编写自定义模型字段(model fields)

介绍

字段参考 文档介绍了如何使用 Django 的标准字段类—— CharFieldDateField,等等。大多数情况下,这些类就是你需要的。虽然有时候,Django 的版本不能精确地匹配你的需求,或者你想使用的字段与 Django 内置的完全不同。

Django 内置的字段类型并未覆盖所有可能的数据库字段类型——只有常见的类型,例如 VARCHARINTEGER。对于更多模糊的列类型,例如地理多边形(geographic polygons),甚至是用户创建的类型,例如 PostgreSQL custom types,你可以自定义 Django 的 Field 子类。

或者,你有一个复杂的 Python 对象,它可以以某种形式序列化,适应标准的数据库列类型。这是另一个 Field 子类能帮助你配合模型使用你的对象的示例。

我们的示例对象

创建自定义字段要求注意一些细节。为了简化问题,我们在本文档中全程使用同一实例:封装一个 Python 对象,代表手上 桥牌 的细节。不要担心,你不需要知道如何玩桥牌就能学习此例子。你只需知道 52 张牌被均分给 4 个玩家,一般称他们 西。我们的类长这样:

class Hand:
    """A hand of cards (bridge style)"""

    def __init__(self, north, east, south, west):
        # Input parameters are lists of cards ('Ah', '9s', etc.)
        self.north = north
        self.east = east
        self.south = south
        self.west = west

    # ... (other possibly useful methods omitted) ...

这仅是个普通的 Python 类,不添加任何 Django 指定的内容。我们对模型做这样的事(我们假定模型 hand 属性的值为 Hand 的实例):

example = MyModel.objects.get(pk=1)
print(example.hand.north)

new_hand = Hand(north, east, south, west)
example.hand = new_hand
example.save()

对模型中的 hand 属性的赋值与取值操作与其它 Python 类一直。技巧是告诉 Django 如何保存和加载对象。

为了在模型中使用 Hand 类,我们 需要修改这个类。这很不错,因为这以为着你仅需为已存在的类编写模型支持,即便你不能修改源码。

注解

你可能只想要自定义数据库列的优点,并在模型中像使用标准 Python 那样;字符串,或浮点数,等等。这种情况与 Hand 例子类似,在进行过程中,我们将注意到差异。

背后的理论

数据库存储

最简单的理解模型字段的方式就是它以 Python 对象的方式展示——字符串,布尔值, datetime,或其它更复杂的东西,比如 Hand——将它与某种格式之间来回转换,这在处理数据库(或序列化)时很有用(但是,像我们稍后看到的,一旦您控制了数据库端,就会很自然地出现这种情况)。

模型中的字段必须能以某种方式转换为已存在的数据库列类型。不能的数据库提供不同的可用列类型集,但规则仍相同:你只需要处理这些类型。你想存在数据库中的任何数据都必须能适配这些类型中的某一个。

一般来说,你可以编写一个 Django 字段来适配特定是数据库列类型,或者已存在一个直接承载你数据的类型,例如,字符串。

对于我们的 Hand 示例,我们能将卡片数据转换为一个 104 个字符的字符串,通过以预定义的顺序连接所有卡片——也就是说,先连接 所拥有的卡,随后是 ,和 西。所有 Hand 对象能被保存在数据库中的文本或字符列中。

一个字段(Field)类做了什么?

所有的 Django 字段(本页提到的 字段 均指模型字段,而不是 表单字段)都是 django.db.models.Field 的子类。对于所有字段,Django 记录的大部分信息是一样的——名字,帮助文本,是否唯一,等等。存储行为由 Field 处理。稍后,我们会深入了解 Field 能做什么;现在, 可以说万物源于 Field,并在其基础上自定义了类的关键行为。

了解 Django 字段类不保存在模型属性中很重要。模型属性包含普通的 Python 对象。你所以定义的字段类实际上在模型类创建时在 Meta 类中(这是如何实现的在这里不重要)。这是因为在仅创建和修改属性时,字段类不是必须的。相反,他们提供了属性值间转换的机制,并决定了什么被存入数据库或发送给 序列化器

在你创建自定义字段时牢记这点。你所写的 Django 的 Field 子类提供了多种在 Python 实例和数据库/序列化器之间的转换机制(比如,保存值和使用值进行查询之间是不同的)。听起来有点迷糊,但别担心——通过以下的例子会清晰起来。只要记住,在你需要一个自定义字段时,只需创建两个类:

