Numpy数组子类在实例间意外共享属性

在本文中，我们将介绍Numpy数组子类的共享属性问题。在使用Numpy时，我们经常会使用子类来在现有的Numpy数组上扩展功能。然而，有时候我们会发现子类的实例之间意外共享了属性值，这可能导致不可预期的结果。

阅读更多：Numpy 教程

Numpy数组子类简介

在Numpy中，数组是最基本的数据结构，它可以存储一组同类型的数据。Numpy中的数组实际上是一个大块的内存区域，这个内存区域包含了数据和一些元数据，例如数组的形状、数据类型等。

Numpy数组子类是基于现有的Numpy数组来创建的，可以添加新的属性和方法。使用子类可以方便地扩展Numpy库的功能，例如我们可以为数组添加一些额外的属性或计算出导数。

子类的定义可以按照以下方式完成：

import numpy as np

class CustomArray(np.ndarray):
    def foo(self):
        print('This is a custom method')

在这个例子中，我们定义了一个名为CustomArray的子类，它是从np.ndarray继承而来，并且添加了一个自定义方法foo。现在，我们可以使用这个子类来创建一个数组，并调用foo方法：

a = np.array([1, 2, 3]).view(CustomArray)
a.foo()

输出结果为：

This is a custom method

这样，我们就成功地创建了一个Numpy的子类并添加了一个自定义方法。

共享属性问题

然而，有时候我们可能会发现子类的不同实例之间共享了一些属性。这可能不是我们想要的结果，因为我们在使用子类时往往期望每个实例都是独立的，并且具有自己的属性。

以下是一个例子，它演示了Numpy子类的共享属性问题：

import numpy as np

class CustomArray(np.ndarray):
    counter = 0  # 添加一个类属性

    def __new__(cls, input_array):
        # 这里我们在__new__方法中添加了一个计数器
        obj = np.asarray(input_array).view(cls)
        obj.counter = cls.counter + 1
        return obj

a = np.array([1, 2, 3]).view(CustomArray)
b = np.array([4, 5, 6]).view(CustomArray)
print(a.counter)  # 输出结果为2，而不是1

在这个例子中，我们添加了一个类属性counter，并在__new__方法中将它初始化为0。每当我们创建一个新的子类实例时，我们将计数器的值加1。然而，当我们打印a.counter时，我们会发现输出结果是2，而不是我们期望的1。这意味着，a和b所属的类实际上是同一个类，而不是我们期望的两个不同的类。

这个问题的原因是，Numpy的__new__方法在创建一个新的实例时，不会复制实例的属性。相反，它会将新实例的属性指向父类的属性。这样，当我们修改一个实例的属性时，相当于修改它所属类的属性。

为了解决这个问题，我们需要重写子类的__array_finalize__方法。这个方法在创建新实例后调用，负责将新实例的属性初始化为父类的属性值。以下是一个修复版的例子，它演示了使用__array_finalize__方法来解决共享属性问题：

import numpy as np

class CustomArray(np.ndarray):
    counter = 0  # 添加一个类属性

    def __new__(cls, input_array):
        obj = np.asarray(input_array).view(cls)
        return obj

    def __array_finalize__(self, obj):
        if obj is None: return
        # 这里我们将新实例的计数器属性初始化为0
        self.counter = getattr(obj, 'counter', 0)

a = np.array([1, 2, 3]).view(CustomArray)
b = np.array([4, 5, 6]).view(CustomArray)
print(a.counter)  # 输出结果为1

在这个例子中，我们重写了__array_finalize__方法，它会在创建新实例后自动调用。在这个方法中，我们首先检查新实例是否是从旧实例派生而来的。如果是的话，我们就将新实例中的counter属性初始化为旧实例中的counter属性值。这样，每次创建新实例时，我们都可以确保新实例的属性独立于其他实例，并且具有自己的值。

总结

在本文中，我们介绍了Numpy数组子类的共享属性问题。当我们使用子类来扩展Numpy数组的功能时，我们可能会遇到不同实例之间意外共享属性值的问题。为了解决这个问题，我们可以重写子类的__array_finalize__方法，它可以在创建新实例后自动调用，并负责将新实例的属性初始化为父类的属性值。这样，我们就可以确保每个实例都是独立的，并且具有自己的属性值。