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Python的優(yōu)雅之處:Descriptor(描述符)

科技綠洲 ? 來源:Python實用寶典 ? 作者:Python實用寶典 ? 2023-11-02 10:52 ? 次閱讀

學(xué)習(xí) Python 這么久了,說起 Python 的優(yōu)雅之處,能讓我脫口而出的, Descriptor(描述符)特性可以排得上號。

描述符 是Python 語言獨有的特性,它不僅在應(yīng)用層使用,在語言語法糖的實現(xiàn)上也有使用到(在下面的文章會一一介紹)。

當你點進這篇文章時

  • 你也許沒學(xué)過描述符,甚至沒聽過描述符。
  • 或者你對描述符只是一知半解

無論你是哪種,本篇都將帶你全面的學(xué)習(xí)描述符,一起來感受 Python 語言的優(yōu)雅。

1. 為什么要使用描述符?

假想你正在給學(xué)校寫一個成績管理系統(tǒng),并沒有太多編碼經(jīng)驗的你,可能會這樣子寫。

class Student:
    def __init__(self, name, math, chinese, english):
        self.name = name
        self.math = math
        self.chinese = chinese
        self.english = english

    def __repr__(self):
        return "< Student: {}, math:{}, chinese: {}, english:{} >".format(
                self.name, self.math, self.chinese, self.english
            )

看起來一切都很合理

>> > std1 = Student('小明', 76, 87, 68)
 >> > std1
< Student: 小明, math:76, chinese: 87, english:68 >

但是程序并不像人那么智能,不會自動根據(jù)使用場景判斷數(shù)據(jù)的合法性,如果老師在錄入成績的時候,不小心錄入了將成績錄成了負數(shù),或者超過100,程序是無法感知的。

聰明的你,馬上在代碼中加入了判斷邏輯。

class Student:
    def __init__(self, name, math, chinese, english):
        self.name = name
        if 0 <= math <= 100:
            self.math = math
        else:
            raise ValueError("Valid value must be in [0, 100]")
        
        if 0 <= chinese <= 100:
            self.chinese = chinese
        else:
            raise ValueError("Valid value must be in [0, 100]")
      
        if 0 <= chinese <= 100:
            self.english = english
        else:
            raise ValueError("Valid value must be in [0, 100]")
        

    def __repr__(self):
        return "< Student: {}, math:{}, chinese: {}, english:{} >".format(
                self.name, self.math, self.chinese, self.english
            )

這下程序稍微有點人工智能了,能夠自己明辨是非了。

圖片

程序是智能了,但在__init__里有太多的判斷邏輯,很影響代碼的可讀性。巧的是,你剛好學(xué)過 Property 特性,可以很好的應(yīng)用在這里。于是你將代碼修改成如下,代碼的可讀性瞬間提升了不少

class Student:
    def __init__(self, name, math, chinese, english):
        self.name = name
        self.math = math
        self.chinese = chinese
        self.english = english

    @property
    def math(self):
        return self._math

    @math.setter
    def math(self, value):
        if 0 <= value <= 100:
            self._math = value
        else:
            raise ValueError("Valid value must be in [0, 100]")

    @property
    def chinese(self):
        return self._chinese

    @chinese.setter
    def chinese(self, value):
        if 0 <= value <= 100:
            self._chinese = value
        else:
            raise ValueError("Valid value must be in [0, 100]")

    @property
    def english(self):
        return self._english

    @english.setter
    def english(self, value):
        if 0 <= value <= 100:
            self._english = value
        else:
            raise ValueError("Valid value must be in [0, 100]")

    def __repr__(self):
        return "< Student: {}, math:{}, chinese: {}, english:{} >".format(
                self.name, self.math, self.chinese, self.english
            )

程序還是一樣的人工智能,非常好。

圖片

你以為你寫的代碼,已經(jīng)非常優(yōu)秀,無懈可擊了。

沒想到,人外有天,你的主管看了你的代碼后,深深地嘆了口氣:類里的三個屬性,math、chinese、english,都使用了 Property 對屬性的合法性進行了有效控制。功能上,沒有問題,但就是太啰嗦了,三個變量的合法性邏輯都是一樣的,只要大于0,小于100 就可以,代碼重復(fù)率太高了,這里三個成績還好,但假設(shè)還有地理、生物、歷史、化學(xué)等十幾門的成績呢,這代碼簡直沒法忍。去了解一下 Python 的描述符吧。

