面试题：Python类结构重构与性能提升

Question

现有一个简单的Python类如下：```pythonclass Rectangle: def __init__(self, width, height): self.width = width self.height = height def calculate_area(self): return self.width * self.height def calculate_perimeter(self): return 2 * (self.width + self.height)```如果在实际应用中发现这个类的实例化非常频繁，对性能有一定影响。请从代码重构和性能优化策略方面，提出你的改进方案，包括但不限于优化类的结构、使用合适的数据结构等，并解释这样做的原因。

Answer 1

改进方案

1. 使用 __slots__：
   • 在类中定义 __slots__ 来限制实例能够拥有的属性。因为默认情况下，Python 实例使用字典来存储属性，这会占用较多内存。而 __slots__ 可以使用更紧凑的方式存储属性，从而减少内存占用，在频繁实例化时提升性能。
   • 重构后的代码如下：

class Rectangle:
    __slots__ = ('width', 'height')
    def __init__(self, width, height):
        self.width = width
        self.height = height
    def calculate_area(self):
        return self.width * self.height
    def calculate_perimeter(self):
        return 2 * (self.width + self.height)

2. 缓存属性值（如果适用）：
   • 如果 width 和 height 的值在实例的生命周期内不会改变，并且 calculate_area 和 calculate_perimeter 方法会被频繁调用，可以在 __init__ 方法中预先计算并缓存面积和周长。这样在调用相应方法时，直接返回缓存的值，减少计算开销。
   • 重构后的代码如下：

class Rectangle:
    def __init__(self, width, height):
        self.width = width
        self.height = height
        self._area = self.width * self.height
        self._perimeter = 2 * (self.width + self.height)
    def calculate_area(self):
        return self._area
    def calculate_perimeter(self):
        return self._perimeter

3. 考虑使用 namedtuple（如果对象是不可变的）：
   • 如果 Rectangle 对象的 width 和 height 在创建后不需要改变，namedtuple 是一个很好的选择。namedtuple 是不可变的，并且比普通类更轻量级，占用内存更少，创建速度更快。
   • 代码如下：

from collections import namedtuple

Rectangle = namedtuple('Rectangle', ['width', 'height'])

def calculate_area(rect):
    return rect.width * rect.height

def calculate_perimeter(rect):
    return 2 * (rect.width + rect.height)

原因解释

1. __slots__：
   • 减少内存占用，因为每个实例不再需要一个字典来存储属性。这对于频繁实例化的类来说，可以显著减少内存开销，提高内存使用效率，进而提升性能。
2. 缓存属性值：
   • 对于频繁调用的计算方法，避免了重复计算，直接返回预先计算好的值，从而提高了方法的调用速度，提升整体性能。
3. namedtuple：
   • 由于其不可变性和轻量级特性，创建 namedtuple 实例比创建普通类实例更快，并且占用更少的内存。适用于对象状态不会改变的场景，进一步优化了频繁实例化的性能。