Furious the Monkey Patch（狂暴的猴子修补）

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最近在看pip和setuptools的源码，对动态修改运行时代码的手段（也就是所谓的）有了一些心得体会，简单地记录一下。

FURIOUS THE MONKEY BOY（狂暴的猴男孩）是帝国时代II里面的一个作弊兵种，单个使用，可以迅速摧毁敌军的单位。虽然这和Monkey Patch基本上没啥关系，不过我倒是觉得借助于Monkey Patch写代码很接近我以前单机打帝国挑专家电脑的方式：（在运行时）打着打着发现正规的手段罩不住了，以前造的兵都不够用了，于是赶紧召唤出一堆作弊单位来弥补局面……

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一个简单的示例：问题描述

写一个从IETF的官网获取大小（以字节为单位）的Python函数get_rfc_content_length()。输入为某RFC的编号（整数），返回值为该RFC的HTML文档大小（整数）。

例如，RFC2549（文档地址）的大小为17833字节，那么：

>>> get_rfc_content_length(2549)
17833 

要求借助Python 3的urllib中的request.urlopen实现。在没有预置的handler来完成请求时（我们知道，此时urlopen()将返回None，尽管这在默认情况下永远也不会发生），应当抛出一个用户自定义的NoHandlerError；更进一步，在当前网络状况存在问题时（未连接，或DNS解析出错），应当抛出一个URLError；而当我们查找的RFC编号不存在时（例如，此时服务器将返回一个404错误），get_rfc_content_length()应当返回值None。

为了便于参考，实现部分的代码如下：

from urllib import request, error 
def get_rfc_content_length(num): 
  url = "%s" % str(num) 
  try: 
    response = request.urlopen(url) 
    if response is None: 
      raise NoHandlerError() 
    else: 
      header = response.headers['Content-Length'] 
      content_length = int(header) 
  except error.HTTPError: 
    return None 
  except: 
    raise 
  else: 
    return content_length 

class NoHandlerError(Exception): 
  def __str__(self): 
    return repr('No installed handler handles the request')

以下，将通过为这段代码编写单元测试用例来详解Monkey Patch的具体用法。

1) Monkey Patch的na?ve用法

在我们的get_rfc_content_length()函数实现正确的前提下，以下最简单的测试用例可以通过：

def test_0(self): assert get_rfc_content_length(2549) == 17833 

现在，我们需要测试需求规格中存在的另一种情形：在没有预置的handler来完成请求时，应当抛出一个用户自定义的NoHandlerError。

如前所述，我们知道，在没有预置的handler来完成请求时，urlopen()将返回None。因此，最省事的测试方法就是：我们能否在单元测试中临时修改一下request.urlopen的实现，让它直接返回None？如果可以，那么我们就可以直接测试get_rfc_content_length()是否如我们希望的那样抛出NoHandlerError。这看起来要比替换掉urllib库预先设定的全局默认handler（UnknownHandler）要干净得多：

def test_0(self):
   """
   Test if no installed handler handles the request
   A NoHandlerError should be raised.
   """

   request.urlopen = lambda *args, **kwargs: None

   self.assertRaises(NoHandlerError, get_rfc_content_length, 2549)

如上，我们动态地修改了request.urlopen()这个标准库函数的运行时实现——这就是所谓的，在某些特定的场合，也称作代码的“热修补”。其后我们自己的get_rfc_content_length()在调用urlopen()时，都会去使用这个新的urlopen()实现，也就是对任何参数都直接返回None。

NoHandlerError抛出，用例通过。看上去，Monkey Patch简洁高效地帮助我们完成了单元测试的任务：

• 我们需要测试的一个函数依赖另一个现成的模块实现。
• 这个模块中某些方法的行为方式不是我们想要的。我们也许故意想要它抛出某个异常（在测试时模拟可能发生的现实情形），也许不想要它在测试时去访问网络（直接返回一个我们预定的response即可）。
• 因此，我们可以通过Monkey Patch的方式去动态地（在运行时）修改这个模块中的方法。

（如果你稍微懂一点Python或其他动态语言的工作方式，你应该已经看出来上面这段代码是有严重缺陷的。不过让我们先继续下去）

照葫芦画瓢，我们还可以修改request.urlopen()让它无论何时都抛出一个URLError：

def test_0(self):
   """
   Test if a network problem exists
   A URLError should be raised.
   """

   def fake_urlopen(*args, **kwargs):
       raise error.URLError('simulating network problem')

   request.urlopen = fake_urlopen

   self.assertRaises(error.URLError, get_rfc_content_length, 2549)

根据我们的要求，get_rfc_content_length()应当能够在网络连接（包括DNS解析）出现问题时（也就是request.urlopen抛出URLError时），同样抛出URLError。这符合规格；运行测试，用例通过。