經(jīng)過主管的指點,你知道了「描述符」這個東西。懷著一顆敬畏之心,你去搜索了下關(guān)于 描述符的用法。

其實也很簡單,一個實現(xiàn)了 描述符協(xié)議 的類就是一個描述符。

什么描述符協(xié)議:在類里實現(xiàn)了 __get__()__set__()__delete__() 其中至少一個方法。

  • __get__:用于訪問屬性。它返回屬性的值,若屬性不存在、不合法等都可以拋出對應(yīng)的異常。
  • __set__:將在屬性分配操作中調(diào)用。不會返回任何內(nèi)容。
  • __delete__:控制刪除操作。不會返回內(nèi)容。

對描述符有了大概的了解后,你開始重寫上面的方法。

如前所述,Score 類是一個描述符,當從 Student 的實例訪問 math、chinese、english這三個屬性的時候,都會經(jīng)過 Score 類里的三個特殊的方法。這里的 Score 避免了 使用Property 出現(xiàn)大量的代碼無法復(fù)用的尷尬。

class Score:
    def __init__(self, default=0):
        self._score = default

    def __set__(self, instance, value):
        if not isinstance(value, int):
            raise TypeError('Score must be integer')
        if not 0 <= value <= 100:
            raise ValueError('Valid value must be in [0, 100]')

        self._score = value

    def __get__(self, instance, owner):
        return self._score

    def __delete__(self):
        del self._score
        
class Student:
    math = Score(0)
    chinese = Score(0)
    english = Score(0)

    def __init__(self, name, math, chinese, english):
        self.name = name
        self.math = math
        self.chinese = chinese
        self.english = english


    def __repr__(self):
        return "< Student: {}, math:{}, chinese: {}, english:{} >".format(
                self.name, self.math, self.chinese, self.english
            )

實現(xiàn)的效果和前面的一樣,可以對數(shù)據(jù)的合法性進行有效控制(字段類型、數(shù)值區(qū)間等)

圖片

以上,我舉了下具體的實例,從最原始的編碼風(fēng)格到 Property ,最后引出描述符。由淺入深,一步一步帶你感受到描述符的優(yōu)雅之處。

到這里,你需要記住的只有一點,就是描述符給我們帶來的編碼上的便利,它在實現(xiàn) 保護屬性不受修改屬性類型檢查 的基本功能,同時有大大提高代碼的復(fù)用率。

2. 描述符的訪問規(guī)則

描述符分兩種:

  • 數(shù)據(jù)描述符:實現(xiàn)了__get____set__ 兩種方法的描述符
  • 非數(shù)據(jù)描述符:只實現(xiàn)了__get__ 一種方法的描述符

你一定會問,他們有什么區(qū)別呢?網(wǎng)上的講解,我看過幾個,很多都把一個簡單的東西講得復(fù)雜了。

其實就一句話, 數(shù)據(jù)描述器和非數(shù)據(jù)描述器的區(qū)別在于:它們相對于實例的字典的優(yōu)先級不同

如果實例字典中有與描述符同名的屬性,如果描述符是數(shù)據(jù)描述符,優(yōu)先使用數(shù)據(jù)描述符,如果是非數(shù)據(jù)描述符,優(yōu)先使用字典中的屬性。

這邊還是以上節(jié)的成績管理的例子來說明,方便你理解。

# 數(shù)據(jù)描述符
class DataDes:
    def __init__(self, default=0):
        self._score = default

    def __set__(self, instance, value):
        self._score = value

    def __get__(self, instance, owner):
        print("訪問數(shù)據(jù)描述符里的 __get__")
        return self._score

# 非數(shù)據(jù)描述符
class NoDataDes:
    def __init__(self, default=0):
        self._score = default

    def __get__(self, instance, owner):
        print("訪問非數(shù)據(jù)描述符里的 __get__")
        return self._score


class Student:
    math = DataDes(0)
    chinese = NoDataDes(0)

    def __init__(self, name, math, chinese):
        self.name = name
        self.math = math
        self.chinese = chinese
        
    def __getattribute__(self, item):
        print("調(diào)用 __getattribute__")
        return super(Student, self).__getattribute__(item)
     
    def __repr__(self):
        return "< Student: {}, math:{}, chinese: {}, >".format(
                self.name, self.math, self.chinese)

