Python：模塊 __dict__ 詳解

在 Python 中，模塊（module）是一級(jí)命名空間對(duì)象。無論是通過 import 加載的標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)模塊、第三方模塊，還是直接運(yùn)行的腳本本身，每個(gè)模塊都以對(duì)象形式存在于內(nèi)存中，并通過其 __dict__ 屬性統(tǒng)一管理所有模塊級(jí)名稱。

理解模塊的 __dict__，不僅是掌握模塊工作機(jī)制的關(guān)鍵，也是深入理解 Python 命名空間模型、導(dǎo)入機(jī)制以及運(yùn)行期動(dòng)態(tài)行為的重要基礎(chǔ)。

一、模塊對(duì)象與模塊命名空間

（1）模塊是運(yùn)行期對(duì)象，而非靜態(tài)概念

在 Python 中，模塊不是“代碼文件”的抽象概念，而是運(yùn)行期存在的實(shí)際對(duì)象。

print(type(math))    #

每一個(gè)模塊對(duì)象都擁有一組標(biāo)準(zhǔn)屬性，例如：

? __name__：模塊名稱

? __file__：模塊源文件路徑

? __spec__：模塊的導(dǎo)入規(guī)范

? __loader__：模塊加載器

? __dict__：模塊命名空間

其中，__dict__ 是模塊命名空間的唯一物理載體，存儲(chǔ)了模塊中的所有名稱。

（2）模塊 __dict__ 的定義

模塊 __dict__ 表示模塊級(jí)的命名空間本身。模塊中通過賦值語句、函數(shù)定義、類定義、import 語句創(chuàng)建的所有名稱，最終都存儲(chǔ)在這個(gè)字典中。

示例：

    pass

加載后查看其命名空間：

print(demo.__dict__.keys())

輸出：

dict_keys(['__name__', '__doc__', '__package__', '__loader__', '__spec__', '__file__', '__cached__', '__builtins__', 'x', 'f', 'C'])

可以看到，模塊 __dict__ 既包含用戶定義的變量、函數(shù)、類，也包含系統(tǒng)自動(dòng)添加的元信息。

二、types 模塊與 ModuleType 的作用

為了準(zhǔn)確理解模塊 __dict__，需要明確模塊對(duì)象的具體類型。

（1）types 模塊的角色

標(biāo)準(zhǔn)庫(kù) 模塊提供了對(duì)解釋器內(nèi)部核心對(duì)象類型的標(biāo)準(zhǔn)化引用，如：

? FunctionType 函數(shù)類型

? MethodType 方法類型

? ModuleType 模塊類型

? GeneratorType 生成器類型

這些不是“新類型”，而是對(duì)既有內(nèi)置類型的正式命名，便于類型檢查和明確意圖。

（2）ModuleType 的本質(zhì)

types.ModuleType 表示模塊對(duì)象的類型：

print(type(math) is types.ModuleType)    # True

所有通過 import 得到的模塊對(duì)象，本質(zhì)上都是 ModuleType 的實(shí)例。

（3）ModuleType 的構(gòu)造語義

types.ModuleType(name, doc=None)

參數(shù)含義：

? name：模塊名（對(duì)應(yīng) __name__）

? doc： 模塊文檔字符串（對(duì)應(yīng) __doc__）

示例：

print(m.__dict__)   # {}

（4）ModuleType 創(chuàng)建的是真實(shí)模塊對(duì)象

需要明確的一點(diǎn)是，types.ModuleType 創(chuàng)建的并不是“偽模塊”，而是真正的模塊對(duì)象。區(qū)別僅在于：

特性

import 創(chuàng)建的模塊

ModuleType 創(chuàng)建的模塊

代碼執(zhí)行

自動(dòng)執(zhí)行模塊代碼

不自動(dòng)執(zhí)行代碼

__dict__ 填充

自動(dòng)填充

初始為空字典

系統(tǒng)屬性

自動(dòng)設(shè)置 __spec__、__loader__

需手動(dòng)設(shè)置

注冊(cè)到 sys.modules

自動(dòng)注冊(cè)

不自動(dòng)注冊(cè)

在對(duì)象模型層面，它們完全一致：

print(type(m1) is type(m2))  # True

（5）使用 ModuleType 的意義

使用 ModuleType 的目的在于：隔離模塊對(duì)象結(jié)構(gòu)本身與 import 機(jī)制的副作用。

示例：

print(m.__dict__)  # {'x': 42, 'hello': at ...>}

這清晰地體現(xiàn)了：

? 模塊屬性 ≡ 模塊 .__dict__ 中的鍵值對(duì)