2) Monkey Patch和动态语言的执行方式

def test_0(self): assert get_rfc_content_length(2549) == 17833 

现在，假设我们事先并不知道RFC2549文档的大小是17833字节，我们也并不关心这个具体的数值是多少（这个HTML文档的大小也可能会发生变化，我们并不知道）；我们只想测试get_rfc_content_length()能否根据HTTP response headers的内容正确地返回Content-Length，因此，我们可以把urlopen()返回的Content-Length强制地手动篡改为一个我们设定的固定数值（比如1024），然后去测试这个人为给定的返回值。借助于Monkey Patch手段，我们的第一直觉是可以这么做：让我们自己Monkey Patch的urlopen()首先去调用标准库的urlopen()实现，修改其response headers中的Content-Length后再返回这个经“篡改”后的response。

def test_1_wrong(self):

   def fake_urlopen(*args, **kwargs):
       response = request.urlopen(*args, **kwargs)
       response.headers.replace_header('Content-Length', '1024')
       return response

   request.urlopen = fake_urlopen

   assert get_rfc_content_length(2549) == 1024

按照我们从静态函数式语言（诸如ML）中培养出来的直觉，函数fake_urlopen()定义中出现的request.urlopen应该首先是同标准库的实现绑定，相当于闭包中的“环境”部分；在fake_urlopen()的定义结束之后，才发生了对request.urlopen的修改。

不过，在Python这样的动态语言中显然并不是这样。对request.urlopen的热修补同时也修改了上下文中对该方法的引用，所以这实际上形成了一个导致解释器出错的无限递归结构：

RuntimeError: maximum recursion depth exceeded 

在Python中，为了正确地调用标准库的request.urlopen，需要一个简单的workaround，即将其值预先赋予另一个变量，这样在后文就可以保证能够正确地调用对原函数的引用，而不受任何后期Monkey Patch动态运行时修改的影响：

def test_1(self):
   real_urlopen = request.urlopen

   def fake_urlopen(*args, **kwargs):
       response = real_urlopen(*args, **kwargs)
       response.headers.replace_header('Content-Length', '1024')
       return response

   request.urlopen = fake_urlopen

   assert get_rfc_content_length(2549) == 1024

3) Monkey Unpatch

在保留以上test_1用例的前提下，如果我们想要测试get_rfc_content_length()在正常情况下（urlopen()返回的response headers未经篡改）能否正常工作，回到最初这条测试用例：

def test_0(self): assert get_rfc_content_length(2549) == 17833 

两条测试用例均可通过：

..
----------------------------------------------------------------------
Ran 2 tests in 0.592s

OK 

然而，如果把最初的测试用例换一个函数名称：

def test_2(self): assert get_rfc_content_length(2549) == 17833 

就会发现该测试神奇般地失败了：

.F
======================================================================
FAIL: test_2 (tests.test.YouGetTests)
----------------------------------------------------------------------
Traceback (most recent call last):
  File "/home/soimort/Projects/you-get/tests/test.py", line 91, in test_2
    assert get_rfc_content_length(2549) == 17833
AssertionError

----------------------------------------------------------------------
Ran 2 tests in 0.654s

FAILED (failures=1)
make: *** [test] Error 1 

事实上，这就是Python的Monkey Patch最大的陷阱所在：如果你忘记了恢复被修补的模块方法的原有行为，那么直到程序执行的生命周期结束，它将一直保留这个被修补的方法。原因在于Python解释器为了保证执行的高效，所有在程序中出现的模块默认只载入一次，也就是说，即使你在别处再次声明了：

from urllib import request, error 

Python也不会去尝试重新从标准库载入原来的（Monkey Patch之前的）代码。

因为Python的unittest执行是按照用例函数名称的ASCII先后顺序的（而不是通常如我们所想的那样按照定义顺序），这导致了如果你使用test_0作为测试用例名称，那么它的执行在test_1的Monkey Patch之前，会调用标准的urlopen()；如果你使用test_2作为测试用例名称，那么它的执行将在test_1的Monkey Patch之后，调用的将是Monkey Patched的urlopen()。

所以说，如果让Monkey Patch的修补行为一直持续到程序执行结束并非我们本意的话，唯一良好的风格就是在使用完Monkey Patch之后立即恢复它原本的行为（即所谓的Monkey Unpatch）：

def test_1(self):
   real_urlopen = request.urlopen

   def fake_urlopen(*args, **kwargs):
       response = real_urlopen(*args, **kwargs)
       response.headers.replace_header('Content-Length', '1024')
       return response

   request.urlopen = fake_urlopen

   assert get_rfc_content_length(2549) == 1024

   request.urlopen = real_urlopen

总结

• Monkey Patch运行时代码修补的作用域不是当前代码段或当前模块，而是从修补发生以后直到程序生命期结束的全局范围。虽然使用同样的=操作符，但这与Python中对象的传递有着本质上的不同。

• 你可以在修补之后选择不恢复原代码（不做Monkey Unpatch）。问题是，怎样知道这样做是否你的本意？对于其他模块开发者来说，这破坏了原函数方法的预期行为。

• 所以，良好的风格是牢记在每次Monkey Patch之后，恢复原代码的初始行为（总是做Monkey Unpatch）。就像在C中使用指针前牢记要先初始化，在C++中使用完对象之后牢记要回收内存，这些需要程序员“牢记”的部分，实际上都是程序设计中容易导致开发低效和易出错的pitfalls。

• 从整体上来看，Python的核心开发者是一贯抵制Monkey Patch这种手段的。（“Dirty workaround”）

• 个人看法，Monkey Patch和全局变量、goto语句一样，总有一天会被证明是“有用而无益”的程序设计实践。（尽管它们有时确实能够在小处提供一些方便，正如本文中所描述的这个简单的例子那样）