需要注意的是,math 是數(shù)據(jù)描述符,而 chinese 是非數(shù)據(jù)描述符。從下面的驗證中,可以看出,當實例屬性和數(shù)據(jù)描述符同名時,會優(yōu)先訪問數(shù)據(jù)描述符(如下面的math),而當實例屬性和非數(shù)據(jù)描述符同名時,會優(yōu)先訪問實例屬性(__getattribute__

>> > std = Student('xm', 88, 99)
 >> > 
 >> > std.math
調(diào)用 __getattribute__
訪問數(shù)據(jù)描述符里的 __get__
88
 >> > std.chinese
調(diào)用 __getattribute__
99

講完了數(shù)據(jù)描述符和非數(shù)據(jù)描述符,我們還需要了解的對象屬性的查找規(guī)律。

當我們對一個實例屬性進行訪問時,Python 會按 obj.__dict__type(obj).__dict__type(obj)的父類.__dict__ 順序進行查找,如果查找到目標屬性并發(fā)現(xiàn)是一個描述符,Python 會調(diào)用描述符協(xié)議來改變默認的控制行為。

3. 基于描述符如何實現(xiàn)property

經(jīng)過上面的講解,我們已經(jīng)知道如何定義描述符,且明白了描述符是如何工作的。

正常人所見過的描述符的用法就是上面提到的那些,我想說的是那只是描述符協(xié)議最常見的應(yīng)用之一,或許你還不知道,其實有很多 Python 的特性的底層實現(xiàn)機制都是基于 描述符協(xié)議 的,比如我們熟悉的@property@classmethod@staticmethodsuper 等。

先來說說 property 吧。

有了前面的基礎(chǔ),我們知道了 property 的基本用法。這里我直接切入主題,從第一篇的例子里精簡了一下。

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

    @property
    def math(self):
        return self._math

    @math.setter
    def math(self, value):
        if 0 <= value <= 100:
            self._math = value
        else:
            raise ValueError("Valid value must be in [0, 100]")

不防再簡單回顧一下它的用法,通過property裝飾的函數(shù),如例子中的 math 會變成 Student 實例的屬性。而對 math 屬性賦值會進入 使用 math.setter 裝飾函數(shù)的邏輯代碼塊。

為什么說 property 底層是基于描述符協(xié)議的呢?通過 PyCharm 點擊進入 property 的源碼,很可惜,只是一份類似文檔一樣的偽源碼,并沒有其具體的實現(xiàn)邏輯。

不過,從這份偽源碼的魔法函數(shù)結(jié)構(gòu)組成,可以大體知道其實現(xiàn)邏輯。

這里我自己通過模仿其函數(shù)結(jié)構(gòu),結(jié)合「描述符協(xié)議」來自己實現(xiàn)類 property 特性。

代碼如下:

class TestProperty(object):

    def __init__(self, fget=None, fset=None, fdel=None, doc=None):
        self.fget = fget
        self.fset = fset
        self.fdel = fdel
        self.__doc__ = doc

    def __get__(self, obj, objtype=None):
        print("in __get__")
        if obj is None:
            return self
        if self.fget is None:
            raise AttributeError
        return self.fget(obj)

    def __set__(self, obj, value):
        print("in __set__")
        if self.fset is None:
            raise AttributeError
        self.fset(obj, value)

    def __delete__(self, obj):
        print("in __delete__")
        if self.fdel is None:
            raise AttributeError
        self.fdel(obj)


    def getter(self, fget):
        print("in getter")
        return type(self)(fget, self.fset, self.fdel, self.__doc__)

    def setter(self, fset):
        print("in setter")
        return type(self)(self.fget, fset, self.fdel, self.__doc__)

    def deleter(self, fdel):
        print("in deleter")
        return type(self)(self.fget, self.fset, fdel, self.__doc__)

