__(self)：定义对象的长度，适用于 len()__getitem__(self, key)：定义按键访问，适用于 obj[key]__setitem__(self, key, value)：定义按键赋值，适用于 obj[key] = value__delitem__(self, key)：定义按键删除，适用于 del obj[key]__contains__(self, item)：定义成员测试，适用于 item in obj
迭代协议
__iter__(self)：定义返回迭代器，适用于 iter()__next__(self)：定义返回下一个元素，适用于 next()
上下文管理
__enter__(self)：定义进入上下文管理时的行为，适用于 with 语句__exit__(self, exc_type, exc_value, traceback)：定义退出上下文管理时的行为，适用于 with 语句
属性访问
__getattr__(self, name)：定义访问不存在的属性时的行为__getattribute__(self, name)：定义访问任何属性时的行为__setattr__(self, name, value)：定义设置属性时的行为__delattr__(self, name)：定义删除属性时的行为
描述符协议
__get__(self, instance, owner)：定义描述符的获取行为__set__(self, instance, value)：定义描述符的设置行为__delete__(self, instance)：定义描述符的删除行为
比较操作
__lt__(self, other)：小于，适用于 <__le__(self, other)：小于等于，适用于 <=__eq__(self, other)：等于，适用于 ==__ne__(self, other)：不等于，适用于 !=__gt__(self, other)：大于，适用于 >__ge__(self, other)：大于等于，适用于 >=
常见应用示例
字符串表示
__str__ 方法用于定义对象的字符串表示，通常用于用户友好的输出，而 __repr__ 方法用于定义对象的官方字符串表示，通常可以用来重建对象。
class Point:
def __init__(self, x, y):
self.x = x
self.y = y
def __str__(self):
return f"({self.x}, {self.y})"
def __repr__(self):
return f"Point({self.x}, {self.y})"
point = Point(3, 4)
print(str(point)) # 输出：(3, 4)
print(repr(point)) # 输出：Point(3, 4)
排序和比较
通过实现一系列比较运算的魔术方法，可以定义自定义类的排序和比较行为。
class Student:
def __init__(self, name, score):
self.name = name
self.score = score
def __lt__(self, other):
return self.score < other.score
def __eq__(self, other):
return self.score == other.score
def __repr__(self):
return f"Student({self.name}, {self.score})"
students = [
Student("Alice", 85),
Student("Bob", 75),
Student("Charlie", 90)
]
# 根据分数排序
sorted_students = sorted(students)
print(sorted_students)
# 输出：[Student(Bob, 75), Student(Alice, 85), Student(Charlie, 90)]
在这个例子中，通过实现 __lt__ 方法，定义了对象的小于比较。因此可以使用 sorted() 函数对学生列表进行排序。
实现数值类
通过重载算术运算符的魔术方法，可以实现自定义数值类，如复数或矩阵。
class ComplexNumber:
def __init__(self, real, imag):
self.real = real
self.imag = imag
def __add__(self, other):
return ComplexNumber(
self.real + other.real,
self.imag + other.imag
)
def __mul__(self, other):
return ComplexNumber(
self.real * other.real - self.imag * other.imag,
self.real * other.imag + self.imag * other.real
)
def __repr__(self):
return f"{self.real} + {self.imag}i"
# 创建两个复数
c1 = ComplexNumber(2, 3)
c2 = ComplexNumber(4, 5)
# 复数加法
print(c1 + c2) # 输出：6 + 8i
# 复数乘法
print(c1 * c2) # 输出：-7 + 22i
在这个例子中，通过重载 __add__ 和 __mul__ 方法，实现了复数的加法和乘法
集合与序列协议
通过实现集合与序列协议相关的魔术方法，可以定义自定义容器类，使其支持索引和迭代。
比如我们要实现一个既能排序又能去重的SortedSet类：
class SortedSet:
def __init__(self, items=None):
self._items = sorted(set(items)) if items else []
def __repr__(self):
return f"SortedSet({self._items})"
def __len__(self):
return len(self._items)
def __contains__(self, item):
return item in self._items
def __iter__(self):
return iter(self._items)
def __getitem__(self, index):
return self._items[index]
def add(self, item):
if item not in self._items:
self._items.append(item)
self._items.sort()
def remove(self, item):
if item in self._items:
self._items.remove(item)
# 测试 SortedSet 类
s = SortedSet([3, 1, 2, 3, 4])
print(s) # 输出：SortedSet([1, 2, 3, 4])
