2025-10-06 Python不基础 16——__slots__

本文参考视频链接：

• https://www.bilibili.com/video/BV1UU4y117Rf

__slots__是Python类中用于限制实例属性种类、提升属性访问速度、节省内存的特殊机制，是类定义中声明的特殊变量（通常为元组或列表），本质是实例属性的“白名单”，仅允许白名单内的属性被实例使用。

通过代码直观展示__slots__的“属性限制”作用：

# 定义类A，声明__slots__为("F", "G")（仅允许实例使用F和G属性）
class A:__slots__ = ("F", "G")  # 元组形式（推荐，不可变，避免后续修改）# 创建实例o
o = A()# 1. 赋值白名单内的属性：正常执行
o.F = 2
print(o.F)  # 输出：2# 2. 赋值白名单外的属性：报错（属性未在__slots__中声明）
o.B = 2  # 运行结果：AttributeError: 'A' object has no attribute 'B'

• 实例仅能访问/赋值__slots__中明确声明的属性（如F、G）；
• 尝试使用未声明的属性（如B）会直接抛出AttributeError，避免误定义无效属性。

优势类别	具体表现
1. 提升代码鲁棒性	限制属性种类，避免因手误定义无效属性（如o.B）导致的逻辑错误
2. 加快属性访问速度	视频基准测试显示：__slots__属性的赋值/读取速度比普通属性快约10%
3. 节省内存占用	普通实例通过__dict__（字典）存储属性，__slots__直接通过内存偏移存储，减少字典开销

1. 底层实现

__slots__的“魔法”发生在类创建阶段（type_new函数）和属性访问阶段（描述器机制），核心是“预分配内存偏移+描述器直接操作内存”。

阶段1：类创建时的__slots__处理（type_new函数）

当Python执行class A: __slots__ = ("F", "G")时，会调用type_new函数（类创建的核心函数），对__slots__进行初始化处理，为后续实例创建预留内存规则。

1. 标准化__slots__格式：

   • 将__slots__统一转换为元组（即使传入列表，也会转为元组），避免后续被修改；
   • 过滤特殊值（如__dict__、__weakref__），仅保留用户声明的属性名（如"F"、"G"）。
   

2. 记录slot的内存偏移（offset）：

   • Python中所有实例本质是C语言的结构体（struct），普通实例的结构体大小由TP_BASIC_SIZE定义（固定大小）；
   • 为__slots__中的每个属性分配专属内存偏移量：
     • 偏移量从TP_BASIC_SIZE开始计算（即普通结构体之后的额外空间）；
     • 每个slot的偏移量递增sizeof(PyObject*)（指针大小，通常为8字节，取决于系统）。
   • 示例：若TP_BASIC_SIZE=100（普通实例占100字节）：
     • F的偏移量=100（第100字节开始存储F的指针）；
     • G的偏移量=108（第108字节开始存储G的指针）。
   

3. 创建slot的描述器（descriptor）：

   • 为每个slot属性（F、G）创建专属的“成员描述器”（member descriptor）；
   • 将描述器保存到类的__dict__中（如A.__dict__["F"]就是F的描述器）；
   • 描述器的作用：后续实例访问o.F时，通过描述器直接定位内存偏移，跳过字典查找。
   

阶段2：实例创建时的内存预留

当创建o = A()时，Python会根据类A的__slots__配置，为实例分配额外的内存空间：

• 实例的总内存 = 普通结构体大小（TP_BASIC_SIZE） + 所有slot的内存（每个slot占1个指针大小）；
• 每个slot的内存空间与预计算的“偏移量”对应（如F对应100-107字节，G对应108-115字节）；
• 实例没有__dict__属性（普通实例用于存储属性的字典），直接通过内存偏移存储slot属性。

