python基础知识（27）元类 2

 

三、什么是元类

通过上面的介绍，终于模模糊糊的带到元类这里来了。可是我们到现在还不知道元类是什么鬼东西。

我们创建类的时候，大多数是为了创建类的实例对象。

那么元类呢？

元类就是用来创建类的。也可以换个理解方式就是：元类就是类的类。

通过上面 type() 函数的介绍，我们知道可以通过 type() 函数创建类：

MyClass = type('MyClass', (), {})

实际上 type() 函数是一个元类。

type() 就是 Python 在背后用来创建所有类的元类。

那么现在我们也可以猜到一下为什么 type() 函数是 type 而不是 Type呢？

这可能是为了和 str 保持一致性，str 是用来创建字符串对象的类，而 int 是用来创建整数对象的类。

type 就是创建类对象的类。

你可以通过检查 __class__ 属性来看到这一点。

Python 中所有的东西，注意喔，这里是说所有的东西，他们都是对象。

这包括整数、字符串、函数以及类。它们全部都是对象，而且它们都是从一个类创建而来。

# 整形
age = 23
print(age.__class__)
# 字符串
name = '两点水'
print(name.__class__)


# 函数
def fu():
    pass


print(fu.__class__)


# 实例
class eat(object):
    pass


mEat = eat()

print(mEat.__class__)

输出的结果如下：

<class 'int'>
<class 'str'>
<class 'function'>
<class '__main__.eat'>

可以看到，上面的所有东西，也就是所有对象都是通过类来创建的，那么我们可能会好奇，__class__ 的 __class__ 会是什么呢？

换个说法就是，创建这些类的类是什么呢？

我们可以继续在上面的代码基础上新增下面的代码：

print(age.__class__.__class__)
print(name.__class__.__class__)
print(fu.__class__.__class__)
print(mEat.__class__.__class__)

输出的结果如下：

<class 'type'>
<class 'type'>
<class 'type'>
<class 'type'>

认真观察，再理清一下，上面输出的结果是我们把整形 age ,字符创 name ,函数 fu 和对象实例 mEat 里 __class__ 的 __class__ 打印出来的结果。

也可以说是他们类的类打印结果。发现打印出来的 class 都是 type 。

一开始也提到了，元类就是类的类。

也就是元类就是负责创建类的一种东西。

你也可以理解为，元类就是负责生成类的。

而 type 就是内建的元类。也就是 Python 自带的元类。

 

四、自定义元类

到现在，我们已经知道元类是什么鬼东西了。

那么，从始至终我们还不知道元类到底有啥用。

只是了解了一下元类。

在了解它有啥用的时候，我们先来了解下怎么自定义元类。

因为只有了解了怎么自定义才能更好的理解它的作用。

首先我们来了解下 __metaclass__ 属性

metaclass，直译为元类，简单的解释就是：

当我们定义了类以后，就可以根据这个类创建出实例，所以：先定义类，然后创建实例。

但是如果我们想创建出类呢？

那就必须根据metaclass创建出类，所以：先定义metaclass，然后创建类。

连接起来就是：先定义metaclass，就可以创建类，最后创建实例。

所以，metaclass 允许你创建类或者修改类。

换句话说，你可以把类看成是 metaclass 创建出来的“实例”。

class MyObject(object):
    __metaclass__ = something…
[…]

如果是这样写的话，Python 就会用元类来创建类 MyObject。

当你写下 class MyObject(object)，但是类对象 MyObject 还没有在内存中创建。P

ython 会在类的定义中寻找 __metaclass__ 属性，如果找到了，Python 就会用它来创建类 MyObject，如果没有找到，就会用内建的 type 函数来创建这个类。如果还不怎么理解，看下下面的流程图：

​编辑

再举个实例：

class Foo(Bar):
    pass

它的判断流程是怎样的呢？

首先判断 Foo 中是否有 __metaclass__ 这个属性？如果有，Python 会在内存中通过 __metaclass__ 创建一个名字为 Foo 的类对象（注意，这里是类对象）。如果 Python 没有找到__metaclass__ ，它会继续在 Bar（父类）中寻找__metaclass__ 属性，并尝试做和前面同样的操作。如果 Python在任何父类中都找不到 __metaclass__ ，它就会在模块层次中去寻找 __metaclass__ ，并尝试做同样的操作。如果还是找不到  __metaclass__ ,Python 就会用内置的 type 来创建这个类对象。

其实 __metaclass__ 就是定义了 class 的行为。类似于 class 定义了 instance 的行为，metaclass 则定义了 class 的行为。可以说，class 是 metaclass 的 instance。

现在，我们基本了解了 __metaclass__ 属性，但是，也没讲过如何使用这个属性，或者说这个属性可以放些什么？

答案就是：可以创建一个类的东西。那么什么可以用来创建一个类呢？type，或者任何使用到 type 或者子类化 type 的东东都可以。

元类的主要目的就是为了当创建类时能够自动地改变类。

通常，你会为API 做这样的事情，你希望可以创建符合当前上下文的类。假想一个很傻的例子，你决定在你的模块里所有的类的属性都应该是大写形式。有好几种方法可以办到，但其中一种就是通过在模块级别设定__metaclass__ 。采用这种方法，这个模块中的所有类都会通过这个元类来创建，我们只需要告诉元类把所有的属性都改成大写形式就万事大吉了。