然后 Student 類,我們也相應(yīng)改成如下

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

    # 其實只有這里改變
    @TestProperty
    def math(self):
        return self._math

    @math.setter
    def math(self, value):
        if 0 <= value <= 100:
            self._math = value
        else:
            raise ValueError("Valid value must be in [0, 100]")

為了盡量讓你少產(chǎn)生一點疑惑,我這里做兩點說明:

  1. 使用TestProperty裝飾后,math 不再是一個函數(shù),而是TestProperty 類的一個實例。所以第二個math函數(shù)可以使用 math.setter 來裝飾,本質(zhì)是調(diào)用TestProperty.setter 來產(chǎn)生一個新的 TestProperty 實例賦值給第二個math
  2. 第一個 math 和第二個 math 是兩個不同 TestProperty 實例。但他們都屬于同一個描述符類(TestProperty),當對 math 對于賦值時,就會進入 TestProperty.__set__,當對math 進行取值里,就會進入 TestProperty.__get__。仔細一看,其實最終訪問的還是Student實例的 _math 屬性。

說了這么多,還是運行一下,更加直觀一點。

# 運行后,會直接打印這一行,這是在實例化 TestProperty 并賦值給第二個math
in setter
 >> >
 >> > s1.math = 90
in __set__
 >> > s1.math
in __get__
90

對于以上理解 property 的運行原理有困難的同學(xué),請務(wù)必參照我上面寫的兩點說明。如有其他疑問,可以加微信與我進行探討。

4. 基于描述符如何實現(xiàn)staticmethod

說完了 property ,這里再來講講 @classmethod@staticmethod 的實現(xiàn)原理。

我這里定義了一個類,用了兩種方式來實現(xiàn)靜態(tài)方法。

class Test:
    @staticmethod
    def myfunc():
        print("hello")

# 上下兩種寫法等價

class Test:
    def myfunc():
        print("hello")
    # 重點:這就是描述符的體現(xiàn)
    myfunc = staticmethod(myfunc)

這兩種寫法是等價的,就好像在 property 一樣,其實以下兩種寫法也是等價的。

@TestProperty
def math(self):
    return self._math
  
math = TestProperty(fget=math)

話題還是轉(zhuǎn)回到 staticmethod 這邊來吧。

由上面的注釋,可以看出 staticmethod 其實就相當于一個描述符類,而myfunc 在此刻變成了一個描述符。關(guān)于 staticmethod 的實現(xiàn),你可以參照下面這段我自己寫的代碼,加以理解。

圖片

調(diào)用這個方法可以知道,每調(diào)用一次,它都會經(jīng)過描述符類的 __get__

>> > Test.myfunc()
in staticmethod __get__
hello
 >> > Test().myfunc()
in staticmethod __get__
hello

5. 基于描述符如何實現(xiàn)classmethod

同樣的 classmethod 也是一樣。

class classmethod(object):
    def __init__(self, f):
        self.f = f

    def __get__(self, instance, owner=None):
        print("in classmethod __get__")
        
        def newfunc(*args):
            return self.f(owner, *args)
        return newfunc

class Test:
    def myfunc(cls):
        print("hello")
        
    # 重點:這就是描述符的體現(xiàn)
    myfunc = classmethod(myfunc)

驗證結(jié)果如下

>> > Test.myfunc()
in classmethod __get__
hello
 >> > Test().myfunc()
in classmethod __get__
hello

講完了 propertystaticmethodclassmethod 與 描述符的關(guān)系。我想你應(yīng)該對描述符在 Python 中的應(yīng)用有了更深的理解。對于 super 的實現(xiàn)原理,就交由你來自己完成。

6. 所有實例共享描述符

通過以上內(nèi)容的學(xué)習(xí),你是不是覺得自己已經(jīng)對描述符足夠了解了呢?

