在 Python 中使用 setter 和 getter 保护 numpy 属性

Question

我在保护我的属性（一个 numpy 数组）时遇到了问题。我想我明白为什么会出现这个问题，但我不确定如何防止它发生。特别是因为我的代码将被相对缺乏经验的程序员使用。

简而言之：，我有一个类，我想确保它的某些属性的属性。为此，我使用私有内部变量以及 getter 和 setter。然而，并非一切都如我所愿，当设置了一部分属性时，保护不起作用。

详细说明：这是 MWE 的第一部分：

# Importing modules.
import numpy as np


class OurClass(object):
    """
    The class with an attribute that we want to protect.

    Parameters
    ----------
    n : int
        The number of random numbers in the attribute.

    Attributes
    ----------
    our_attribute : array
        The attribute that contains `n` random numbers between 0 and 1, will never be smaller than zero.
    _our_attribute : array
        The protected attributed that ensures that `our_attribute` is never smaller then zero.
        (Normally I don't list this)
    """
    def __init__(self, n):
        self.our_attribute = np.random.random(n)

    @property
    def our_attribute(self):
        return self._our_attribute

    @our_attribute.setter
    def our_attribute(self, value):
        """
        When the attribute is set, every entry needs to be larger then zero.

        Parameters
        ----------
        value : array
            The array that should replace our_attribute.
        """
        print("Setter function is used")
        self._our_attribute = np.clip(value, 0, np.inf)

现在，当我设置和获取 our_attribute 时，它应该受到保护，请参阅以下示例：

# Lets create our object.
print('Create object:')
num = 5
our_object = OurClass(num)
print('  our_attribute:', our_object.our_attribute, '\n')

# Lets replace the setter function te verify that it works.
print('Change object:')
our_object.our_attribute = np.linspace(-5, 20, num)
print('  our_attribute:', our_object.our_attribute, '\n')

# Now modify the attribute using basic functions.
print('Modify using numpy functionality:')
our_object.our_attribute = our_object.our_attribute - 5
print('  our_attribute:', our_object.our_attribute, '\n')

但是，当我处理属性的切片（视图）时，会发生奇怪的事情。

# Now modify a slice of the attribute, we can do this because it is a numpy array.
print('Modify a slice of the attribute.')
our_object.our_attribute[0] = -5
print('  our_attribute:', our_object.our_attribute)

发生了以下事情：

1. 它调用 getter 函数两次，（一次用于our_object.our_attribute[0]，一次用于print）
2. 出现负数时，该属性似乎不受保护。
3. 即使是私有属性似乎也没有受到保护

print('  even the private _our_attribute:', our_object._our_attribute, '\n')

也包括负数！

我的猜测：

1. 属性的一部分不受保护，因为我们访问它并没有进入 setter 函数。 Numpy 允许我们直接访问切片并更改内容。 （我们从 getter 函数获得our_attribute，现在我们直接作用于这个数组对象，它允许设置一个由 Numpy 处理的切片，而不是我们的类，因为我们正在作用的对象现在只是一个数组。
2. getter 函数包括return self._our_attribute，它不是复制操作，现在self.our_attribute 和self._our_attribute 都指向同一个位置。如果您更改其中任何一个，其他更改也会随之更改，因此我们最终会更改我们的私有属性，即使我们并不打算更改它。

现在我的问题：

1. 我的推测是正确的，还是我犯了错误。
2. 我假设我可以以不同的方式定义 setter，以确保私有属性与公共属性分开：

@property
def our_attribute(self):
    return np.copy(self._our_attribute)

但现在设置切片根本不会改变任何东西。

如何正确保护我的属性，以便我可以更改属性的一部分并仍然保留保护。重要的是，这种保护从外面看不到，以免让我的学生感到困惑。

Answer 1

我要感谢@Iguananaut 的明确回答。在这里，我只想在我之前展示的示例中实现她的答案。是的，这仍然没有得到真正的保护，但这应该可以防止出现问题，除非人们开始搞乱内部变量。

我决定采用array.setflags(write=False) 的路线，但尝试以更简单的方式进行。对以下实现进行了以下 3 处更改：

1. 在getter函数中复制private属性，保证改变public属性的flag不会改变private属性的flag。
2. 公共属性设置为不可写，以确保人们在尝试设置属性切片时会收到警告。 （没有这个保护工作，但如果有人设置你的公共属性，它不会抛出错误，它根本不会做任何事情）。
3. 确保内部属性不可写。

# Importing modules.
import numpy as np

class OurClass(object):
    """
    The class with an attribute that we want to protect.

