更复杂情况下Python泛型的类型提示

Question

假设我有一个叫做 Number 的类：

from typing import TypeVar, Generic

T = TypeVar('T')

class Number(Generic[T]):
    value: T

这里的 T 是一个类型变量，可以是 int（整数）、float（浮点数）、Decimal（小数）、Fraction（分数）等等。

现在我想定义一些方法，比如 __add__。简单来说，我们可以设置参数和返回值的类型都和输入值一样，比如：

class Number(Generic[T]):
    value: T
    def __add__(self, other: T) -> T: ...

但是，当我们尝试像 int + float 这样的操作时，它们是可以相加的，但上面的类型提示就不管用了。

问题是：类型提示系统怎么才能获取到 T 的信息，告诉我们只有某些类型（而不仅仅是 T，甚至 T 可能都不行）可以和类型 T 一起操作，比如：

class Number(Generic[T]):
    value: T
    def __add__(self, other: T_addable) -> T_addition_result: ...

我尝试过使用 Protocol、covariant（协变）、contravariant（逆变）

from typing import TypeVar, Protocol, runtime_checkable

T = TypeVar("T")
T_co = TypeVar("T_co", covariant=True)
T_contra = TypeVar("T_contra", contravariant=True)

@runtime_checkable
class SupportsAdd(Protocol[T_contra, T_co]):
    __slots__ = ()
    def __add__(self, x: T_contra) -> T_co: ...

但这无法从 T 中确定出 T_contra 和 T_co。通常这只能用作 SupportsAdd[Any, Any]，这并没有帮助。

Answer 1

第一个问题是，T 是未绑定的。它可以是任何东西，比如你可以构造一个 Number[str] 或者 Number[list[set[int]] | dict[tuple[int, int], str]]。

有两种（如果算上像 AnyStr 这样的约束类型变量，那就是三种）方法来限制它：

1. 把类型变量绑定到最具体的超类型。可惜的是，所有数字类型的超类型 numbers.Number 并不被 mypy 支持。
2. 利用协议，就像你已经做的那样。

这是我开始的地方：

T = TypeVar('T')

class SupportsAdd(Protocol[T]):
    def __add__(self, other: T) -> T: ...

class Number(Generic[T]):
    value: SupportsAdd[T]
    def __init__(self, value: SupportsAdd[T]) -> None:
        self.value = value
    def __add__(self, other: T) -> T:
        return self.value + other

现在，这几乎能工作，但我需要明确地标注 T：

n = Number[float](3)

reveal_type(n + 1.0) # float

...而且它并不总是给出想要的结果：

reveal_type(n + 1) # float, runtime type: int

好吧，也许我们可以把 T 分成一个协变部分和一个反变部分，就像你写的那样。但这对我来说并没有奏效。我想到的其他方法也没有成功。

这时我决定退一步思考。这里复杂的根源是什么呢？

关于数字类型的事情是，它们在像 mypy 这样的工具中是特殊处理的。

像 __add__ 这样的操作符只被标注为 (Self, Self) -> Self，而混合使用数字类型的能力是通过一些规则来实现的，比如“int 可以赋值给 float”，“float 可以赋值给 complex”，等等。所以如果你执行 3 + 4.2，mypy 会把它看作是 3 被赋值为一个 float，然后进行 float + float 的运算，而不是 int + float。

所以问题在于你的 Number 类没有被特殊处理：你不能让 Number[int] 一般情况下可以赋值给 Number[float]。基本上，你无法构造一个类定义，使得对于一个实例 n，assert_type(n + 1.0, float) 和 assert_type(n + 1, int) 都能通过。

我希望我错了，但我看不出有什么解决办法。