9. Python的類是如何運作的？
本系列文章譯自Python之父 Guido van Rossum 的系列部落格“The History of Python”。這個部落格系列對我們理解Python及其演變很有幫助，經Guido同意，在這裡翻譯推薦給大家，希望大家喜歡，也請大家多多指教！
本系列譯文目錄： http://blog.kantli.com/theme/1
1 基於 C語言的底層機制
說來你可能不信，Python 開發一年後，我們才加入“類（class）”的概念。為了解這段歷史，首先要理解 Python 的一些底層實現。
Python 的底層，實際上是基於一個用C語言實現的程式碼解析器，或者說“虛擬機器”，以及也是用C語言實現的幾種基本資料型別。雖然 Python 底層架構使用了各種“物件”，但因為C語言不是面嚮物件語言，所以這些物件的實現，實際上是基於一些特定的資料結構與方法指標。
Python 虛擬機器定義了每個物件型別都可以，或者必須實現的數十種標準方法（比如“get attribute”、“add” 、“call”等）。每個物件型別都有一個靜態儲存的資料空間，其中包含一系列方法指標，每個指標指向一種標準方法。不過，有些標準方法不是必須實現的，於是會出現空指標，這時，Python 虛擬機器會丟擲執行時錯誤，或者有時也提供這些方法的預設實現。
另外，物件型別的資料空間裡也包含很多其它資料，包括一個儲存這個型別的特有方法的列表。每種方法由一個字串（方法名稱）和一個方法指標（具體實現）組成。
Python 獨特的自省（introspection）機制，就是基於其獨特的，可以在執行時作為一種物件的型別資料結構。
Python 的底層完全是基於 C 語言的，事實上其所有標準方法都是用 C 語言寫的。最開始時，Python 解析器只支援純粹的 Python 函式和用 C 語言實現的這些方法。我記得應該是我們當時的同事，Siebren van der Zee，建議我們應該像 C++ 一樣支援“類”，從而實現自定義物件。
2 類的實現
我採用了最簡單的設計來實現使用者自定義物件：所有物件的例項都用一種新的內建物件表示，這個內建物件包含一個指標和一個字典，指標指向這個例項對應的“類物件（class object）”，而字典中包含了這個物件例項的各種變數，也被稱為“例項字典”。
在此實現中，例項字典中的變數是這個例項所具有的獨特變數，而類物件則包含這個類的所有例項所共享的東西——尤其是方法。
而在實現類物件的時候，我依然採用了最簡單的設計：類的所有方法都被儲存在一個字典中，其對應的鍵值就是方法的名稱。我把它叫做“類字典（class dictionary）”。
為支援繼承，類物件也會儲存指向父類物件的指標。當時，我對類的理解還非常淺薄，不過對 C++ 剛支援的多重繼承特性有所瞭解。因此我想，既然要支援繼承，不如也同時支援一個簡單版的多重繼承。於是，每個類物件都允許有多個父類。
基於這種實現，物件的底層運作機制其實非常簡單：不論是改變例項變數還是類變數，都只是修改對應字典的資料而已。
比如說，設定例項變數時，只需要更新它的例項字典；類似地，獲取例項變數時，首先檢查例項字典中是否有這個變數，如果沒有，就在類物件以及父類物件的字典中查詢。
不過，在父類物件中查詢變數還涉及一些其它問題。例項從類物件和父類物件中獲取變數的過程，一般與查詢方法的過程一樣。如前文所說，方法儲存在類物件字典中，由這個類的所有例項共享。因此，呼叫方法的時候，一般不會在例項字典中找到，而必須查詢類物件的字典，之後再從父類物件字典中遞迴查詢。
Python 的最初的預設方法解析順序（method resolution order，MRO）是採用深度優先，從左至右演算法。不過，後來的版本採用了更成熟的 MRO （C3演算法），我們會在之後的博文中討論。
3 簡單，但靈活
我希望 Python 類的實現儘量簡單。因此，Python 在查詢方法的時候，並不會做錯誤檢查或一致性驗證。比如說，如果一個類過載了父類的一個方法，Python 不會檢查這個過載的方法是否與父類方法有相同的引數，或者相同的呼叫方式。前文所說的方法解析演算法，只是單純地返回它找到的第一個方法而已。
另外，這種設計還導致了一些其它特性。比如說，雖然類字典最初是用於儲存方法的，但也不是不能儲存其它物件。因此，如果在類字典中儲存整數或字串，就可以作為類變數——即由所有例項共享的變數。
Python 類的實現非常簡單，但也非常靈活。
比如說，因為採用了這種實現方式，Python 中的類也是“一級物件（first-class objects）”，因而在程式執行時可以很容易內省到（introspected），而我們也可以對類進行動態修改。
舉例來說，在類物件建立後，通過更新類字典，我們依然可以增加或修改類的方法。（作者注：後來的新式類中，dict 類的修改被控制了，我們依然可以動態地修改類，但必須呼叫引數設定方法，而不是直接使用 dict 類。）而又因為 Python 是動態型別語言，這就意味著，這個類，及其子類的所有例項，都會立即更新其方法。
類似的，通過修改例項字典，例項的變數也可以動態增加、修改或刪除（SmallTalk 語言在物件建立時就限制了例項的變數，與之相比，Python 的這個特性可以說相當自由了）。
公眾號：ReadingPython
