在 Python 中，每個(gè)對(duì)象通常擁有一個(gè)可變字典 __dict__，用于保存屬性。這種結(jié)構(gòu)帶來(lái)了極高的靈活性，我們可以在運(yùn)行時(shí)自由添加或刪除屬性。

然而，靈活性意味著代價(jià)：每個(gè)實(shí)例都要維護(hù)獨(dú)立的字典，這會(huì)帶來(lái)顯著的內(nèi)存開(kāi)銷，尤其是在創(chuàng)建大量對(duì)象時(shí)。

為此，Python 提供了一個(gè)優(yōu)化機(jī)制 __slots__，它允許開(kāi)發(fā)者顯式聲明對(duì)象能擁有的屬性，從而避免自動(dòng)生成 __dict__，減少內(nèi)存使用，并加快屬性訪問(wèn)速度。

一、__slots__ 的定義與基本語(yǔ)法

定義：

__slots__ 是類屬性，用于聲明該類實(shí)例允許存在的屬性名稱集合。

語(yǔ)法結(jié)構(gòu)：

    __slots__ = ('attr1', 'attr2', ...)

? __slots__ 接受包含字符串的可迭代對(duì)象（通常為元組或列表）。

切勿寫(xiě)成單個(gè)字符串，例如：__slots__ = 'x'，它會(huì)被當(dāng)成字符序列。單個(gè)字符串時(shí)應(yīng)寫(xiě)成：

__slots__ = ('x',)

? 被聲明的屬性不再存儲(chǔ)在 __dict__ 中，而是以更緊湊的結(jié)構(gòu)（slot descriptor）保存。

? 若類定義了 __slots__，實(shí)例通常不會(huì)再自動(dòng)創(chuàng)建 __dict__。

示例：

print(p.x, p.y)  # 輸出：1 2

二、 __slots__與 __dict__ 的關(guān)系

（1）正常情況下，每個(gè)對(duì)象都有自己的 __dict__，用于動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)屬性：

print(a.__dict__)  # {'x': 10}

（2）使用 __slots__ 后，類不再創(chuàng)建實(shí)例 __dict__：

print(hasattr(B, '__dict__'))  # True：類對(duì)象總有類字典，與實(shí)例無(wú)關(guān)

（3）影響

? 無(wú)法動(dòng)態(tài)添加未在 __slots__ 中聲明的屬性。

? 屬性訪問(wèn)通過(guò)偏移定位，比哈希查找更快（CPython 特性）。

? 內(nèi)存消耗顯著下降，特別是在大量實(shí)例化時(shí)。

三、__slots__ 的設(shè)計(jì)動(dòng)機(jī)

（1）內(nèi)存優(yōu)化

每個(gè)對(duì)象若擁有 __dict__，都要分配一個(gè)獨(dú)立的哈希表。

在成千上萬(wàn)個(gè)對(duì)象的場(chǎng)景中，內(nèi)存占用會(huì)非常大。

__slots__ 通過(guò)為每個(gè)屬性分配固定槽位，大幅節(jié)省這些哈希表開(kāi)銷。

（2）屬性訪問(wèn)性能提升

在 CPython 中，slot 訪問(wèn)通過(guò)靜態(tài)偏移實(shí)現(xiàn)，比字典查找更快（但總體屬于微優(yōu)化，主要體現(xiàn)在大規(guī)模對(duì)象上）。

注意：這些優(yōu)化是 CPython 特性，不同實(shí)現(xiàn)（如 PyPy）可能不同。

對(duì)比示例：

        self.y = 2

在創(chuàng)建百萬(wàn)個(gè)實(shí)例時(shí)，Slotted 版本通常可節(jié)省數(shù)十 MB 內(nèi)存（依版本而定）。

四、繼承機(jī)制與注意事項(xiàng)