  • 第一个类是用户需要操作的 Python 对象。它们会复制给模型属性,它们会为了显示而读取属性,就想这样。这里本例中的 Hand 类。
  • 第二类是 Field 的子类。这个类知道如何在永久存储格式和 Python 格式之间来回转换。

编写一个 field 子类

计划编写第一个 Field 子类时,需要先想想新字段和哪个已有的 Field 最相似。你会继承 Django 字段节约你的时间吗?如果不会,你需要继承 Field 类,从它继承了一切。

初始化新字段有点麻烦,因为要从公共参数中分离你需要的参数,并将剩下的传给父类 Field__init__() 方法(或你的父类)。

在本例中,我们会调用 HandField。(调用你的 Field 子类这个主意也很不错,所以认证为一个 Field 很简单。)它并不表现的像任何已存在的字段,所以我们将直接继承自 Field:

from django.db import models

class HandField(models.Field):

    description = "A hand of cards (bridge style)"

    def __init__(self, *args, **kwargs):
        kwargs['max_length'] = 104
        super().__init__(*args, **kwargs)

我们的 HandField 接收大多数标准字段选项(参考下面的列表),但是我们确定参数是定长的,因为它只需要保存 52 个卡片和它们的值;总计 104 个字符。

注解

许多 Django 模板接收一堆不处理的选项。你可以同时给 django.db.models.DateField 传入 editableauto_now,它会直接忽略 editable 参数(auto_now 被设置意味着 editable=False)。本例无错误抛出。

此行为简化了字段类,因为它们无需检查不需要的选项。它们直接将所有选项传给父类,就是后面爸爸不爱。是否对选项应用更严格的规则,还是更简单,更宽容的行为,这取决于你。

Field.__init__() 方法接收以下参数:

上述列表中所有无解释的选项与在普通 Django 字段中的作用一样。参见 字段文档 获取例子和细节信息。

字段解析

与编写 __init__() 方法相对是编写 deconstruct() 方法。它在 模型迁移 期间告诉 Django 如何获取你的新字段的一个实例,并将其转为序列化形式——特别是,传递什么参数给 __init__() 来重新创建它。

如果你未在继承的字段之前添加任何选项,就不需要编写新的 deconstruct() 方法。然而,如果你正在修改传递给 __init__() 的参数(像 HandField 中的一样),你需要增补被传递的值。

拼接 deconstruct() 非常简单;它返回包含 4 个项目的原则:字段属性名,字段类的完整导入路径,可选参数(列表),和关键字参数(字典)。注意,这与 为自定义类deconstruct 方法不同,它返回包含 3个项目的元组。

作为自定义字段的作者,你不需要担心前两个值;基类 Field 已包含处理字段属性名和导入路径的代码。然后,你仍必须关注位置参数和关键字参数,这些是你最有可能改的东西。

例如,在 HandField 类中,我们总是强制设置 __init__() 的长度。基类 Field 中的 deconstruct() 方法会看到这个值,并尝试在关键字参数中返回它;因此,我们能为了可读性从关键字参数中剔除它:

from django.db import models

class HandField(models.Field):

    def __init__(self, *args, **kwargs):
        kwargs['max_length'] = 104
        super().__init__(*args, **kwargs)

    def deconstruct(self):
        name, path, args, kwargs = super().deconstruct()
        del kwargs["max_length"]
        return name, path, args, kwargs

若你添加了一个新的关键字参数,你需要在 deconstruct 中新增代码,将其值传入 kwargs。如果不需要字段的重构状态,比如使用默认值的情况,还应该忽略 kwargs 中的值。

from django.db import models

class CommaSepField(models.Field):
    "Implements comma-separated storage of lists"

    def __init__(self, separator=",", *args, **kwargs):
        self.separator = separator
        super().__init__(*args, **kwargs)

    def deconstruct(self):
        name, path, args, kwargs = super().deconstruct()
        # Only include kwarg if it's not the default
        if self.separator != ",":
            kwargs['separator'] = self.separator
        return name, path, args, kwargs

