Python 中的运算符重载

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每一种运算符对于不同的类型都有不同的行为。例如 + 在用于整型对象时，它会把两个整数相加；用于字符串时，则会连拼接两个字符串。

x, y = 10, 20
print(x + y)  # 30

a, b = 'John', 'Wick'
print(a + b)  # John Wick

+ 运算符因操作对象的类型的不同而执行不同的操作，这种特性称为重载。

运算符重载指的是运算符的功能会因为其操作数据类型而改变。

+ 运算符可以用于任意两个对象的相加吗？我们来试试看。

class Vector:
    def __init__(self, x, y):
        self.x = x
        self.y = y

v1 = Vector(3, 4)
v2 = Vector(5, 6)
v1 + v2

---------------------------------------------------------------------------
TypeError                                 Traceback (most recent call last)
<ipython-input-3-08104d7e1232> in <module>
----> 1 v1 + v2

TypeError: unsupported operand type(s) for +: 'Vector' and 'Vector'

运行这段代码会报错。为什么呢？这是因为 + 运算符不知道如何把两个 Vector 类的对象相加。

在本文中，我们将研究如何将既有的运算符用于自定义对象的操作，同时我们要牢记 Python 对操作符重载的一些限制性规则。

这些限制性规则有：

  1. 不允许创建新的运算符，只能重载已有的那些运算符;
  2. 不允许对内置数据类型（如 tuple 、 str 、 list）的运算符进行重载
  3. 某些运算符不能重载，例如 is，or，and 和 not。

在开始学习运算符重载前，我们需要了解 Python 数据模型和特殊方法。

Python 数据模型可以看作一种 “Python 设计方式”或 “Python 框架”。它能告诉你 Python 如何管理对象以及如何对它们进行操作。它描述了一系列的 API，你可以使用这些 API 使你定义的对象具备已有数据类型的某些功能，并且可以使用大多数 Python 语言的惯用特性，而且不必实现它们。

特殊方法 → 当你使用 len(collection)，Python 解释器调用的是 collection.__len__() 方法。这里的 __len__() 就是一个特殊方法。

特殊方法开头和结尾都是 __，意为只能由 Python 解释器调用。除非你在进行元编程，不然不需要直接调用它。

在 Python 中，我们可以使用特殊方法来实现运算符重载。

现在让我们使 Vector 类支持 + 运算符。

当我们调用 + 这个运算符时，Python 解释器调用了 __add__(self, other) 这个特殊方法。所以，在我们定义的类中实现 __add__() 方法，就可以支持 + 运算符了：

class Vector:
    def __init__(self, x, y):
        self.x = x
        self.y = y

    def __add__(self, other):
        return Vector(self.x + other.x , self.y + other.y)

    def __repr__(self):
        return f'Vector({self.x}, {self.y})'

v1 = Vector(3, 4)
v2 = Vector(5, 6)
v1 + v2

>>> Output: Vector(8, 10)

你会发现，我们的类已经支持了 + 运算符。我们还实现了 __repr__() 方法。在调用 print() 方法时，解释器会调用 __str__() 方法，如果没有 __str__() 的实现，解释器就会调用 __repr__() 方法。

注意：重载运算符时一定要返回一个新建的对象（类似于 += 的赋值运算符除外）。

再举个重载运算符的例子：

当我们使用 == 运算符时，Python 解释器会调用 __eq__(self, other) 这个特殊方法，所以我们通过实现 __eq__() 方法就可以使某个类支持 == 运算符。

class Vector:
    def __init__(self, x, y):
        self.x = x
        self.y = y

    def __add__(self, other):
        return Vector(self.x + other.x , self.y + other.y)

    def __repr__(self):
        return f'Vector({self.x}, {self.y})'
    
    def __eq__(self, other):
        return self.x == other.x and self.y == other.y

v1 = Vector(3, 4)
v2 = Vector(5, 6)
v1 == v2

>>> Output: False

v3 = Vector(3,4)
v1 == v3

>>> Output: True

在 Python 中，我们可以透过使用特殊方法轻松实现运算符重载；关键在于理解 Python 的数据模型和特殊方法。

这些概念能让你从 Python 的惯用特性中受益，并且能更好地利用强大的标准库。

欲了解 Python 数据模型的更多详情，请参考 Fluent python。

这里是 Python 中的特殊方法汇总，可供查阅。

总结

我们从理解什么是运算符重载开始，讨论了 Python 中运算符重载的一些限制条件、数据模型和特殊方法，然后在 Vector 类中实现了运算符重载。

希望你喜欢这篇文章。祝你工作顺利，好运连连！

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