理解 __slots__ 與繼承的交互，是使用它的關(guān)鍵。

（1）父類未定義 __slots__

子類即使定義了 __slots__，實(shí)例仍會(huì)擁有 __dict__。

print(hasattr(B(), '__dict__'))  # True

原因：父類允許動(dòng)態(tài)屬性，子類無(wú)法完全禁止。

（2）父類定義了 __slots__

若父類定義 __slots__，子類若不額外聲明，也不會(huì)有 __dict__：

print(hasattr(Sub(), '__dict__'))  # False

理由：若父類限制了屬性，子類繼承限制。

(3）繼承多個(gè)類時(shí)

如果任意一個(gè)基類有實(shí)例 __dict__（即未聲明 __slots__），合并后的類實(shí)例也將擁有 __dict__：

print(hasattr(C(), '__dict__'))  # True

說(shuō)明：要讓子類完全沒(méi)有 __dict__，MRO 中所有基類都必須聲明 __slots__ 且不要引入 __dict__。

（4）在子類中擴(kuò)展 slots

子類若想增加新的 slot，必須顯式聲明自己的 __slots__，例如：

    __slots__ = ('y',)  # 合并為 ('x', 'y')

如果子類不想新增 slot，也可寫(xiě)：

    __slots__ = ()

四、允許同時(shí)擁有 __dict__ 與 __slots__

若希望在使用 __slots__ 的同時(shí)仍能動(dòng)態(tài)添加屬性，可顯式加入 "__dict__"：

print(f.__dict__)  # {'new_attr': 'dynamic!'}

這種方式在需要內(nèi)存優(yōu)化又要求部分動(dòng)態(tài)性的場(chǎng)景中很常用。

五、__slots__ 的生命周期與對(duì)象管理

（1）實(shí)例創(chuàng)建

當(dāng)實(shí)例被創(chuàng)建時(shí)，解釋器為聲明在 __slots__ 中的屬性預(yù)留固定位置。

這些位置在對(duì)象生命周期內(nèi)保持恒定。

（2）屬性綁定

每次賦值操作只是修改該固定槽位內(nèi)容，無(wú)需動(dòng)態(tài)擴(kuò)展字典。

（3）銷毀與回收

當(dāng)對(duì)象銷毀時(shí)，槽位中存儲(chǔ)的引用隨對(duì)象釋放；

若存在循環(huán)引用，依舊由垃圾回收器處理（gc 模塊同樣適用）。

__slots__ 并不會(huì)改變對(duì)象的生命周期，只是改變屬性存儲(chǔ)的形式。

六、常見(jiàn)誤區(qū)與陷阱

（1）誤以為 __slots__ 能提升所有性能

__slots__ 優(yōu)化的是內(nèi)存與屬性訪問(wèn)速度，不會(huì)改變算法性能或 CPU 計(jì)算效率。

（2）忘記繼承中的 __dict__ 回退機(jī)制

父類若未定義 __slots__，子類定義會(huì)失效。

（3）不能用于模塊或函數(shù)

__slots__ 只對(duì)類定義生效。模塊、函數(shù)、內(nèi)置類型無(wú)法使用。

（4）序列化（pickle）兼容性問(wèn)題

某些情況下，只有 slot 的對(duì)象在 pickle 時(shí)需要：

? 定義 __getstate__ / __setstate__

? 或通過(guò) copyreg 注冊(cè)自定義序列化函數(shù)

否則部分 Python 版本可能無(wú)法自動(dòng)保存 slots 中的值。

（5）弱引用支持需要聲明 __weakref__

如需讓實(shí)例可被 weakref 引用，必須加入：

    __slots__ = ('x', '__weakref__')

否則：

weakref.ref(C())  # TypeError

小結(jié)

__slots__ 是 Python（尤其 CPython）中的一種性能優(yōu)化機(jī)制。通過(guò)限制實(shí)例屬性集合，它讓對(duì)象可以使用更緊湊的內(nèi)存結(jié)構(gòu)，并加速屬性訪問(wèn)。它在靈活性與效率之間建立平衡，讓 Python 在動(dòng)態(tài)語(yǔ)言中也能獲得接近靜態(tài)語(yǔ)言的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)效率。

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