【Python进阶】映射类型及其继承关系解析

我们经常在代码中使用一些映射类型（如字典、默认字典、排序字典等），但在许多情况下，如何理解它们之间的继承关系，以及它们如何在父类的基础上扩展出更多的功能，可能会让我们感到困惑。为了写出高质量的类型提示，尤其是遵循伯斯塔尔定律（发送时要保守，接收时要大方），理解这些映射类型的继承结构是非常重要的。本篇文章将深入分析 Python 中的映射类型、它们的父类关系，以及如何在类型提示中应用这些映射类型的知识。

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一、Python中的映射类型

在 Python 中，映射类型指的是那些将键（key）映射到值（value）上的数据结构。最常见的映射类型是 dict，但除此之外，Python 还提供了多种映射相关的数据结构，用于满足不同的需求。以下是一些常见的映射类型：

1、dict：

最基本的映射类型，支持键值对存储。Python中的 dict 可以通过键来存储和访问值，并且是无序的（在 Python 3.7+ 版本中，字典维护插入顺序）。

2、defaultdict：

defaultdict 是 Python 的 collections 模块提供的一个字典子类，它为字典中不存在的键提供默认值。这使得在访问不存在的键时不抛出异常，而是返回一个指定的默认值。

3、OrderedDict：

OrderedDict 也是 dict 的一个子类，扩展了 dict 的功能，维护了键值对的插入顺序。在 Python 3.7 之后，标准的 dict 已经保持了插入顺序，但 OrderedDict 仍然有一些在性能优化方面的优势，尤其是在一些特定场景下（如频繁进行字典排序操作时）。

4、Mapping：

Mapping 是 Python 标准库 collections.abc 中的一个抽象基类，用于定义所有映射类型。通过继承 Mapping 类，可以创建自定义的映射类型。Mapping 定义了最基本的映射操作接口，如__getitem__、iter__和__len

5、MappingProxyType：

MappingProxyType 是 types 模块提供的一个类，它可以将一个字典或其他映射类型转换为一个只读的映射视图，使得原字典的内容不可被修改。

二、映射类型的继承关系和扩展功能

理解映射类型的继承关系，有助于我们更好地使用这些类型，尤其是在自定义映射类型时。我们可以通过继承现有的映射类型，实现新的功能或定制行为。以下是 Python 中常见的映射类型及其继承关系的详细分析：

1、Mapping 类：抽象基类

Mapping 是 Python 中所有映射类型的抽象基类。它实现了常见的映射操作，并为所有映射类型提供了一个统一的接口。Mapping 的父类为 Iterable 和 Sized，这意味着所有继承 Mapping 的类型都必须实现可迭代和大小操作。具体来说，Mapping 定义了以下核心方法：

getitem(self, key)：通过键获取值。
iter(self)：返回一个可以迭代的键集合。
len(self)：返回映射的元素个数。
这些方法使得映射类型可以像字典一样被访问和遍历。例如，dict、OrderedDict 和 defaultdict 都继承了 Mapping 类，并提供了不同的扩展和实现。

2、dict 类：标准字典

dict 是 Python 中最常用的映射类型，它直接继承自 Mapping 类，并实现了 getitem、iter 和 len 等方法，此外还支持一些字典特有的操作，如 setitem（添加或更新键值对）和 delitem（删除键值对）。在 Python 3.7 及以后版本中，dict 还保证了键值对的插入顺序。

3、defaultdict 类：提供默认值的字典

defaultdict 是 dict 的子类，它扩展了 dict 的功能，提供了一个 default_factory 参数，允许为不存在的键自动生成默认值。当访问一个不存在的键时，defaultdict 会调用 default_factory 提供的函数或工厂来生成默认值，而不是抛出 KeyError 异常。这样可以避免写大量的检查是否存在键的代码。

继承关系：
object -> Mapping -> dict -> defaultdict

4、OrderedDict 类：有序字典

OrderedDict 是 dict 的一个子类，扩展了字典的一些行为。最显著的特点是，OrderedDict 会记住键值对的插入顺序，允许按插入顺序遍历字典中的键值对。尽管从 Python 3.7 开始，标准的 dict 也保证了插入顺序，但 OrderedDict 提供了更多特性，如 move_to_end()，可以让你在字典中重新排列键值对的顺序。

继承关系：
object -> Mapping -> dict -> OrderedDict

5、MappingProxyType：只读映射视图

MappingProxyType 是 types 模块中的一个类，它可以将一个字典或其他映射类型转换为一个只读视图。在这个视图中，所有对字典的修改操作都会抛出 TypeError 异常，确保映射内容不被修改。

继承关系：
object -> Mapping -> MappingProxyType

三、映射类型在类型提示中的应用

在 Python 的类型提示中，映射类型的使用非常广泛，尤其是在处理复杂数据结构时，理解如何利用 Mapping 以及其子类进行类型注解变得尤为重要。

1、使用 Mapping 进行类型注解

Mapping 可以作为一个通用的类型提示，表示任意一个映射类型，无论是 dict、defaultdict 还是 OrderedDict。如果你需要接受一个任何类型的映射（比如字典或其子类），你可以使用 Mapping 作为类型注解。

例如：

from collections.abc import Mapping

def print_mapping(mapping: Mapping[str, int]) -> None:
    for key, value in mapping.items():
        print(f"{key}: {value}")

在这个例子中，mapping 参数被注解为 Mapping[str, int]，表示它是一个键为字符串、值为整数的映射。无论传入的是 dict、OrderedDict 还是 defaultdict，函数都能正确处理。

2、使用具体的映射类型

当你明确知道函数参数的映射类型时，通常可以直接使用具体的类型，如 dict、defaultdict 或 OrderedDict。例如，若你需要一个特定类型的字典，可以直接使用 dict 类型注解。

from collections import defaultdict

def process_defaultdict(mapping: defaultdict[str, int]) -> None:
    # 使用默认字典处理逻辑
    pass

3、使用 MappingProxyType 创建只读映射

在某些场合下，我们可能需要创建一个只读的映射类型视图，可以使用 MappingProxyType 来创建一个不可修改的映射视图。在类型注解中，我们可以使用 Mapping 来标明它是一个只读映射。

from types import MappingProxyType

def read_only_mapping(mapping: Mapping[str, int]) -> MappingProxyType:
    return MappingProxyType(mapping)

总结

通过理解 Python 中的映射类型及其继承关系，我们不仅能够更好地理解 dict、OrderedDict、defaultdict 等类型的功能差异，还能在类型提示中更加精准地表达我们希望接受的类型。这种理解能够帮助我们在代码中严格区分不同类型的映射，避免不必要的错误，并提高代码的可读性和可维护性。