Python中如何让工厂构造函数表现得像普通构造函数？

我最近碰到这么个需求：需要做一个和坐标系关联的Cell类，核心要求是每个坐标对应唯一的Cell实例，大部分坐标可能没有对应的实例。而且我希望能像调用普通类一样，直接写Cell(coord)就能拿到实例——如果这个坐标已经有Cell了就返回现成的，没有就自动创建新的，同时还要避免不小心直接调用构造函数导致重复创建实例，还得保证返回的实例确实是Cell类型。

最开始试了两种方案，都不太满意：

• 工厂方法方案：给Cell类加了个factory类方法，虽然能实现复用，但每次都要写Cell.factory(coord)，不够直观，而且还是能直接调用Cell(coord)创建重复实例，有风险。
• 隐藏内部类方案：把真正的Cell实现成_Cell内部类，然后写个Cell函数返回_Cell.factory(coord)的结果。这下确实不会重复创建了，但返回的实例类型是_Cell而不是Cell，不符合预期。

后来才反应过来，这其实就是**记忆化（Memoization）**的典型场景！用装饰器就能完美解决问题，既保持了普通类的调用方式，又能自动处理实例缓存，还能保证实例类型正确。

最终解决方案：记忆化装饰器装饰类 #

直接写一个记忆化装饰器，把它应用在Cell类上。这样每次调用Cell(coord)时，装饰器会先检查缓存里有没有对应坐标的实例，有就返回，没有就创建新实例并缓存起来。

完整代码示例 #

_memoized = {}
def memoize(f):
    """ 专门针对类实例化的记忆化装饰器 """
    def memoized(*args):
        key = (*args,)
        if key not in _memoized:
            _memoized[key] = f(*args)
        return _memoized[key]
    return memoized

@memoize
class Cell():
    index = -1
    def __init__(self,coord):
        self.__class__.index += 1
        self.index = self.__class__.index
        self.coord = coord
    def __repr__(self):
        return "{}<{}>".format(self.__class__.__name__,self.index,self.coord)

# 测试：只会创建2个不同的Cell实例
print([Cell(i) for i in (0,1,0,1)])

这个方案的优点 #

• 用法直观：完全和普通类实例化一样，直接写Cell(coord)就行，不用额外记工厂方法
• 安全可靠：没办法通过直接调用构造函数创建重复实例，因为装饰器拦截了所有实例化请求
• 类型正确：返回的实例都是Cell类型，完全符合预期
• 自动缓存：缓存逻辑由装饰器处理，不用手动维护lookup字典，代码更简洁

进阶优化：把缓存绑定到类本身 #

上面的代码用了全局的_memoized字典，如果有多个类需要用这个装饰器会冲突。可以把缓存放到类自己的属性里，更符合封装原则：

def memoize(cls):
    """ 改进版：缓存绑定到目标类 """
    cls._lookup = {}
    def wrapper(*args):
        key = (*args,)
        if key not in cls._lookup:
            cls._lookup[key] = cls(*args)
        return cls._lookup[key]
    return wrapper

@memoize
class Cell():
    index = -1
    def __init__(self,coord):
        self.__class__.index += 1
        self.index = self.__class__.index
        self.coord = coord
    def __repr__(self):
        return "{}<{}>".format(self.__class__.__name__,self.index,self.coord)

# 测试效果一样
print([Cell(i) for i in (0,1,0,1)])
# 还能直接访问类的缓存
print(Cell._lookup)

这样每个被装饰的类都有自己独立的缓存，不会互相干扰，后续如果需要清理缓存或者查看已有实例，直接操作类的_lookup属性就行。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Haydon Berrow