可在這里,我想說以上的描述符代碼都有問題。

問題在哪里呢?請看下面這個例子。

class Score:
    def __init__(self, default=0):
        self._value = default

    def __get__(self, instance, owner):
        return self._value

    def __set__(self, instance, value):
        if 0 <= value <= 100:
            self._value = value
        else:
            raise ValueError


class Student:
    math = Score(0)
    chinese = Score(0)
    english = Score(0)

    def __repr__(self):
        return "< Student math:{}, chinese:{}, english:{} >".format(self.math, self.chinese, self.english)

Student 里沒有像前面那樣寫了構(gòu)造函數(shù),但是關(guān)鍵不在這兒,沒寫只是因為沒必要寫。

然后來看一下會出現(xiàn)什么樣的問題呢

>> > std1 = Student()
 >> > std1
< Student math:0, chinese:0, english:0 >
 >> > std1.math = 85
 >> > std1
< Student math:85, chinese:0, english:0 >
 >> > std2 = Student()
 >> > std2 # std2 居然共享了std1 的屬性值
< Student math:85, chinese:0, english:0 >
 >> > std2.math = 100
 >> > std1 # std2 也會改變std1 的屬性值
< Student math:100, chinese:0, english:0 >

從結(jié)果上來看,std2 居然共享了 std1 的屬性值,只要其中一個實例的變量發(fā)生改變,另一個實例的變量也會跟著改變。

探其根因,是由于此時 math,chinese,english 三個全部是類變量,導(dǎo)致 std2 和 std1 在訪問 math,chinese,english 這三個變量時,其實都是訪問類變量。

問題是不是來了?小明和小強的分數(shù)怎么可能是綁定的呢?這很明顯與實際業(yè)務(wù)不符。

使用描述符給我們制造了便利,卻無形中給我們帶來了麻煩,難道這也是描述符的特性嗎?

描述符是個很好用的特性,會出現(xiàn)這個問題,是由于我們之前寫的描述符代碼都是錯誤的。

描述符的機制,在我看來,只是搶占了訪問順序,而具體的邏輯卻要因地制宜,視情況而定。

如果要把 math,chinese,english 這三個變量變成實例之間相互隔離的屬性,應(yīng)該這么寫。

class Score:
    def __init__(self, subject):
        self.name = subject

    def __get__(self, instance, owner):
        return instance.__dict__[self.name]

    def __set__(self, instance, value):
        if 0 <= value <= 100:
            instance.__dict__[self.name] = value
        else:
            raise ValueError


class Student:
    math = Score("math")
    chinese = Score("chinese")
    english = Score("english")

    def __init__(self, math, chinese, english):
        self.math = math
        self.chinese = chinese
        self.english = english

    def __repr__(self):
        return "< Student math:{}, chinese:{}, english:{} >".format(self.math, self.chinese, self.english)

引導(dǎo)程序邏輯進入描述符之后,不管你是獲取屬性,還是設(shè)置屬性,都是直接作用于 instance 的。

圖片

這段代碼,你可以仔細和前面的對比一下。

不難看出:

  • 之前的錯誤代碼,更像是把描述符當做了存儲節(jié)點。
  • 之后的正確代碼,則是把描述符直接當做代理,本身不存儲值。

以上便是我對描述符的全部分享,希望能對你有所幫助。

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    基于DWC2的USB驅(qū)動開發(fā)-IAD<b class='flag-5'>描述符</b>詳解

    UBL UBOOT 描述符

    ?? 在DM368的開發(fā)包目錄下/psp/flash-utils/DM36x/GNU:執(zhí)行make 可以省成UBL:ubl_DM36x_nand.bin ;我想問的是如何添加UBL 的描述符?燒寫到
    發(fā)表于 06-21 08:48

    USB設(shè)備檢測過程的USB設(shè)備的描述符

    描述符總是作為配置描述符的一部分被返回,主機不能通過 Get_Descriptor 請求直接獲取接口描述符。接口描述符由 9 個字節(jié)組成,分
    發(fā)表于 11-12 09:23

    FX2的多個配置描述符

    添加了額外的配置描述符(及相關(guān)的接口和端點描述符)來dscr.a51。我也改setupcommand(void),sc_get_descriptor / gd_configuration
    發(fā)表于 04-19 09:19

    ARM中,Linux 文件描述符到底是什么?