? 模塊命名空間完全由模塊 __dict__ 管理

三、模塊 __dict__ 的生命周期

模塊 __dict__ 的生命周期與模塊對(duì)象本身嚴(yán)格一致。

（1）創(chuàng)建階段

執(zhí)行順序?yàn)椋?/p>

1、創(chuàng)建模塊對(duì)象：實(shí)例化 ModuleType

2、初始化空 __dict__：創(chuàng)建空字典作為命名空間

3、執(zhí)行模塊代碼：逐條執(zhí)行語句，將結(jié)果寫入 __dict__。

exec(open('demo.py').read(), demo.__dict__)    # 導(dǎo)入過程的“概念性等價(jià)描述”

（2）運(yùn)行階段：動(dòng)態(tài)可變

模塊 __dict__ 是一個(gè)完全可寫的普通字典，可在運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)改變：

del demo.__dict__['new_var']

模塊在運(yùn)行期可以：

? 動(dòng)態(tài)添加屬性/刪除屬性

? 可被反射、注入、修改

? 作為插件系統(tǒng)的載體

（3）銷毀階段

當(dāng)模塊對(duì)象被垃圾回收時(shí)，模塊 __dict__ 隨對(duì)象一同銷毀，其命名空間不再存在。

通常，模塊會(huì)常駐內(nèi)存，因?yàn)?sys.modules 持有對(duì)模塊對(duì)象的強(qiáng)引用。除非顯式從 sys.modules 中刪除，否則模塊對(duì)象及其 __dict__ 會(huì)一直存在。

四、模塊 __dict__ 與屬性訪問機(jī)制

模塊屬性訪問遵循簡(jiǎn)單直接的規(guī)則：

module.attr

在屬性存在的情況下，在語義上等價(jià)于：

module.__dict__['attr']

二者在異常類型上略有差異。

屬性訪問特點(diǎn)：

? 無方法綁定：模塊中的函數(shù)始終是普通函數(shù)對(duì)象。

? 無 MRO 查找：不存在繼承鏈查找。

? 無描述符處理：不涉及 __get__/__set__ 協(xié)議，即使模塊中存在實(shí)現(xiàn)了描述符協(xié)議的對(duì)象，模塊屬性訪問也不會(huì)觸發(fā)描述符綁定邏輯。

? 直接字典查找：屬性訪問就是字典鍵查找。

示例：

demo.f()  # 返回 "function"，不會(huì)生成方法對(duì)象

五、模塊 __dict__ 的典型用途

（1）反射與調(diào)試

可用于枚舉模塊成員、動(dòng)態(tài)分析模塊結(jié)構(gòu)以及 REPL / 調(diào)試器實(shí)現(xiàn)。

pdb.set_trace()  # 調(diào)試器內(nèi)部使用 __dict__ 訪問局部變量

（2）動(dòng)態(tài)注入 API

常見于插件系統(tǒng)、框架自動(dòng)注冊(cè)以及運(yùn)行期擴(kuò)展接口。

    sys.modules[module_name] = module

（3）框架自動(dòng)注冊(cè)

    return decorator

六、不同對(duì)象的命名空間對(duì)比

對(duì)象類型

__dict__ 特性

可變性

特殊行為

實(shí)例

普通 dict

完全可變

支持屬性訪問協(xié)議

mappingproxy

需通過賦值語句

支持繼承、描述符

模塊

普通 dict（完全可寫）

完全可變

直接字典映射

模塊是唯一一個(gè)頂層、全局、完全可變的命名空間對(duì)象，這也是它常被用作配置容器、插件載體、全局狀態(tài)管理的原因。

小結(jié)

模塊 __dict__ 是模塊命名空間的實(shí)體載體，保存了模塊中定義的全部名稱。模塊對(duì)象本質(zhì)上是 types.ModuleType 的實(shí)例，其 __dict__ 是一個(gè)普通、完全可寫的字典。模塊加載時(shí)，解釋器創(chuàng)建模塊對(duì)象并逐步填充其 __dict__；運(yùn)行期中，該字典可被動(dòng)態(tài)修改。模塊屬性訪問直接映射到 __dict__ 查找，不涉及方法綁定或 MRO。

理解模塊 __dict__，是理解 Python 命名空間、import 機(jī)制以及動(dòng)態(tài)特性的關(guān)鍵基礎(chǔ)。

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