註釋 (annotation) 最佳實踐

作者:

Larry Hastings

在 Python 3.10 及更高版本中存取物件的註釋字典

Python 3.10 在標準函式庫中新增了一個新函式：inspect.get_annotations()。在 Python 3.10 及更高版本中，呼叫此函式是存取任何支援註釋的物件的註釋字典的最佳實踐。此函式也可以為你「取消字串化 (un-stringize)」字串化註釋。

若由於某種原因 inspect.get_annotations() 對你的場合不可行，你可以手動存取 __annotations__ 資料成員。 Python 3.10 中的最佳實踐也已經改變：從 Python 3.10 開始，保證 o.__annotations__ 始終適用於 Python 函式、類別 (class) 和模組。如果你確定正在檢查的物件是這三個特定物件之一，你可以簡單地使用 o.__annotations__ 來取得物件的註釋字典。

但是，其他型別的 callable（可呼叫物件）（例如，由 functools.partial() 建立的 callable）可能沒有定義 __annotations__ 屬性 (attribute)。當存取可能未知的物件的 __annotations__ 時，Python 3.10 及更高版本中的最佳實踐是使用三個參數呼叫 getattr()，例如 getattr(o, '__annotations__', None)。

在 Python 3.10 之前，存取未定義註釋但具有註釋的父類別的類別上的 __annotations__ 將傳回父類別的 __annotations__。在 Python 3.10 及更高版本中，子類別的註釋將會是一個空字典。

在 Python 3.9 及更早版本中存取物件的註釋字典

在 Python 3.9 及更早版本中，存取物件的註釋字典比新版本複雜得多。問題出在於這些舊版 Python 中有設計缺陷，特別是與類別註釋有關的設計缺陷。

存取其他物件（如函式、其他 callable 和模組）的註釋字典的最佳實踐與 3.10 的最佳實踐相同，假設你沒有呼叫 inspect.get_annotations()：你應該使用三個：參數 getattr() 來存取物件的 __annotations__ 屬性。

不幸的是，這不是類別的最佳實踐。問題是，由於 __annotations__ 在類別上是選填的 (optional)，並且因為類別可以從其基底類別 (base class) 繼承屬性，所以存取類別的 __annotations__ 屬性可能會無意中回傳基底類別的註釋字典。舉例來說：

class Base:
    a: int = 3
    b: str = 'abc'

class Derived(Base):
    pass

print(Derived.__annotations__)

這將印出 (print) 來自 Base 的註釋字典，而不是 Derived。

如果你正在檢查的物件是一個類別 (isinstance(o, type))，你的程式碼將必須有一個單獨的程式碼路徑。在這種情況下，最佳實踐依賴 Python 3.9 及之前版本的實作細節 (implementation detail)：如果一個類別定義了註釋，它們將儲存在該類別的 __dict__ 字典中。由於類別可能定義了註釋，也可能沒有定義，因此最佳實踐是在類別字典上呼叫 get() 方法。

總而言之，以下是一些範例程式碼，可以安全地存取 Python 3.9 及先前版本中任意物件上的 __annotations__ 屬性：

if isinstance(o, type):
    ann = o.__dict__.get('__annotations__', None)
else:
    ann = getattr(o, '__annotations__', None)

運行此程式碼後，ann 應該是字典或 None。我們鼓勵你在進一步檢查之前使用 isinstance() 仔細檢查 ann 的型別。

請注意，某些外來 (exotic) 或格式錯誤 (malform) 的型別物件可能沒有 __dict__ 屬性，因此為了額外的安全，你可能還希望使用 getattr() 來存取 __dict__。

手動取消字串化註釋

在某些註釋可能被「字串化」的情況下，並且你希望評估這些字串以產生它們表示的 Python 值，最好呼叫 inspect.get_annotations() 來為你完成這項工作。

如果你使用的是 Python 3.9 或更早版本，或者由於某種原因你無法使用 inspect.get_annotations()，則需要複製其邏輯。我們鼓勵你檢查目前 Python 版本中 inspect.get_annotations() 的實作並遵循類似的方法。

簡而言之，如果你希望評估任意物件 o 上的字串化註釋：

  • 如果 o 是一個模組，則在呼叫 eval() 時使用 o.__dict__ 作為全域變數。

  • 如果 o 是一個類別，當呼叫 eval() 時，則使用 sys.modules[o.__module__].__dict__ 作為全域變數，使用 dict(vars(o)) 作為區域變數。

  • 如果 o 是使用 functools.update_wrapper()、functools.wraps() 或 functools.partial() 包裝的 callable ，請依據需求，透過存取 o.__wrapped__ 或 o.func 來疊代解開它，直到找到根解包函式。

  • 如果 o 是 callable（但不是類別），則在呼叫 eval() 時使用 o.__globals__ 作為全域變數。

然而，並非所有用作註釋的字串值都可以透過 eval() 成功轉換為 Python 值。理論上，字串值可以包含任何有效的字串，並且在實踐中，型別提示存在有效的用例，需要使用特定「無法」評估的字串值進行註釋。例如：

  • 在 Python 3.10 支援 PEP 604 聯合型別 (union type) | 之前使用它。

  • Runtime 中不需要的定義，僅在 typing.TYPE_CHECKING 為 true 時匯入。

如果 eval() 嘗試計算這類型的值，它將失敗並引發例外。因此，在設計使用註釋的函式庫 API 時，建議僅在呼叫者 (caller) 明確請求時嘗試評估字串值。

任何 Python 版本中 __annotations__ 的最佳實踐

  • 你應該避免直接指派給物件的 __annotations__ 成員。讓 Python 管理設定 __annotations__。

  • 如果你直接指派給物件的 __annotations__ 成員，則應始終將其設為 dict 物件。

  • 如果直接存取物件的 __annotations__ 成員，則應在嘗試檢查其內容之前確保它是字典。

  • 你應該避免修改 __annotations__ 字典。

  • 你應該避免刪除物件的 __annotations__ 屬性。

__annotations__ 奇異之處

在 Python 3 的所有版本中，如果沒有在該物件上定義註釋，則函式物件會延遲建立 (lazy-create) 註釋字典。你可以使用 del fn.__annotations__ 刪除 __annotations__ 屬性，但如果你隨後存取 fn.__annotations__，該物件將建立一個新的空字典，它將作為註釋儲存並傳回。在函式延遲建立註釋字典之前刪除函式上的註釋將拋出 AttributeError；連續兩次使用 del fn.__annotations__ 保證總是拋出 AttributeError 。

上一段的所有內容也適用於 Python 3.10 及更高版本中的類別和模組物件。

在 Python 3 的所有版本中，你可以將函式物件上的 __annotations__ 設定為 None。但是，隨後使用 fn.__annotations__ 存取該物件上的註釋將根據本節第一段的內容延遲建立一個空字典。對於任何 Python 版本中的模組和類別來說，情況並非如此；這些物件允許將 __annotations__ 設定為任何 Python 值，並且將保留設定的任何值。

如果 Python 為你字串化你的註釋（使用 from __future__ import annotations），並且你指定一個字串作為註釋，則該字串本身將被引用。實際上，註釋被引用了兩次。例如：

from __future__ import annotations
def foo(a: "str"): pass

print(foo.__annotations__)

這會印出 {'a': "'str'"}。這不應該被認為是一個「奇異的事」，他在這裡被簡單提及，因為他可能會讓人意想不到。