幸运的是，__metaclass__ 实际上可以被任意调用，它并不需要是一个正式的类。所以，我们这里就先以一个简单的函数作为例子开始。

# 元类会自动将你通常传给‘type’的参数作为自己的参数传入
def upper_attr(future_class_name, future_class_parents, future_class_attr):
    '''返回一个类对象，将属性都转为大写形式'''
    #  选择所有不以'__'开头的属性
    attrs = ((name, value) for name, value in future_class_attr.items() if not name.startswith('__'))

# 将它们转为大写形式
uppercase_attr = dict((name.upper(), value) for name, value in attrs)
 
# 通过'type'来做类对象的创建
return type(future_class_name, future_class_parents, uppercase_attr)
 
__metaclass__ = upper_attr  
#  这会作用到这个模块中的所有类
 
class Foo(object):
    # 我们也可以只在这里定义__metaclass__，这样就只会作用于这个类中
    bar = 'bip'

print hasattr(Foo, 'bar')
# 输出: False
print hasattr(Foo, 'BAR')
# 输出:True
 
f = Foo()
print f.BAR
# 输出:'bip'

用 class 当做元类的做法：

# 请记住，'type'实际上是一个类，就像'str'和'int'一样
# 所以，你可以从type继承
class UpperAttrMetaClass(type):
    # __new__ 是在__init__之前被调用的特殊方法
    # __new__是用来创建对象并返回之的方法
    # 而__init__只是用来将传入的参数初始化给对象
    # 你很少用到__new__，除非你希望能够控制对象的创建
    # 这里，创建的对象是类，我们希望能够自定义它，所以我们这里改写__new__
    # 如果你希望的话，你也可以在__init__中做些事情
    # 还有一些高级的用法会涉及到改写__call__特殊方法，但是我们这里不用
    def __new__(upperattr_metaclass, future_class_name, future_class_parents, future_class_attr):
        attrs = ((name, value) for name, value in future_class_attr.items() if not name.startswith('__'))
        uppercase_attr = dict((name.upper(), value) for name, value in attrs)
        return type(future_class_name, future_class_parents, uppercase_attr)

但是，这种方式其实不是 OOP。我们直接调用了 type，而且我们没有改写父类的 __new__ 方法。现在让我们这样去处理:

class UpperAttrMetaclass(type):
    def __new__(upperattr_metaclass, future_class_name, future_class_parents, future_class_attr):
        attrs = ((name, value) for name, value in future_class_attr.items() if not name.startswith('__'))
        uppercase_attr = dict((name.upper(), value) for name, value in attrs)
 
        # 复用type.__new__方法
        # 这就是基本的OOP编程，没什么魔法
        return type.__new__(upperattr_metaclass, future_class_name, future_class_parents, uppercase_attr)

你可能已经注意到了有个额外的参数 upperattr_metaclass ，这并没有什么特别的。类方法的第一个参数总是表示当前的实例，就像在普通的类方法中的 self 参数一样。当然了，为了清晰起见，这里的名字我起的比较长。但是就像 self 一样，所有的参数都有它们的传统名称。因此，在真实的产品代码中一个元类应该是像这样的：

class UpperAttrMetaclass(type):
    def __new__(cls, name, bases, dct):
        attrs = ((name, value) for name, value in dct.items() if not name.startswith('__')
        uppercase_attr  = dict((name.upper(), value) for name, value in attrs)
        return type.__new__(cls, name, bases, uppercase_attr)

如果使用 super 方法的话，我们还可以使它变得更清晰一些，这会缓解继承（是的，你可以拥有元类，从元类继承，从 type 继承）

class UpperAttrMetaclass(type):
    def __new__(cls, name, bases, dct):
        attrs = ((name, value) for name, value in dct.items() if not name.startswith('__'))
        uppercase_attr = dict((name.upper(), value) for name, value in attrs)
        return super(UpperAttrMetaclass, cls).__new__(cls, name, bases, uppercase_attr)

通常我们都会使用元类去做一些晦涩的事情，依赖于自省，控制继承等等。确实，用元类来搞些“黑暗魔法”是特别有用的，因而会搞出些复杂的东西来。但就元类本身而言，它们其实是很简单的：

• 拦截类的创建
• 修改类
• 返回修改之后的类

 

五、使用元类

终于到了使用元类了，可是一般来说，我们根本就用不上它，就像Python 界的领袖 Tim Peters 说的：

元类就是深度的魔法，99% 的用户应该根本不必为此操心。如果你想搞清楚究竟是否需要用到元类，那么你就不需要它。那些实际用到元类的人都非常清楚地知道他们需要做什么，而且根本不需要解释为什么要用元类。

元类的主要用途是创建 API。一个典型的例子是 Django ORM。它允许你像这样定义：

class Person(models.Model):
    name = models.CharField(max_length=30)
    age = models.IntegerField()

但是如果你这样做的话：

guy  = Person(name='bob', age='35')
print guy.age

这并不会返回一个 IntegerField 对象，而是会返回一个 int，甚至可以直接从数据库中取出数据。

这是有可能的，因为 models.Model 定义了 __metaclass__ ， 并且使用了一些魔法能够将你刚刚定义的简单的Person类转变成对数据库的一个复杂 hook。

Django 框架将这些看起来很复杂的东西通过暴露出一个简单的使用元类的 API 将其化简，通过这个 API 重新创建代码，在背后完成真正的工作。

Python 中的一切都是对象，它们要么是类的实例，要么是元类的实例，除了 type。type 实际上是它自己的元类，在纯 Python 环境中这可不是你能够做到的，这是通过在实现层面耍一些小手段做到的。

参考：

oop - What are metaclasses in Python? - Stack Overflow