更多的复杂例子超出本文的范围,但是请牢记——对于你的字段实例的任意配置,deconstruct() 必须返回能传递给 __init__ 的参数重构状态。

如果你在父类 Field 中设置了新的默认值需要额外注意;说明你希望总是包含它们,而不是在它们采用旧有值时消失。

也就是说,尽量避免以位置参数返回值;可能的话,尽量以关键字参数返回,未来能更好的扩展。当然,如果你在构造器的参数列表中,修改参数名比参数位置更频繁的话,你可能更倾向于位置参数,但是,牢记于心,未来别人会从序列化版本中重新构建你的字段,可能是一小会后(可能数年后),这取决于你的迁移持续的时间。

你能查看析构的结果,通过观察包含字段的迁移。你也能在单元测试中测试析构,只要简单的测试析构和重构字段:

name, path, args, kwargs = my_field_instance.deconstruct()
new_instance = MyField(*args, **kwargs)
self.assertEqual(my_field_instance.some_attribute, new_instance.some_attribute)

修改自定义字段的基类

你可能修改自定义字段的基类,因为 Django 无法检测到修改,并为其实施迁移。例如,如果你先这样:

class CustomCharField(models.CharField):
    ...

随后决定继承自 TextField,你不能像这样修改子类:

class CustomCharField(models.TextField):
    ...

替代方法是,你必须新建一个自定义字段类,并将你的模型指向此类:

class CustomCharField(models.CharField):
    ...

class CustomTextField(models.TextField):
    ...

就像文档 移除字段 中讨论的一样,你必须保留原 CustomCharField 类只要你还有迁移指向它。

为自定义字段编写文档

像之前一样,你需要为自定义字段类型编写文档,这样用户就会知道这他喵到底是啥。除了为其提供 docstring (对开发者很有用)外,你也需要让后台用户通过 django.contrib.admindocs 看到一个关于字段类型的简单介绍。只需简单地在自定义字段的 description 属性提供描述性文本。在上述例子中,由 admindocs 应用为 HandField 字段提供的描述是 ‘A hand of cards (bridge style)’。

django.contrib.admindocs 展示的内容中,字段描述在 field.__dict__ 中差值,它允许描述包含字段参数。例如, CharField 的说明是:

description = _("String (up to %(max_length)s)")

实用方法

一旦你已创建了 Field 的子类,你可能会考虑重写一些标准方法,这取决于你的字段行为。以下列表中的方法大致按重要性降序排列,即从上至下。

自定义数据库类型

假设你已创建了一个 PostgreSQL 自定义字段,名叫 mytype。你可以继承 Field 并实现 db_type() 方法,像这样:

from django.db import models

class MytypeField(models.Field):
    def db_type(self, connection):
        return 'mytype'

只要已建立 MytypeField,你就能像使用其它 Field 类型一样在模型中使用它:

class Person(models.Model):
    name = models.CharField(max_length=80)
    something_else = MytypeField()

如果你意在构建一个兼容各种数据库的应用,你需要了解不同数据库列之间的差异。举个例子,PostgreSQL 中的 date/time 列类型叫做 timestamp,而 MySQL 中相同的列叫做 datetime。最简单的处理此问题的方法是在 db_type() 方法中检查 connection.settings_dict['ENGINE'] 属性。

例子:

class MyDateField(models.Field):
    def db_type(self, connection):
        if connection.settings_dict['ENGINE'] == 'django.db.backends.mysql':
            return 'datetime'
        else:
            return 'timestamp'

db_type()rel_db_type() 方法由 Django 框架在为应用构建 CREATE TABLE 语句时调用——即你第一次创建数据表的时候。这些方法也在构建一个包含此模型字段的 WHERE 字句时调用——即你在利用 QuerySet 方法(get(), filter(), 和 exclude())检出数据时或将此模型字段作为参数时。它们在其它时间不会被调用,故它们能承担执行有点小复杂的代码,例如上述的 connection.settings_dict 例子。

某些数据库列类型接受参数,例如 CHAR(25),参数 25 表示列的最大长度。类似用例中,该参数若在模型中指定比硬编码在 db_type() 方法中更灵活。举个例子,构建 CharMaxlength25Field 没多大意义,如下所示:

# This is a silly example of hard-coded parameters.
class CharMaxlength25Field(models.Field):
    def db_type(self, connection):
        return 'char(25)'

# In the model:
class MyModel(models.Model):
    # ...
    my_field = CharMaxlength25Field()

更好的方式是在运行时指定参数值——即类实例化的时候。只需像这样实现 Field.__init__() 即可:

