Python中如何使用__slots__限制对象属性来节约内存

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__slots__ 是python中类的一个类属性，它允许我们明确声明类数据对象的成员有哪些，同时取消创建 对象默认自带的 __dict__ 和 __weakref__（除非在__solts__中也指定要带着这两个属性，或者在父类中提供了他们）。

这对于节约 __dict__ 占用的空间来说意义重大，同时属性的查找速度也可以得到显著的提升。

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1. 如何声明 __solts__

objecct.__slots__ 是一个类变量，我们可以通过使用实例变量名称的字符串、可迭代对象或者字符串序列来为其赋值。推荐使用变量名称的字符串序列，最好使用元组（节约空间）。__slots__为声明的变量保留空间，并防止为每个实例自动创建__dict__ 和 __weakref__。

如下，我们声明一个User类型：

class User(object):

    def __init__(self, id=0, name=None, age=None) -> None:
        self.id = id
        self.name = name
        self.age = age
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接下来我们创建一个对象，并查看其所有的属性：

user_1 = User(1, "Jack", 22)
print(dir(user_1))

# ['__class__', '__delattr__', '__dict__', '__dir__', 
# '__doc__', '__eq__', '__format__', '__ge__', '__getattribute__', 
# '__gt__', '__hash__', '__init__', '__init_subclass__', '__le__', 
# '__lt__', '__module__', '__ne__', '__new__', '__reduce__', '__reduce_ex__', 
# '__repr__', '__setattr__', '__sizeof__', '__str__', '__subclasshook__', 
# '__weakref__', 'age', 'id', 'name']
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可见其中存在 __idct__ 和 __weakref__ 属性。

现在我们使用__slots__ 限定该类的自定义属性，并再次查看其属性：

class User(object):
    __slots__ = ("id", "name", "age")

    def __init__(self, id=0, name=None, age=None) -> None:
        self.id = id
        self.name = name
        self.age = age

user_1 = User(1, "Jack", 22)
print(dir(user_1))

# ['__class__', '__delattr__', '__dir__', '__doc__', '__eq__', 
# '__format__', '__ge__', '__getattribute__', '__gt__', '__hash__', 
# '__init__', '__init_subclass__', '__le__', '__lt__', '__module__', 
# '__ne__', '__new__', '__reduce__', '__reduce_ex__', '__repr__', 
# '__setattr__', '__sizeof__', '__slots__', '__str__', '__subclasshook__',
# 'age', 'id', 'name']

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现在可以看到 __dict__ 和 __weakref__ 属性消失了。

不过这同时也意味着，我们不能使用 __dict__() 方法来查看类的自定义属性了（不过可以使用__slots__了）。

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2. __slots__的主要作用：

如果我们确定某个需要大量创建对象的类其属性是固定不变的，不会在运行时动态添加新的属性，那么我们就可以将这个类的属性通过__slots__“固化”。这样做一方面可以减少程序所占用的内存，另一方面可以加快类中属性的查找速度。

我们通过程序做一个对比，查看使用和不使用__slots__类属性的类创建大量对象后的内存使用情况：

1. 不使用__slots__:

   from tracemalloc import start, stop, take_snapshot
   
   
   class User(object):
       def __init__(self, id=0, name=None, age=None) -> None:
           self.id = id
           self.name = name
           self.age = age
   
   
   start()
   users = []
   for i in range(1_000_000):
       users.append(User(i))
   snapshot = take_snapshot()
   used_size = snapshot.statistics('filename')[0]
   print(f"Memory used with __slots__: {used_size}")
   stop()
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   运行结果：

   Memory used with __slots__: d:\test.py:0: size=195 MiB, count=3999735, average=51 B
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2. 使用__slots__:

   from tracemalloc import start, stop, take_snapshot
   
   
   class User(object):
       __slots__ = ("id", "name", "age")
   
       def __init__(self, id=0, name=None, age=None) -> None:
           self.id = id
           self.name = name
           self.age = age
   
   
   start()
   users = []
   for i in range(1_000_000):
       users.append(User(i))
   snapshot = take_snapshot()
   used_size = snapshot.statistics('filename')[0]
   print(f"Memory used with __slots__: {used_size}")
   stop()
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   运行结果：

