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python中类变量 slots 解析

news 2025/8/1 4:08:04

在 Python 中，__slots__ 是一个特殊的类属性，用于显式声明类实例允许的属性集。它通过替代默认的 __dict__ 字典存储机制，提供了内存优化和访问速度提升。

一. 核心作用

内存优化：普通类实例的属性存储在动态字典 __dict__ 中，占用较多内存。使用 __slots__ 后，实例通过固定大小的数组存储属性，显著减少内存开销（约 40-50%）。
访问速度提升：直接通过数组偏移量访问属性，比字典查找更快。
防止动态属性创建：限制实例只能添加 __slots__ 中声明的属性，避免意外属性赋值。

二. 基本用法

在 Python 中，使用 __slots__ 声明的属性不会在类声明后自动创建。__slots__ 的作用是限制实例可拥有的属性，并为这些属性预留存储空间，但属性本身需要显式初始化（通常在 __init__ 方法中）。

class Person:__slots__ = ['name', 'age']  # 显式声明允许的属性def __init__(self, name, age):self.name = nameself.age = age# 正常使用
p = Person("Alice", 30)
print(p.name, p.age)  # Alice 30# 尝试添加未声明的属性 → 报错!
p.address = "Paris"  # AttributeError: 'Person' object has no attribute 'address'

关键点：

声明 ≠ 初始化

__slots__ 仅声明允许的属性名称，不会自动创建或初始化这些属性。直接访问未初始化的属性会引发 AttributeError。

class MyClass:__slots__ = ['name', 'age']obj = MyClass()
print(obj.name)  # AttributeError: 'name' 未初始化

必须显式赋值

属性需在 __init__ 或其他方法中显式赋值后才会存在：

class MyClass:__slots__ = ['name', 'age']def __init__(self, name, age):self.name = name  # 正确初始化self.age = age    # 正确初始化obj = MyClass("Alice", 30)
print(obj.name)  # 输出: Alice

节省内存的原理

__slots__ 通过以下方式优化内存：

取消实例的 __dict__（禁止动态添加属性）。
为 __slots__ 中的属性预先分配固定存储空间（类似 C 结构体）。

使用slots浪费内存的情况

有浪费但可控：
- 未使用槽位会占用空间（每个约 8 字节）
- 但远小于 __dict__ 的基准开销（通常 240+ 字节）
何时真正浪费：
- 声明大量永不使用的属性（如声明 100 个只用到 5 个）
- 实例数量极少时（优化效果不明显）

三. 关键特性

无 __dict__：默认情况下，使用 __slots__ 的类实例不再拥有 __dict__（除非显式包含）。
禁止动态属性：无法添加未在 __slots__ 中声明的属性。
类属性不受限：__slots__ 仅限制实例属性，类属性可正常使用。
继承行为：
- 子类未定义 __slots__：继承父类的 __slots__，同时拥有 __dict__（可动态添加属性）。
- 子类定义 __slots__：继承父类的 __slots__，子类 __slots__ 为其父类与自己声明的并集。

四. 高级用法

(1) 保留 `dict`

class Person:__slots__ = ['name', 'age', '__dict__']  # 显式包含 __dict__def __init__(self, name, age):self.name = nameself.age = agep = Person("Bob", 25)
p.gender = "Male"  # 允许动态属性（存储在 __dict__ 中）

(2) 支持弱引用

class Person:__slots__ = ['name', '__weakref__']  # 显式包含 __weakref__p = Person()
import weakref
ref = weakref.ref(p)  # 弱引用生效

五. 继承示例

# 父类
class Base:__slots__ = ['base_attr']# 子类未定义 __slots__
class ChildA(Base):passa = ChildA()
a.base_attr = 1   # 正常（继承自 Base）
a.new_attr = 2    # 正常（ChildA 有 __dict__）# 子类定义 __slots__
class ChildB(Base):__slots__ = ['child_attr']b = ChildB()
b.base_attr = 1   # 正常
b.child_attr = 2  # 正常
b.new_attr = 3    # AttributeError（无 __dict__）

六. 性能对比

内存占用

import sysclass WithoutSlots:passclass WithSlots:__slots__ = ['x', 'y']# 创建大量实例
instances = [WithoutSlots() for _ in range(100000)]
print(sys.getsizeof(instances[0].__dict__))  # ≈ 120-280 字节/实例instances = [WithSlots() for _ in range(100000)]
print(sys.getsizeof(instances[0]))          # ≈ 32-48 字节/实例

访问速度

import timeitsetup = """
class WithoutSlots: pass
class WithSlots: __slots__ = ['x']obj1 = WithoutSlots()
obj2 = WithSlots()
"""print(timeit.timeit("obj1.x = 1", setup, number=10**7))  # ≈ 0.8s
print(timeit.timeit("obj2.x = 1", setup, number=10**7))  # ≈ 0.6s（快 20-30%）