    一個 Linux 進程啟動后,會在內(nèi)核空間中創(chuàng)建一個 PCB 控制塊,PCB 內(nèi)部有一個文件描述符表(File descriptor table),記錄著當前進程所有可用的文件描述符,也即當前
    發(fā)表于 10-23 16:11

    USB HID報告及報告描述符簡介

    在USB中,USB HOST是通過各種描述符來識別設(shè)備的,有設(shè)備描述符,配置描述符,接口描述符,端點描述符,字符串
    發(fā)表于 04-12 11:13 ?4040次閱讀

    Descriptor描述符解釋

    Descriptor描述符,是一個完整的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),可以通過C語言等編程實現(xiàn),并存儲在USB設(shè)備中,用于描述一個USB設(shè)備的所有屬性,USB主機是通過一系列命令來要求設(shè)備發(fā)送這些信息的。
    發(fā)表于 07-16 09:39 ?2645次閱讀

    Linux中文件及文件描述符概述

    6.2 Linux中文件及文件描述符概述 在Linux中對目錄和設(shè)備的操作都等同于文件的操作,因此,大大簡化了系統(tǒng)對不同設(shè)備的處理,提高了效率。Linux中的文件主要分為4種:普通文件、目錄文件
    發(fā)表于 10-18 14:35 ?0次下載

    USB設(shè)備鍵值表描述符說明資料免費下載

    本文檔的主要內(nèi)容詳細介紹的是USB設(shè)備鍵值表描述符說明資料免費下載包括了:1.設(shè)備描述符的結(jié)構(gòu),2. 配置描述符的結(jié)構(gòu),3. 接口描述符的結(jié)構(gòu),4. HID
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    USB設(shè)備鍵值表<b class='flag-5'>描述符</b>說明資料免費下載

    USB各描述符之間的依賴是怎么樣的

    USB 是個通用的總線,端口都是統(tǒng)一的。但是USB 設(shè)備卻各種各樣,例如USB 鼠標, USB鍵盤, U盤等等,那么USB 主機是如何識別出不同的設(shè)備的呢?這就要依賴于描述符了。USB 的描述符主要有設(shè)備描述符,配置
    發(fā)表于 07-23 16:53 ?8次下載
    USB各<b class='flag-5'>描述符</b>之間的依賴是怎么樣的

    隱藏描述符工具應(yīng)用程序免費下載

    本文檔的主要內(nèi)容詳細介紹的是HID Descriptor Tool隱藏描述符工具應(yīng)用程序免費下載。
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    隱藏<b class='flag-5'>描述符</b>工具應(yīng)用程序免費下載

    Linux系統(tǒng)編程中的文件描述符調(diào)用

    文件描述符 進程每打開一個文件的時候,會獲得該文件的文件描述符,而后續(xù)的讀寫操作都把文件描述符作為參數(shù)。在用戶空間或者內(nèi)核空間,都是通過文件描述符來唯一地索引一個打開的文件。文件
    的頭像 發(fā)表于 09-02 09:50 ?1682次閱讀
    Linux系統(tǒng)編程中的文件<b class='flag-5'>描述符</b>調(diào)用

    科普一下什么是USB的描述符

    以及行為呢?這就要通過描述符來實現(xiàn)了。那么什么是USB的描述符呢?其實就是一些傳遞的協(xié)議信息,比如設(shè)備的類型、廠商ID、產(chǎn)品ID、端點情況、版本號等信息。 既然描述符是協(xié)議信息,那么不同的版本也會有所不同,比如USB1.1協(xié)議定
    的頭像 發(fā)表于 12-02 14:41 ?3966次閱讀

    Gadget框架構(gòu)造描述符

    假設(shè)你要【模擬】一個 USB 設(shè)備: 這個 USB 設(shè)備含有廠家信息:它記錄在設(shè)備描述符里,所以設(shè)備描述符應(yīng)該由你提供 這個芯片可能有多種配置,這也是由你決定,所以配置描述符應(yīng)該由你提供 某個配置下
    的頭像 發(fā)表于 07-13 11:34 ?652次閱讀
    Gadget框架構(gòu)造<b class='flag-5'>描述符</b>

    從獲取描述符的角度理解Gadget框架

    安裝好 gadget 驅(qū)動程序后(比如 modprobe g_zero), 它只是構(gòu)造好了各類描述符。在設(shè)備的枚舉過程會讀取描述符。 使用 OTG 線連接電腦和開發(fā)板時,電腦軟件會執(zhí)行如下
    的頭像 發(fā)表于 07-13 11:38 ?937次閱讀
    從獲取<b class='flag-5'>描述符</b>的角度理解Gadget框架
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