Python中typing.Self实现F-有界多态解析

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理解F-有界多态性及其在Python中的挑战

F-有界多态性（F-bounded polymorphism）是一种高级的类型系统概念，它允许一个类型变量被其自身作为边界所限制。在面向对象编程中，这通常表现为基类中的方法需要返回其调用者（即实际的子类实例）的类型。例如，一个Copy方法在基类中定义时，我们希望它在子类中被调用时，能够返回该子类自身的一个新实例，而不是一个泛化的基类实例。这对于保持类型精确性至关重要，尤其是在进行链式调用或依赖特定子类方法时。

考虑一个Copyable基类，其Copy方法旨在创建一个自身的副本。如果Example是Copyable的一个子类，我们期望Example().Copy()的返回类型是Example，而非简单的Copyable。

最初的尝试可能如下所示，试图使用TypeVar来表示这种自引用类型：

from typing import TypeVar, Generic
from abc import abstractmethod, ABC

# 尝试使用 TypeVar 绑定自身，但这是不允许的
# T = TypeVar( "T", bound="Copyable['T']" ) # Pylance 报错: TypeVar bound type cannot be generic

class Copyable( Generic[T] ): # MyPy 报错: Type variable "T" is unbound
    @abstractmethod
    def Copy( self ) -> T:
        pass

class Example( Copyable[ 'Example' ] ):
    def Copy( self ) -> 'Example':
        return Example()

上述代码尝试使用TypeVar T来表示Copyable的子类类型，并将其自身作为边界。然而，这种方式在Python的类型检查器（如Pylance和MyPy）中会引发错误。Pylance会抱怨“TypeVar bound type cannot be generic”，而MyPy则指出“Type variable 'T' is unbound”。这表明TypeVar的设计并不直接支持这种递归的、自引用的泛型边界定义。

如果仅仅让Copy方法返回基类类型，虽然可以避免类型错误，但会丢失重要的类型信息。例如：

class Copyable(ABC):
    @abstractmethod
    def Copy(self) -> 'Copyable': # 返回类型是基类
        pass

class Example(Copyable):
    def Copy(self) -> 'Copyable': # 实际返回 Example 实例，但类型被“降级”
        return Example()

# 使用时，类型检查器认为 copy_of_example 是 Copyable 类型
copy_of_example: Example = Example().Copy() # 类型检查器会报错或发出警告，因为 Copy() 返回 Copyable

在这种情况下，Example().Copy()的返回值虽然在运行时是一个Example实例，但类型检查器会将其视为Copyable类型。这意味着我们无法直接访问Example特有的方法或属性，除非进行显式类型转换，这降低了类型系统的效用。

引入typing.Self解决F-有界多态性问题

Python 3.11 引入了 typing.Self 类型，它正是为了解决上述F-有界多态性问题而设计的。Self类型描述了一个方法返回其当前类实例的类型，即使该类经过多重继承或子类化。

使用Self，我们可以优雅地重构Copyable类，使其Copy方法能够正确地返回子类的类型：

from typing import Self
from abc import abstractmethod, ABC

class Copyable(ABC):
    @abstractmethod
    def Copy(self) -> Self: # 使用 Self 类型
        """
        创建一个当前实例的副本，并返回其具体的子类类型。
        """
        pass

class Example(Copyable):
    def Copy(self) -> Self: # 返回类型仍为 Self，在 Example 上下文中即 Example
        """
        实现 Example 类的复制方法。
        """
        return self.__class__() # 使用 self.__class__() 创建当前类的实例

# 类型检查器现在能正确识别返回类型
example_instance = Example()
copy_of_example: Example = example_instance.Copy() # 类型检查器识别为 Example 类型
print(f"Original type: {type(example_instance)}")
print(f"Copied type: {type(copy_of_example)}")

在这个示例中：

• Copyable基类中的Copy方法被标注为返回Self。
• 当Example类继承Copyable并实现Copy方法时，self.__class__()会动态地创建Example类的一个新实例。
• typing.Self在Example的上下文中被解析为Example类型，因此类型检查器能够正确地推断出copy_of_example的类型是Example。这完美地解决了类型信息丢失的问题。

结合类方法使用Self

在某些场景下，Copy操作可能更适合作为类方法（classmethod），例如，当我们需要通过类本身来创建一个新的实例，而不是基于一个现有实例进行复制时。Self类型同样适用于类方法，以确保返回类型是调用该类方法的具体类。

from typing import Self
from abc import abstractmethod, ABC

class Copyable(ABC):
    @abstractmethod
    @classmethod
    def Copy(cls) -> Self: # 在类方法中使用 Self 类型
        """
        通过类方法创建一个当前类的实例，并返回其具体的子类类型。
        """
        pass

class Example(Copyable):
    @classmethod
    def Copy(cls) -> Self: # 返回类型仍为 Self，在 Example 上下文中即 Example
        """
        实现 Example 类的类复制方法。
        """
        return cls() # 使用 cls() 创建当前类的实例

# 类型检查器现在能正确识别通过类方法创建的实例类型
new_example_instance: Example = Example.Copy() # 类型检查器识别为 Example 类型
print(f"New instance type created via class method: {type(new_example_instance)}")

在这个类方法示例中：

• Copy方法被装饰为@classmethod，其第一个参数是类本身（通常命名为cls）。
• 返回类型依然是Self。当Example.Copy()被调用时，Self被解析为Example类型。
• cls()直接调用当前类Example的构造函数来创建新实例。

这种模式在工厂方法或需要从类级别创建实例的场景中非常有用，同时保持了精确的类型提示。

总结与注意事项

• typing.Self的优势：typing.Self是Python中实现F-有界多态性的标准且推荐方式，它使得在基类中定义的方法能够返回其具体子类的类型，从而避免了类型信息丢失的问题，提升了代码的可读性和类型检查的准确性。
• 版本要求：typing.Self是在Python 3.11中引入的。对于旧版本的Python，你可能需要使用from typing_extensions import Self。
• 适用场景：Self类型特别适用于需要返回当前实例（或类）类型的方法，如复制方法、工厂方法、构建器模式中的链式调用等。
• 与TypeVar的区别：虽然TypeVar也用于泛型，但它主要用于定义参数化类型，而Self是专门为方法返回其所属类的类型而设计的，尤其是在继承体系中。
• 抽象基类：在上述示例中，Copyable被定义为ABC（抽象基类），并通过@abstractmethod装饰器强制子类实现Copy方法，这是一种良好的实践。

通过理解和恰当使用typing.Self，开发者可以编写出更健壮、类型更精确的Python代码，尤其是在处理复杂的类继承和多态性场景时。

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