如何为给定类型的严格子类添加Python类型提示？

我需要给数据类的字段添加类型提示，要求字段值是某个类的子类实例或者子类类型，但不能是该类本身。举个具体示例：

class Foo:
    ...

class Bar(Foo):
    ...

class Baz(Foo):
    ...

@dataclass
class Data:
    foo_subclass_instance: StrictSubclassOf[Foo]  # 仅接受Bar或Baz的实例，不接受Foo
    foo_subclass: type[StrictSubclassOf[Foo]]  # 仅接受Bar或Baz类型，不接受Foo

如果子类数量少且提前已知，可以用这种变通方案：

@dataclass
class Data:
    foo_subclass_instance: Bar | Baz
    foo_subclass: type[Bar] | type[Baz]

但子类数量繁多，或是部分子类因导入循环无法直接导入时，这个方案就不再适用。那么是否存在类似StrictSubclassOf[T]的注解可以实现需求？

Python标准类型提示库中没有内置StrictSubclassOf[T]这类直接注解，但可以通过以下几种方式实现类似效果：

1. 用Protocol实现静态类型检查（针对实例） #

定义一个仅由Foo子类自动实现的协议，Foo本身不满足该协议，以此让类型检查器区分严格子类实例：

from dataclasses import dataclass
from typing import Protocol, TypeVar

T = TypeVar('T', covariant=True)

class StrictSubclassProtocol(Protocol[T]):
    """标记为父类T的严格子类实例的协议"""
    __orig_bases__: tuple[type[T], ...]

class Foo:
    ...

class Bar(Foo):
    ...

class Baz(Foo):
    ...

@dataclass
class Data:
    foo_subclass_instance: StrictSubclassProtocol[Foo]

注：这种方式依赖mypy等类型检查器对Protocol的支持，且__orig_bases__是CPython的实现细节，跨解释器可能存在兼容性问题。

2. 自定义类型+运行时验证 #

如果需要同时支持静态提示和运行时校验，可以自定义类型，并配合数据类的字段验证器：

from dataclasses import dataclass, field
from typing import TypeVar, Type, Any

T = TypeVar('T')

class StrictSubclassOf:
    def __class_getitem__(cls, item: Type[T]) -> Type[T]:
        return type(f"StrictSubclassOf[{item.__name__}]", (), {})

def validate_strict_subclass_instance(value: Any, parent: Type[T]) -> None:
    if isinstance(value, parent) and type(value) is parent:
        raise ValueError(f"值不能是{parent.__name__}本身，必须是其子类实例")

def validate_strict_subclass_type(value: Any, parent: Type[T]) -> None:
    if issubclass(value, parent) and value is parent:
        raise ValueError(f"值不能是{parent.__name__}本身，必须是其子类类型")

@dataclass
class Data:
    foo_subclass_instance: StrictSubclassOf[Foo] = field(
        validator=lambda self, val: validate_strict_subclass_instance(val, Foo)
    )
    foo_subclass: type[StrictSubclassOf[Foo]] = field(
        validator=lambda self, val: validate_strict_subclass_type(val, Foo)
    )

这种方式在运行时会严格拦截不符合要求的类型，同时静态检查器会将StrictSubclassOf[Foo]识别为Foo的子类实例类型。

3. 简化静态提示写法（依赖文档约定） #

如果只需要静态类型提示，可结合TypeVar的bound参数，再通过文档明确排除父类本身：

from typing import TypeVar, Type
from dataclasses import dataclass

FooSubclassInstance = TypeVar('FooSubclassInstance', bound=Foo)
FooSubclassType = TypeVar('FooSubclassType', bound=Type[Foo])

@dataclass
class Data:
    # 仅接受Foo的严格子类实例，不包含Foo本身
    foo_subclass_instance: FooSubclassInstance
    # 仅接受Foo的严格子类类型，不包含Foo本身
    foo_subclass: FooSubclassType

这种写法最简洁，但需要开发者遵守文档约定，静态检查器不会自动排除Foo本身。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Beefster