Python MRO方法解析顺序详解

我们知道，Python 类是支持（多）继承的，一个类的方法和属性可能定义在当前类，也可能定义在基类。针对这种情况，当调用类方法或类属性时，就需要对当前类以及它的基类进行搜索，以确定方法或属性的位置，而搜索的顺序就称为方法解析顺序。

方法解析顺序（Method Resolution Order），简称 MRO。对于只支持单继承的编程语言来说，MRO 很简单，就是从当前类开始，逐个搜索它的父类；而对于 Python，它支持多继承，MRO 相对会复杂一些。

实际上，Python 发展至今，经历了以下 3 种 MRO 算法，分别是：

1. 从左往右，采用深度优先搜索（DFS）的算法，称为旧式类的 MRO；
2. 自 Python 2.2 版本开始，新式类在采用深度优先搜索算法的基础上，对其做了优化；
3. 自 Python 2.3 版本，对新式类采用了 C3 算法。由于 Python 3.x 仅支持新式类，所以该版本只使用 C3 算法。

有关旧式类和新式类的讲解，可阅读《Python super()使用注意事项》一文。

有读者可能会好奇，为什么 MRO 弃用了前两种算法，而选择最终的 C3 算法呢？原因很简单，前 2 种算法都存在一定的问题。

旧式类MRO算法

在使用旧式类的 MRO 算法时，以下面代码为例（程序一）:

class A:
    def method(self):
      print("CommonA")
class B(A):
    pass
class C(A):
    def method(self):
      print("CommonC")
class D(B, C):
    pass
print(D().method())

通过分析可以想到，此程序中的 4 个类是一个“菱形”继承的关系，当使用 D 类对象访问 method() 方法时，根据深度优先算法，搜索顺序为 D->B->A->C->A。

旧式类的 MRO 可通过使用 inspect 模块中的 getmro(类名) 函数直接获取。例如 inspect.getmro(D) 表示获取 D 类的 MRO。

因此，使用旧式类的 MRO 算法最先搜索得到的是基类 A 中的 method() 方法，即在 Python 2.x 版本中，此程序的运行结果为：

CommonA

但是，这个结果显然不是想要的，我们希望搜索到的是 C 类中的 method() 方法。

新式类MRO算法

为解决旧式类 MRO 算法存在的问题，Python 2.2 版本推出了新的计算新式类 MRO 的方法，它仍然采用从左至右的深度优先遍历，但是如果遍历中出现重复的类，只保留最后一个。

仍以上面程序为例，通过深度优先遍历，其搜索顺序为 D->B->A->C->A，由于此顺序中有 2 个 A，因此仅保留后一个，简化后得到最终的搜索顺序为 D->B->C->A。

新式类可以直接通过 类名.__mro__ 的方式获取类的 MRO，也可以通过 类名.mro() 的形式，旧式类是没有 __mro__ 属性和 mro() 方法的。

可以看到，这种 MRO 方式已经能够解决“菱形”继承的问题，但是可能会违反单调性原则。所谓单调性原则，是指在类存在多继承时，子类不能改变基类的 MRO 搜索顺序，否则会导致程序发生异常。

例如，分析如下程序（程序二）：

class X(object):
  pass
class Y(object):
  pass
class A(X,Y):
  pass
class B(Y,X):
  pass
class C(A, B):
  pass

通过进行深度遍历，得到搜索顺序为 C->A->X->object->Y->object->B->Y->object->X->object，再进行简化（相同取后者），得到 C->A->B->Y->X->object。

下面来分析这样的搜索顺序是否合理，我们来看下各个类中的 MRO：

• 对于 A，其搜索顺序为 A->X->Y->object；
• 对于 B，其搜索顺序为 B->Y->X->object；
• 对于 C，其搜索顺序为 C->A->B->X->Y->object。

可以看到，B 和 C 中，X、Y 的搜索顺序是相反的，也就是说，当 B 被继承时，它本身的搜索顺序发生了改变，这违反了单调性原则。

MRO C3

为解决 Python 2.2 中 MRO 所存在的问题，Python 2.3 采用了 C3 方法来确定方法解析顺序。多数情况下，如果某人提到 Python 中的 MRO，指的都是 C3 算法。

在 Python 2.3 及后续版本中，运行程序一，得到如下结果：

CommonC

运行程序二，会产生如下异常：

Traceback (most recent call last):
  File "C:/Users/mengma/Desktop/demo.py", line 9, in <module>
    class C(A, B):
TypeError: Cannot create a consistent method resolution
order (MRO) for bases X, Y

由此可见，C3 可以有效解决前面 2 种算法的问题。那么，C3 算法是怎样实现的呢？

以程序一为主，C3 把各个类的 MRO 记为如下等式：

• 类 A：L[A] = merge(A , object)
• 类 B：L[B] = [B] + merge(L[A] , [A])
• 类 C：L[C] = [C] + merge(L[A] , [A])
• 类 D：L[D] = [D] + merge(L[A] , L[B] , [A] , [B])

注意，以类 A 等式为例，其中 merge 包含的 A 称为 L[A] 的头，剩余元素（这里仅有一个 object）称为尾。

这里的关键在于 merge，它的运算方式如下：

1. 检查第一个列表的头元素（如 L[A] 的头），记作 H。
2. 若 H 未出现在 merge 中其它列表的尾部，则将其输出，并将其从所有列表中删除，然后回到步骤 1；否则，取出下一个列表的头部记作 H，继续该步骤。

重复上述步骤，直至列表为空或者不能再找出可以输出的元素。如果是前一种情况，则算法结束；如果是后一种情况，Python 会抛出异常。

由此，可以计算出类 B 的 MRO，其计算过程为：

L[B] = [B] + merge(L[A],[A])
     = [B] + merge([A,object],[A])
     = [B,A] + merge([object])
     = [B,A,object]

同理，其他类的 MRO 也可以轻松计算得出。这里不再赘述，有兴趣的读者可自行推算。