阶段3：属性访问时的描述器机制（核心提速逻辑）

实例访问o.F时，不通过字典查找，而是通过F的描述器直接操作内存，这是__slots__提速的关键。

1. 查找描述器：

   • 实例o没有__dict__，因此直接从类A的__dict__中查找"F"；
   • 找到F对应的“成员描述器”（阶段1创建的描述器）。

2. 描述器计算内存地址：

   • 描述器中保存了F的偏移量（如100）；
   • 计算F的实际内存地址：实例基地址 + 偏移量（如&o + 100）。

3. 直接读写内存：

   • 读取：从计算出的内存地址中直接获取F的值；
   • 赋值：将值直接写入该内存地址；
   • 无需像普通属性那样遍历MRO查找描述器，再查__dict__，减少两层开销。

属性类型	访问流程（以o.F为例）	开销总结
普通属性	1. 遍历实例的MRO，查找F的描述器；2. 调用描述器的__get__，查找实例的__dict__["F"]	多“MRO遍历+字典查找”开销
__slots__属性	1. 从类__dict__直接找到F的描述器；2. 描述器通过偏移量直接访问实例内存	仅“描述器+内存偏移”，开销极小

__slots__属性的赋值/读取速度比普通属性快约10%，且实例数量越多，优势越明显。

__slots__的内存优势

普通实例与__slots__实例的内存占用差异，根源在于“是否使用__dict__存储属性”。

• 普通实例的内存开销：__dict__字典

  普通类的实例会自动创建__dict__属性（字典），用于存储所有实例属性：

  • 字典为了保证“平均O(1)查找速度”，会预留额外的哈希表空间（通常比实际存储的键值对多50%）；
  • 即使实例只有1个属性，__dict__也会占用至少几十字节的额外内存（哈希表结构、指针等）。

• slots__实例的内存优化：无__dict，直接内存偏移

  • __slots__实例没有__dict__属性，无需为字典预留额外空间；

  • 属性直接存储在实例结构体的“预分配偏移地址”中，每个属性仅占1个指针大小（8字节，64位系统）；

  • 内存占用 = 实例基础结构体大小 + slot数量×指针大小，无额外开销。

2. __slots__与普通类的差异

通过打印类和实例的内部结构，验证__slots__的底层机制：

__slots__的属性对应“成员描述器”，保存在类的__dict__中；普通属性的描述器是默认的“属性描述器”：

class A:__slots__ = ("F", "G")class B:pass# 1. __slots__类A的__dict__：包含F和G的成员描述器
print(A.__dict__)
# 输出（关键部分）：
# {'F': <member 'F' of 'A' objects>, 'G': <member 'G' of 'A' objects>}# 2. 普通类B的__dict__：无额外描述器（普通属性通过实例__dict__存储）
print(B.__dict__)
# 输出（关键部分）：
# {'__module__': '__main__', '__dict__': <attribute '__dict__' of 'B' objects>, ...}

通过sys.getsizeof()对比内存占用（需注意：getsizeof不包含__dict__的实际内容，需结合逻辑判断）：

import sysclass A:__slots__ = ("F", "G")class B:passo = A()
o.F = 2
o.G = 3p = B()
p.F = 2
p.G = 3print(p.__dict__) # 输出：{'F': 2, 'G': 3}
print(o.__dict__) # 输出：AttributeError: 'A' object has no attribute '__dict__'

注意事项

1. __slots__的格式：

   • 推荐使用元组（__slots__ = ("F", "G")），不可变，避免后续代码修改__slots__导致混乱；
   • 若用列表（__slots__ = ["F", "G"]），虽能运行，但列表可修改，可能破坏属性限制规则。

2. 继承时的__slots__：

   • 子类若定义__slots__，会继承父类的__slots__，但子类的slot会追加在父类slot之后；
   • 若子类不定义__slots__，则子类实例会恢复__dict__，父类的__slots__仅限制父类属性，子类可自由添加属性。

3. 特殊slot：dict__与__weakref：

   • 若__slots__中包含"__dict__"，则实例会恢复__dict__，允许添加__slots__外的属性（失去限制作用，但仍保留提速优势）；
   • 若__slots__中包含"__weakref__"，则实例支持弱引用（默认__slots__实例不支持弱引用）。