1. 类变量与实例变量的基本概念
1.1 定义与区别
在面向对象编程中，类变量和实例变量承担不同的存储与访问职责。类变量属于类对象本身，由所有实例共享，而实例变量属于具体对象的属性，是每个实例独有的。这种差异直接决定了它们在内存中的分布、绑定方式以及查找路径。
简单记忆法：如果你需要“某个值在所有对象之间保持一致”，倾向使用类变量；如果你需要“每个对象有不同的值”，就使用实例变量。下面的代码示例帮助你直观理解。
class Sensor:
# 类变量：所有 Sensor 实例共享
device_count = 0
def __init__(self, id):
self.id = id # 实例变量：每个实例独有
Sensor.device_count += 1
1.2 访问方式与绑定机制
对类变量的访问通常通过类名进行，也可以通过实例访问，但这样做可能导致混淆，因为实例名在赋值时会创建一个同名的实例变量隐藏同名的类变量。对实例变量的访问总是先在实例的字典中搜索，若不存在则沿着类链向上搜索。
为避免意外覆盖，推荐的做法是在需要修改类变量时，通过类名进行赋值。
class Item:
default_price = 9.99
# 通过类名访问
print(Item.default_price) # 9.99
# 通过实例访问（读取）
i = Item()
print(i.default_price) # 9.99
# 通过实例修改，会创建同名的实例变量，隐藏类变量
i.default_price = 12.5
print(i.default_price) # 12.5 (实例变量）
print(Item.default_price) # 9.99 (类变量未改动)
2. 原理解析：内存模型与绑定机制
2.1 存储位置：class dict 与 instance dict
在大多数面向对象语言中，类变量保存在类对象的字典中（class dict），而实例变量保存在实例对象的字典中（instance dict）。这使得同一类的多个实例可以通过不同的实例字典来存储各自的状态。
通过理解 Python 的对象模型，你可以清楚地看到：类字典保存了类级别的属性，而实例的字典保存了针对该实例的属性值。
2.2 属性查找顺序与绑定
属性查找遵循一个确定的路径：先在实例的字典中查找，若未找到则在类的字典中查找，若仍未找到就沿着父类链继续查找。这一机制决定了为什么一个类变量在未被实例覆盖时，实例也可以访问到同一值。
下面的简化示意可以帮助理解查找流程。
class A:
shared = 1
def __init__(self):
self.x = 2
a = A()
print(a.x) # 2，实例字典中
print(a.shared) # 1，先在实例找不到，再在类字典中找到
A.shared = 42
print(a.shared) # 42，类变量更新后，未覆盖时实例也看到新值
# 覆盖的效果：为 a 设置同名实例属性会遮蔽类变量
a.shared = 99
print(a.shared) # 99，来自实例字典
print(A.shared) # 42
3. 实践中的使用场景与模式
3.1 使用场景：计数器、常量与默认配置
计数器模式使用类变量来统计同类对象的创建数量，确保跨实例共享一个统计值；常量与默认配置使用类变量存放对所有实例都一致的参数，方便统一修改。
当你需要一个全局配置或全局计数时，优先考虑类变量；如果该值需要在某个实例上独立变更，应使用实例变量。
class Connection:
_connections = 0 # 类变量，用于统计连接总数
DEFAULT_TIMEOUT = 30 # 类常量
def __init__(self):
self.timeout = Connection.DEFAULT_TIMEOUT
Connection._connections += 1
print(Connection._connections) # 1
c1 = Connection()
print(Connection._connections) # 2
3.2 覆盖与注意事项：何时用实例变量覆盖类变量
如果你在实例上赋值一个与类变量同名的属性，就会创建一个新的实例属性，遮蔽掉原有的类变量，这会导致同一个类的其他实例看到不同的值。
慎用赋值覆盖，除非你确实需要让某个实例独立拥有不同的属性值。
class Config:
DEFAULT_TIMEOUT = 20
def __init__(self, timeout=None):
# 仅当传入 timeout 时，才覆盖实例属性
self.timeout = timeout if timeout is not None else Config.DEFAULT_TIMEOUT
cfg_a = Config()
cfg_b = Config(60)
print(cfg_a.timeout) # 20
print(cfg_b.timeout) # 60
# 如果错误地给实例直接赋值同名属性，会遮蔽类变量
cfg_a.DEFAULT_TIMEOUT = 40
print(cfg_a.DEFAULT_TIMEOUT) # 40 (实例属性)
print(Config.DEFAULT_TIMEOUT) # 20 (类变量未改动)
4. 进阶对比：多态、继承与类变量的边界
4.1 继承中的变量查找：父类与子类之间的关系
在继承体系中，子类可以覆盖父类的类变量，通过在子类中定义同名变量实现行为定制；但请注意，若在子类实例上覆盖了属性，会影响该实例的查找结果。
下面的示例展示了继承对类变量的影响。
class Parent:
value = 'parent'
class Child(Parent):
value = 'child'
print(Parent.value) # parent
print(Child.value) # child
p = Parent()
c = Child()
print(p.value) # parent
print(c.value) # child
# 修改父类类变量对子类的影响
Parent.value = 'new_parent'
print(p.value) # new_parent
print(c.value) # child (子类保持自己的类变量值)
4.2 线程安全与并发场景下的变量设计
在多线程环境下，对类变量的修改需要注意同步问题，否则可能引发竞态条件。通常做法包括使用锁、原子操作或将共享状态封装为不可变对象。
如果共享状态只需要只读，或者只有实例级的状态会被修改，尽量减少对全局类变量的写操作。