    Parameters
    ----------
    n : int
        The number of random numbers in the attribute.

    Attributes
    ----------
    our_attribute : array
        The attribute that contains `n` random numbers between 0 and 1, will never be smaller than zero.
    _our_attribute : array
        The protected attributed that ensures that `our_attribute` is never smaller then zero.
        (Normally I don't list this)
    """
    def __init__(self, n):
        # Set values to the attribute.
        self.our_attribute = np.random.random(n)

    @property
    def our_attribute(self):
        out = self._our_attribute.copy()  # --> Change 1
        out.setflags(write=False)  # --> Change 2
        return out

    @our_attribute.setter
    def our_attribute(self, value):
        """
        When the attribute is set, every entry needs to be larger then zero.

        Parameters
        ----------
        value : array
            The array that should replace our_attribute.
        """
        print("Setter function is used")
        self._our_attribute = np.clip(value, 0, np.inf)
        self._our_attribute.setflags(write=False)  # --> Change 3

# Lets create our object.
print('Create object:')
num = 5
our_object = OurClass(num)
print('  our_attribute:', our_object.our_attribute, '\n')

仍然可以设置整个属性，但属性会被适当地剪裁。

# Lets replace the setter function te verify that it works.
print('Change object:')
our_object.our_attribute = np.linspace(-5, 20, num)
print('  our_attribute:', our_object.our_attribute, '\n')

更改数组的切片是不可能的，它将通过VallueError: assignment destination is read-only。

# Now modify a slice of the attribute, we can do this because it is a numpy array.
print('Modify a slice of the attribute.')
our_object.our_attribute[-1] = -5
print('  our_attribute:', our_object.our_attribute)

现在有人可以尝试“聪明”并更改他们获得的数组的写入标志，但如果他们这样做，他们不会影响私有属性self._our_attribute，因为他们从中获得了深层副本，并且每次他们调用公共属性时，他们都会再次收到副本，因此以下内容仍然会出现错误：

# Now modify a slice of the attribute, we can do this because it is a numpy array.
print('Modify a slice of the attribute.')
our_object.our_attribute.setflags(write=True)
our_object.our_attribute[-1] = -5
print('  our_attribute:', our_object.our_attribute)

在不直接接触私有属性的情况下规避此问题的唯一方法是：

# Now modify a slice of the copy of the attribute, at set the full attribute to the changed copy.
print('Modify a slice of the attribute.')
attribute = our_object.our_attribute.copy()
attribute[-1] = -5
our_object.our_attribute = attribute
print('  our_attribute:', our_object.our_attribute)

但这会再次通过我们的 setter 函数，就像我们喜欢的那样。

Answer 2

您的推测基本上是正确的。 Python 中没有“保护”可变对象不被修改之类的东西，而且 NumPy 数组是可变的。你可以用普通的 Python 列表做同样的事情：

@property
def my_list(self):
    return self._my_list  # = [1, 2, 3, 4]

@my_list.setter
def my_list(self, value):
    self._my_list = [float('inf') if x < 0 else x for x in value]

我不太清楚你在这里想要什么，但如果你希望你的属性返回的 numpy 数组是不可变的，你可以在数组上设置 array.setflags(write=False)。这也将使数组的切片不可变，只要切片是在设置 write=False 标志后创建的。

但是，如果您想要某种神奇的有界 NumPy 数组，其中对数组的任何操作都将强制执行您设置的界限，这可以通过 ndarray 子类实现，但并不重要。

不过，这些选项都不会阻止某人将基础数据重新转换为可变数组。

完全保护底层数据的唯一方法是使用只读 mmap 作为底层数组缓冲区。

但是 TL;DR 通过property 访问 Python 对象并没有什么神奇之处，它可以使该对象不可变。如果你真的想要一个不可变的数据类型，你必须使用一个不可变的数据类型。