Python中的cls变量的功能和用法_Python

技术背景

在python的类型设计中，有时候会遇到一个cls参数。其实cls参数就是一个约定俗成的名称，用其他的名字也能正常运行但不建议这么用。它的作用类似于实例方法中的self参数，代表的是类本身，可以用于访问类的参数和类的方法。本文通过一些具体示例，来演示cls参数的功能和用法。

简单类实现

首先我们用普通的方法做一个最基本的测试案例：

class test:
    def __init__(self):
        self.prefix = "hello\t"
    def excute(self, x):
        print (self.prefix+x)
t = test()
x = "bob"
t.excute(x)
x = "alice"
t.excute(x)

这里test类型的操作逻辑是，在初始化函数中初始化一个prefix变量，然后在excute中调用打印函数，打印prefix变量和一个外部输入变量的整合字符串，执行效果如下：

hello bob
hello alice

这个方法的一个局限性在于，类test中的函数，如excute函数，必须要新建一个实例t之后，才能够调用到它的excute方法。如果跳过初始化的步骤直接调用excute方法：

class test:
    def __init__(self):
        self.prefix = "hello\t"
    def excute(self, x):
        print (self.prefix+x)
test.excute()

运行结果会告诉你，这需要两个变量的输入才能够正常的运行：

traceback (most recent call last):
  file "/home/test_cls.py", line 8, in <module>
    test.excute()
typeerror: test.excute() missing 2 required positional arguments: 'self' and 'x'

例如，我们先初始化一个t实例，但是方法调用我们不调用t中的excute函数，而是直接调用test类中的函数：

class test:
    def __init__(self):
        self.prefix = "hello\t"
    def excute(self, x):
        print (self.prefix+x)
t = test()
x = "bob"
test.excute(t, x)

这样也是可以正常运行的：

hello bob

classmethod方法

通过classmethod方法，可以允许我们不需要在外部对类初始化，而直接访问到类的内部属性、参数和函数。也就是对于classmethod装饰的函数，约定使用cls变量作为开头。

class test:
    prefix = "hello\t"
    @classmethod
    def excute(cls, x):
        print (cls.prefix+x)
x = "bob"
test.excute(x)

这样就可以直接在外部调用到类的内部函数：

hello bob

当然，前面提到过，这里即使换一个变量名，也是可以正常运行的：

class test:
    prefix = "hello\t"
    @classmethod
    def excute(self, x):
        print (self.prefix+x)
x = "bob"
test.excute(x)

因为第一个参数代表的是类本身，因此可以执行成功：

hello bob

这里需要说明的是，classmethod装饰器的作用，就是把函数的第一个参数相关的内容给省去了，如果不使用classmethod进行装饰，例如：

class test:
    prefix = "hello\t"
    def excute(cls, x):
        print (cls.prefix+x)
x = "bob"
test.excute(x)

这样运行会报错：

traceback (most recent call last):
file "/home/test_cls.py", line 7, in <module>
test.excute(x)
typeerror: test.excute() missing 1 required positional argument: 'x'

提示的内容是参数缺失，其实也就是少了一个初始化的步骤。那么有一种情况是，类似于prefix这种的类属性是在__init__函数中定义的，这是比较常见的情况。在这种情况下，如果不初始化一个实例，就无法访问到初始化参数。但是前面也提到了，cls就代表类本身，那么自然可以通过cls来访问类中的函数，包括初始化的函数：

class test:
    def __init__(self):
        self.prefix = "hello\t"
    @classmethod
    def excute(cls, x):
        cls.__init__(cls)
        print (cls.prefix+x)
x = "bob"
test.excute(x)

这个代码可以被正确执行：

hello bob

同时，通过classmethod，可以修改类的属性：

class test:
    prefix = "hello\t"
    @classmethod
    def excute(cls, x):
        print (cls.prefix+x)
        cls.prefix = cls.prefix+x+"\t"
x = "bob"
test.excute(x)
x = "alice"
test.excute(x)

这里在excute函数中，每次打印之后，都会修改一下prefix参数，所以打印输出结果如下：

hello bob
hello bob alice

当然，修改属性这样的操作，在普通的类实现中也是可以操作的：

class test:
    def __init__(self):
        self.prefix = "hello\t"
    def excute(self, x):
        print (self.prefix+x)
        self.prefix = self.prefix+x+"\t"
t = test()
x = "bob"
t.excute(x)
x = "alice"
t.excute(x)

用self得到的结果是一样的：

hello bob
hello bob alice

如果不使用classmethod，也可以通过staticmethod来实现一个类似功能：

class test:
    def __init__(self):
        self.prefix = "hello\t"
    @staticmethod
    def excute(self, x):
        print (self.prefix+x)
        self.prefix = self.prefix+x+"\t"
t = test()
x = "bob"
test.excute(t, x)
x = "alice"
test.excute(t, x)

但是staticmethod不对参数进行初始化，虽然可以在外部直接调用类函数，但是需要手动初始化一个实例。输出结果是一致的：

hello bob
hello bob alice

总结概要

本文介绍了在python的classmethod装饰的类方法的cls变量的意义，通过几个不同的示例对比，凸显cls变量在python编程中的应用场景。对于大多数的场景来说，使用普通的python类和函数定义即可。如果需要在类的外部使用类的内部函数，但是可能有多个不同初始化的类输入，那么可以使用staticmethod进行装饰。如果只有一个类，而有多种不同的输入场景下，可以使用classmethod进行装饰。