   Memory used with __slots__: d:\test.py:0: size=96.0 MiB, count=1999746, average=50 B
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可以看到使用 __slots__ 的程序使用了96M的内存，而未使用的程序占用了195M的内存。可见__slots__对于节约内存开销是有很大帮助的。

不过，前提是我们定义的类会在程序中被大量创建和使用，对于使用率不高的类，大可不必费此周章限制属性，还是要以易用性为主。

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3. 使用 __slots__的注意事项：

1. 当从一个没有定义__slots__ 的类继承时，子类的实例总是可以访问 __dict__ 和__weakref__ 属性。

2. 没有了 __dict__ 变量，实例将不能被分配未在__slots__定义中列出的新的实例变量。如果尝试访问一个未列出的变量会抛出 AttributeError。如果需要动态分配新的变量，那么可以在__slots__ 序列中加入 "__dict__" 。

3. 如果实例没有了 __weakref__ 变量，那么定义 __slots__ 的类就不支持对其实例的弱引用（弱引用的主要用途是实现保存大对象的高速缓存或映射，但又不希望大对象仅仅因为它出现在高速缓存或映射中而保持存活，不被gc回收销毁。）。如果希望支持弱引用，则可以在__slots__序列中加入 "__weakref__" 。

4. __slots__ 在类层面是通过为每个变量名称创建描述符（__get__()、__set__()和__delete__()）来实现的。因此，类属性不能用于设置 __slots__ 定义的实例变量的默认值；否则，类属性将覆盖描述符分配。

5. 对类的__slots__ 声明操作不受限于定义它的类。在父类中定义的__slots__，子类也可以使用。不过，子类中会得到 __dict__ 和 __weakref__，除非它们也定义了 __slots__（子类的__slots__应该只包含额外的slot）。

   class VipUser(User):
       def __init__(self, id=0, name=None, age=None, expired=False):
           super(VipUser, self).__init__(id, name, age)
           self.expired = expired
   
   user = VipUser(1, "Rose", 21, False)
   print(dir(user))
   
   # ['__class__', '__delattr__', '__dict__', '__dir__', '__doc__', '__eq__', 
   # '__format__', '__ge__', '__getattribute__', '__gt__', '__hash__', 
   # '__init__', '__init_subclass__', '__le__', '__lt__', '__module__', 
   # '__ne__', '__new__', '__reduce__', '__reduce_ex__', '__repr__', 
   # '__setattr__', '__sizeof__', '__slots__', '__str__', '__subclasshook__', 
   # '__weakref__', 'age', 'expired', 'id', 'name']
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   这里我们创建一个继承自User的之类并查看它的所有属性，可见其又有了 __dict__和__weakref__ 属性。

   而如果要现在子类的属性，可以只添加其新增的 expired 属性即可：

   class VipUser(User):
       __slots__=('expired')
   
       def __init__(self, id=0, name=None, age=None, expired=False):
           super(VipUser, self).__init__(id, name, age)
           self.expired = expired
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6. 如果一个类定义了一个也在基类中定义的slot，那么由基类slot定义的实例变量是不可访问的（除非直接从基类中检索其描述符）。这使得程序的含义不明确。将来可能会添加一个检查来防止这种情况。

7. 非空 __slots__ 不适合用于派生自“可变长度”的内置类型（如 int、bytes 和 typle）的类。

8. 任何非字符串迭代对象都可以赋值给 __slots__。

9. 如果将一个字典赋值给了 __slots__ ，那么字典的键将会用作 slot 名称。字典的值可以用来提供每个属性的文档字符串，这些文档字符串将被 spect.getdoc() 识别，并显示在 help() 的输出中。

10. 只有当两个类有相同的__slots__ 时，__class__赋值才有效。

11. 在多继承中，子类可以使用父类提供的多个 slots，但只允许一个父类具有 slots 创建的属性（其他基类必须具有空槽布局），违反会引发TypeError。

12. 如果一个迭代器用于 __slots__, 那么会为迭代器的每个值创建一个描述符。但是 __slots__ 属性将会是一个空的迭代器。

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参考文档：

https://docs.python.org/3/reference/datamodel.html#object.slots

https://docs.python.org/zh-cn/3/library/weakref.html#module-weakref

https://www.osgeo.cn/cpython/library/tracemalloc.html