使用__slots__ 类属性节省空间

默认情况下，Python 在各个实例中名为__dict__ 的字典里存储实例属
性。如 3.9.3 节所述，为了使用底层的散列表提升访问速度，字典会消
耗大量内存。如果要处理数百万个属性不多的实例，通过__slots__
类属性，能节省大量内存，方法是让解释器在元组中存储实例属性，而
不用字典。

继承自超类的__slots__ 属性没有效果。Python 只会使用
各个类中定义的__slots__ 属性。

定义__slots__ 的方式是，创建一个类属性，使用__slots__ 这个名
字，并把它的值设为一个字符串构成的可迭代对象，其中各个元素表示
各个实例属性。我喜欢使用元组，因为这样定义的__slots__ 中所含
的信息不会变化，如示例 9-11 所示。

示例 9-11　vector2d_v3_slots.py：只在 Vector2d 类中添加了__slots__ 属性

class Vector2d:
__slots__ = ('__x', '__y')
typecode = 'd'
# 下面是各个方法（因排版需要而省略了）

在类中定义__slots__ 属性的目的是告诉解释器：“这个类中的所有实
例属性都在这儿了！”这样，Python 会在各个实例中使用类似元组的结
构存储实例变量，从而避免使用消耗内存的__dict__ 属性。如果有数
百万个实例同时活动，这样做能节省大量内存。

如果要处理数百万个数值对象，应该使用 NumPy 数组（参见
2.9.3 节）。NumPy 数组能高效使用内存，而且提供了高度优化的数值处理函数，其中很多都一次操作整个数组。我定义 Vector2d
类的目的是讨论特殊方法，因为我不太想随便举些例子。

在示例 9-12 中，我们运行了两个构建列表的脚本，这两个脚本都使用
列表推导创建 10 000 000 个 Vector2d 实例。mem_test.py 脚本的命令行
参数是一个模块的名字，模块中定义了不同版本的 Vector2d 类。第一
次运行使用的是 vector2d_v3.Vector2d 类（在示例 9-7 中定义），
第二次运行使用的是定义了__slots__ 的
vector2d_v3_slots.Vector2d 类。

示例 9-12　mem_test.py 使用指定模块（如 vector2d_v3.py）中定义
的 Vector2d 类创建 10 000 000 个实例

$ time python3 mem_test.py vector2d_v3.py
Selected Vector2d type: vector2d_v3.Vector2d
Creating 10,000,000 Vector2d instances
Initial RAM usage: 5,623,808
Final RAM usage: 1,558,482,944
real 0m16.721s
user 0m15.568s
sys 0m1.149s
$ time python3 mem_test.py vector2d_v3_slots.py
Selected Vector2d type: vector2d_v3_slots.Vector2d
Creating 10,000,000 Vector2d instances
Initial RAM usage: 5,718,016
Final RAM usage: 655,466,496
real 0m13.605s
user 0m13.163s
sys 0m0.434s

如示例 9-12 所示，在 10 000 000 个 Vector2d 实例中使用__dict__ 属
性时，RAM 用量高达 1.5GB；而在 Vector2d 类中定义__slots__ 属
性之后，RAM 用量降到了 655MB。此外，定义了__slots__ 属性的版
本运行速度也更快。这个测试中使用的 mem_test.py 脚本其实只用于加
载一个模块、检查内存用量和格式化结果，所用的代码与本章没有太大
关联，因此放入附录 A 中的示例 A-4 里。

在类中定义__slots__ 属性之后，实例不能再有__slots__ 中所列名称之外的其他属性。这只是一个副作用，不是__slots__ 存在的真正原因。不要使用__slots__ 属性禁止类的
用户新增实例属性__slots__ 是用于优化的，不是为了约束程序
员。

然而，“节省的内存也可能被再次吃掉”：如果把__dict__这个名称
添加到__slots__ 中，实例会在元组中保存各个实例的属性，此外还
支持动态创建属性，这些属性存储在常规__dict__ 中。当然，把__dict__添加到__slots__ 中可能完全违背了初衷，这取决于各个
实例的静态属性和动态属性的数量及其用法。粗心的优化甚至比提早优
化还糟糕。

此外，还有一个实例属性可能需要注意，即__weakref__ 属性，为了
让对象支持弱引用（参见 8.6 节），必须有这个属性。用户定义的类中
默认就有__weakref__ 属性。可是，如果类中定义了__slots__ 属
性，而且想把实例作为弱引用的目标，那么要把__weakref__添加
到__slots__ 中。

综上，slots 属性有些需要注意的地方，而且不能滥用，不能使用
它限制用户能赋值的属性。处理列表数据时__slots__ 属性最有用，
例如模式固定的数据库记录，以及特大型数据集。然而，如果你经常处
理大量数据，一定要了解一下 NumPy（http://www.numpy.org）；此外，
数据分析库 pandas（http://pandas.pydata.org）也值得了解，这个库可以
处理非数值数据，而且能导入 / 导出很多不同的列表数据格式。slots 的问题
总之，如果使用得当__slots__ 能显著节省内存，不过有几点要注
意。
每个子类都要定义__slots__ 属性，因为解释器会忽略继承的__slots__ 属性。
实例只能拥__slots__ 中列出的属性，除非把__dict__加
入__slots__ 中（这样做就失去了节省内存的功效）。

如果不把__weakref__
加入__slots__，实例就不能作为弱引
用的目标。
如果你的程序不用处理数百万个实例，或许不值得费劲去创建不寻常的
类，那就禁止它创建动态属性或者不支持弱引用。与其他优化措施一
样，仅当权衡当下的需求并仔细搜集资料后证明确实有必要时，才应该
使用__slots__ 属性。
本章最后一个话题讨论如何在实例和子类中覆盖类属性。