# This is a much more flexible example.
class BetterCharField(models.Field):
    def __init__(self, max_length, *args, **kwargs):
        self.max_length = max_length
        super().__init__(*args, **kwargs)

    def db_type(self, connection):
        return 'char(%s)' % self.max_length

# In the model:
class MyModel(models.Model):
    # ...
    my_field = BetterCharField(25)

最后,如果你的列真的要求配置复杂的 SQL,从 db_type() 返回 None。这会让 Django 创建 SQL 的代码跳过该字段。随后你需要负责为该字段在正确的表中以某种方式创建列,这种方式允许你告诉 Django 不处理此事。

rel_db_type() 方法由字段调用,例如 ForeignKeyOneToOneField ,这些通过指向另一个字段来决定数据库列类型的字段。举个例子,如果你有个 UnsignedAutoField,你也需要指向该字段的外键使用相同的数据类型:

# MySQL unsigned integer (range 0 to 4294967295).
class UnsignedAutoField(models.AutoField):
    def db_type(self, connection):
        return 'integer UNSIGNED AUTO_INCREMENT'

    def rel_db_type(self, connection):
        return 'integer UNSIGNED'

将值转为 Python 对象

若自定义 Field 处理的数据结构比字符串,日期,整型,或浮点型更复杂,你可能需要重写 from_db_value()to_python()

若要展示字段的子类, from_db_value() 将会在从数据库中载入的生命周期中调用,包括聚集和 values() 调用。

to_python() 在反序列化时和为表单应用 clean() 时调用。

作为通用规则, to_python 应该平滑地处理以下参数:

  • 一个正确的类型(本业持续介绍的例子 Hand )。
  • 一个字符串
  • None (若字段允许 null=True

HandField 类中,我们在数据库中以 VARCHAR 字段的形式存储数据,所以我们要能在 from_db_value() 中处理字符串和 None。在 to_python() 中,我们也需要处理 Hand 实例:

import re

from django.core.exceptions import ValidationError
from django.db import models
from django.utils.translation import gettext_lazy as _

def parse_hand(hand_string):
    """Takes a string of cards and splits into a full hand."""
    p1 = re.compile('.{26}')
    p2 = re.compile('..')
    args = [p2.findall(x) for x in p1.findall(hand_string)]
    if len(args) != 4:
        raise ValidationError(_("Invalid input for a Hand instance"))
    return Hand(*args)

class HandField(models.Field):
    # ...

    def from_db_value(self, value, expression, connection):
        if value is None:
            return value
        return parse_hand(value)

    def to_python(self, value):
        if isinstance(value, Hand):
            return value

        if value is None:
            return value

        return parse_hand(value)

注意,我们总是为这些方法返回一个 Hand 实例。这就是我们要保存在模型属性中的 Python 对象类型。

对于 to_python() 来说,如果在值转换过程中出现任何问题,你应该抛出一个 ValidationError 异常。

将 Python 转为查询值

使用数据库需要双向转换,如果你重写了 to_python() 方法,你也必须重写 get_prep_value() 将 Python 对象转回查询值。

例子:

class HandField(models.Field):
    # ...

    def get_prep_value(self, value):
        return ''.join([''.join(l) for l in (value.north,
                value.east, value.south, value.west)])

警告

如果你使用了 MySQL 的 CHARVARCHARTEXT 类型,你必须确保 get_prep_value() 总是返回一个字符串。在 MySQL 中对这些类型操作时非常灵活,甚至有时超出预期,在传入值为正数时,检出结果可能包含非期望的结果。这个问题不会在你总为 get_prep_value() 返回字符串类型的时候出现。

将查询值转为数据库值

某些数据类型(比如 dates)在数据库后端处理前要转为某种特定格式。 get_db_prep_value() 实现了这种转换。查询所以使用的连接由 connection 参数指定。这允许你在需要时指定后台要求的转换逻辑。

例如,Django 为其 BinaryField 利用以下方法:

def get_db_prep_value(self, value, connection, prepared=False):
    value = super().get_db_prep_value(value, connection, prepared)
    if value is not None:
        return connection.Database.Binary(value)
    return value

万一自定义字段需要与普通查询参数使用的转换不同的转换规则,你可以重写 get_db_prep_save()

在保存前预处理数值

如果你要在保存前预处理值,你可以调用 pre_save()。举个例子,Django 的 DateTimeFieldauto_nowauto_now_add 中利用此方法正确设置属性。

