浅谈Python中重载isinstance继承关系的问题

判断继承关系

通过内建方法 isinstance(object, classinfo) 可以判断一个对象是否是某个类的实例。这个关系可以是直接，间接或抽象。

实例的检查是允许重载的，可见文档customizing-instance-and-subclass-checks 。根据 PEP 3119 的描述：

The primary mechanism proposed here is to allow overloading the built-in functions isinstance() and issubclass(). The overloading works as follows: The call isinstance(x, C) first checks whether C.__instancecheck__ exists, and if so, calls C.__instancecheck__(x) instead of its normal implementation.

这段话的意思是，当调用 isinstance(x, C) 进行检测时，会优先检查是否存在 C.__instancecheck__ ，如果存在则调用 C.__instancecheck__(x) ，返回的结果便是实例检测的结果，默认的判断方式就没有了。

这种方式有助于我们来检查鸭子类型，我用代码测了一下。

class Sizeable(object):
  def __instancecheck__(cls, instance):
    print("__instancecheck__ call")
    return hasattr(instance, "__len__")

class B(object):
  pass

b = B()
print(isinstance(b, Sizeable)) # output:False

只打印了 False，并且 __instancecheck__ 没有调用。 这是怎么回事。

没有运行的 __instancecheck__

可见文档写得并不清楚，为了找出问题，我们从 isinstance 源码开始进行跟踪。

[abstract.c]
int
PyObject_IsInstance(PyObject *inst, PyObject *cls)
{
  _Py_IDENTIFIER(__instancecheck__);
  PyObject *checker;

  /* Quick test for an exact match */
  if (Py_TYPE(inst) == (PyTypeObject *)cls)
    return 1;
  ....
}

Py_TYPE(inst) == (PyTypeObject *)cls 这是一种快速匹配的方式，等价于 type(inst) is cls ，这种快速的方式匹配成功的话，也不会去检查 __instancecheck__ 。所以文档中的优先检查是否存在 C.__instancecheck__ 有误。继续向下看源码：

  /* We know what type's __instancecheck__ does. */
  if (PyType_CheckExact(cls)) {
    return recursive_isinstance(inst, cls);
  }

展开宏 PyType_CheckExact :

[object.h]
#define PyType_CheckExact(op) (Py_TYPE(op) == &PyType_Type)

也就是说 cls 是由 type 直接构造出来的类，则判断语言成立。除了类声明里指定 metaclass 外基本都是由 type 直接构造的。从测试代码中得知判断成立，进入 recursive_isinstance。但是这个函数里面我却没找到有关 __instancecheck__ 的代码，recursive_isinstance 的判断逻辑大致是:

def recursive_isinstance(inst, cls):
  return pyType_IsSubtype(inst, cls)

def pyType_IsSubtype(a, b):
  for mro in a.__mro__:
    if mro is b:
      return True
  return False

是从 __mro__ 继承顺序来判断的。回到 PyObject_IsInstance 函数往下看：

if (PyTuple_Check(cls)) {
  ...
}

这是当 instance(x, C) 第二个参数是元组的情况，里面的处理方式是递归调用 PyObject_IsInstance(inst, item) 。继续往下看：

checker = _PyObject_LookupSpecial(cls, &PyId___instancecheck__);
if (checker != NULL) {
  res = PyObject_CallFunctionObjArgs(checker, inst, NULL);
  ok = PyObject_IsTrue(res);
  return ok;
}

显然，这边才是获得 __instancecheck__ 的地方，为了让检查流程走到这里，定义的类要指明 metaclass 。剩下就是跟踪下 _PyObject_LookupSpecial 就可以了：

[typeobject.c]
PyObject *
_PyObject_LookupSpecial(PyObject *self, _Py_Identifier *attrid)
{
  PyObject *res;

  res = _PyType_LookupId(Py_TYPE(self), attrid);
  // 有回调的话处理回调
  // ...
  return res;
}

取的是 Py_TYPE(self) ，也就是说指定的 metaclass 里面需要定义 __instancecheck__ 。

总结

至此，总结一下要重载 isinstance(x, C) 行为的条件：

1. x 对象不能是由 C 直接实例化；

2. C 类指定 metaclass ；

3. 指定的 metaclass 类中定义了 __instancecheck__ 。

测试代码：

class MetaSizeable(type):
  def __instancecheck__(cls, instance):
    print("__instancecheck__ call")
    return hasattr(instance, "__len__")

class Sizeable(metaclass=MetaSizeable):
  pass

class B(object):
  pass

b = B()
print(isinstance(b, Sizeable)) # output: False
print(isinstance([], Sizeable)) # output: True

文档可能有点老旧了。本次测试的环境是Python3.6。

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