print(len(s)) # 输出：4
print(2 in s) # 输出：True
print(s[0]) # 输出：1
s.add(5)
print(s) # 输出：SortedSet([1, 2, 3, 4, 5])
s.remove(2)
print(s) # 输出：SortedSet([1, 3, 4, 5])
属性访问控制
通过实现属性访问相关的魔术方法，可以实现动态属性和代理模式。
class DynamicAttribute:
def __getattr__(self, name):
if name == "age":
return 25
elif name == "name":
return "Alice"
else:
raise AttributeError(
f"'DynamicAttribute' object has no attribute '{name}'"
)
obj = DynamicAttribute()
print(obj.age) # 输出：25
print(obj.name) # 输出：Alice
在这个例子中，通过实现 __getattr__ 方法，动态地为对象添加属性。如果属性不存在，则会调用这个方法来获取属性值，这在Python一些的ORM框架中很常见。
构造查询语句
python中的运算符|、&其实可以对标SQL中的or、and，所以我们可以通过魔术方法来实现一些类似SQL语句拼接
# 注：代码块暂不考虑太多异常情况，比如not操作
class Q:
def __init__(self, *expressions, operator="and", **kwargs):
self.operator = operator
self._expressions = expressions
self._kwargs = kwargs
def __or__(self, other):
return Q(self, other, operator="or")
def __str__(self):
return self.translate()
def translate(self):
kv_sql = " and ".join([f"{k}={v}" for k, v in self._kwargs.items()])
expr_sql = f" {self.operator} ".join([expr.translate() for expr in self._expressions])
return expr_sql + (f" {self.operator} " + kv_sql if expr_sql and kv_sql else kv_sql)
# 示例用法
q1 = Q(name='Alice', height=168)
q2 = Q(age=25, gender=0)
q3 = Q(q1, age=25)
# 实现 OR 运算符
print(q1 | q2)
# 输出：name=Alice and height=168 or age=25 and gender=0
print(q3)
# 输出：name=Alice and height=168 and age=25
上面例子中kwargs参数代表的是参与and操作的拼接键值对参数，而|则表示两个对象要进行or操作的拼接，这样就可以实现类似ORM框架里的还原SQL字符串 拼接操作了
上下文管理
上下文管理是 Python 中用于管理资源的一种机制，它可以确保在进入和离开代码块时资源得到正确的管理和释放。在使用 with 语句时，Python 会调用对象的 __enter__ 方法来获取上下文管理器，并在离开代码块时调用 __exit__ 方法来释放资源。
class MyResource:
def __enter__(self):
print("Entering the resource")
return self
def __exit__(self, exc_type, exc_value, traceback):
print("Exiting the resource")
def operation(self):
print("Performing operation")
# 使用上下文管理器
with MyResource() as resource:
resource.operation()
# Outputs
# Entering the resource
# Performing operation
# Exiting the resource
在这个示例中，MyResource 类实现了上下文管理器。当进入 with 代码块时，Python 会调用 __enter__ 方法，然后执行其中的代码；当离开 with 代码块时，Python 会调用 __exit__ 方法，以确保资源被正确释放。
可调用对象
__call__ 方法使得一个对象可以像函数一样被调用，这对于实现可调用对象非常有用。当调用对象时，Python 解释器会自动调用对象的 __call__ 方法。
class MyCallable:
def __call__(self, x):
return x * 2
# 创建可调用对象
callable_obj = MyCallable()
# 调用可调用对象
result = callable_obj(5)
print(result) # 输出：10
在这个示例中，MyCallable 类实现了 __call__ 方法，使得它的实例可以像函数一样被调用。当调用 callable_obj(5) 时，Python 实际上调用了 callable_obj.__call__(5)。
__new__ 和 __init__
__new__ 方法和 __init__ 方法都是 Python 中用于创建类实例的特殊方法，但它们的作用略有不同。
__new__ 方法在实例创建之前调用，用于创建实例对象，并返回一个新创建的实例。
__init__ 方法在实例创建之后调用，用于初始化实例对象的属性。
class MyClass:
def __new__(cls, *args, **kwargs):
print("Creating instance")
instance = super().__new__(cls)
return instance
def __init__(self, x):
print("Initializing instance")
self.x = x
# 创建实例
obj = MyClass(5)
# Outputs
# Creating instance
# Initializing instance
在这个示例中，__new__ 方法在实例创建之前被调用，用于创建实例对象，而 __init__ 方法在实例创建之后被调用，用于初始化实例对象的属性。
总结
Python 魔术方法是一种特殊的命名约定，用双下划线包围，用于实现对象的特殊行为和操作。它们包括但不限于初始化、字符串表示、比较、算术运算、上下文管理等方面。通过合理使用魔术方法，可以提高代码的可读性、可维护性，并实现更灵活的编程逻辑，是面向对象编程里一种非常重要的实现方法。