如果你重写了此方法,你必须在最后返回该属性的值。如果修改了值,那么你也需要更新模型属性,这样持有该引用的模型总会看到正确的值。

为模型字段指定表单字段

为了自定义 ModelForm 使用的表单属性,你必须重写 formfield()

表单字段类能通过 form_classchoices_form_class 参数指定;如果字段指定了选项,则使用后者,反之前者。若未提供这些参数,将会使用 CharFieldTypedChoiceField

完整的 kwargs 被直接传递给表单字段的 __init__() 方法。一般的,你要做的全部工作就是为 form_class 参数配置一个合适的默认值,并在随后委托父类处理。这可能要求你编写一个自定义表单字段(甚至表单视图)。查看 表单文件材料 获取相关信息。

承接上面的例子,我们能这样编写 formfield() 方法:

class HandField(models.Field):
    # ...

    def formfield(self, **kwargs):
        # This is a fairly standard way to set up some defaults
        # while letting the caller override them.
        defaults = {'form_class': MyFormField}
        defaults.update(kwargs)
        return super().formfield(**defaults)

这假定我们已导入 MyFormField 字段类(它有默认视图)。本页文档未覆盖编写自定义表单字段的细节。

仿造内置字段类型

若你已创建了 db_type() 方法,你无需担心 get_internal_type() 方法——它并不常用。虽然很多时候,数据库存储行为和其他字段类似,所以你能直接用其它字段的逻辑创建正确的列。

例子:

class HandField(models.Field):
    # ...

    def get_internal_type(self):
        return 'CharField'

无论我们使用了哪个数据库后端, migrate 或其它 SQL 命令总会在保存字符串时为其创建正确的列类型。

get_internal_type() 返回了当前数据库后端(即 django.db.backends.<db_name>.base.DatabaseWrapper.data_types 中未出现的后端)无法理解的字符串——该字符串仍会被序列化器使用的,但是默认的 db_type() 方法会返回 None。查阅文档 db_type() 了解为啥有用。如果您打算在 Django 之外的其他地方使用序列化器输出,那么将描述性字符串作为序列化器的字段类型是一个有用的想法。

为序列化转换字段数据

自定义序列化器序列化值的流程,你要重写 value_to_string()。使用 value_to_string() 是在序列化之前获取字段值的最佳方法。举个例子,由于 HandField 使用字符串存储数据,我们能复用一些已有代码:

class HandField(models.Field):
    # ...

    def value_to_string(self, obj):
        value = self.value_from_object(obj)
        return self.get_prep_value(value)

一些通用建议

编写自定义字段是个棘手的,尤其是在 Python 类,数据库,序列化格式之间进行复杂转换的时候。下面有几个让事情更顺利的建议:

  1. 借鉴已有的 Django 字段(位于 django/db/models/fields/__init__.py)。试着找到一个与你目标类似的字段,而不是从零开始创建。
  2. 为字段类添加一个 __str__() 方法。在很多地方,字段代码的默认行为是对值调用 str()。(本页文档中, value 会是一个 Hand 实例,而不是 HandField)。所以 __str() 方法会自动将 Python 对象转为字符串格式,帮你剩下不少时间。

编写一个 FileField 子类

除了上述方法外,处理文件的字段还有一些必须考虑到的特殊要求。 FileField 提供的大部分机制(像是操作数据库存储和检索)能保持不变,让子类面对支持特殊文件的挑战。

Django 提供一个 File 类,作为文件内容和文件操作的代理。可以继承该类自定义访问文件的方式,哪些方法是可用的。它位于 django.db.models.fields.files,它的默认行为在 file 文档 中介绍。

一旦创建了 File 子类,必须说明要使用新子类 FileField。为此,只需为 FileField 的子类的 attr_class 指定新的 File 子类。

一些建议

除了上述细节,下面还有一些准则,有助于极大地提高字段代码的效率和可读性。

  1. Django 的 ImageField 的源码(位于 django/db/models/fields/files.py)就是个展示如何继承 FileField 支持特定文件的不错例子,因为它包含了上述所有技巧。
  2. 尽可能的缓存文件属性。因为文件可能保存在远端存储系统中,检出它们会消耗额外的时间,甚至是钱,且不总是必要的。一旦检出某个文件,获取其内容,尽可能缓存所有数据,以减少后续调用再次检索文件的次数。