Python基础：元类

时间：2020-12-09 01:44:38

一、概述

Python虽然是多范式的编程语言，但它的数据模型却是 纯面向对象 的。与那些仅在语法层面声称纯OO的编程语言（如Java）相比，Python的这种纯粹性更加深入骨髓。

在Python的世界里，一切皆为对象：数值、序列、字典、函数、模块、文件、类、类实例 等等，无一例外（参考 Data model）。其中，“类也是对象” 的概念最让人匪夷所思，这完全超越了传统的OO思想。

元类（metaclass）是Python 2.2中引入的概念，利用元类可以 定制类的创建行为（Customizing class creation）。“元类” 的概念同样让人难以理解，然而理解 “元类” 是理解 “类也是对象” 的关键。

二、经典阐述

对于元类的理解，目前为止，最经典的阐述莫过于Stack Overflow上面的这篇帖子 What is a metaclass in Python?，e-satis 神一般的回复让人醍醐灌顶，看完后基本就了然于胸了。

如果觉得看英文比较吃力，这里有一篇中文译版 深刻理解Python中的元类(metaclass)（注：英文原版最近有更新，但核心内容不变）。

三、核心总结

1、类的创建过程

对于类定义：

class Foo(Base):

    def say(self):

        print 'hello'

Python解释器 执行class语句 时，处理步骤如下：

  1. 确定元类mcls。元类的查找优先级为：

    • 首先查找 类Foo 是否拥有属性__metaclass__
    • 否则查找 类Foo的父类 是否具有属性__metaclass__
    • 否则查找 类Foo所在模块 是否具有全局变量__metaclass__
    • 否则使用默认元类（经典类：types.ClassType；新式类：type）

  2. 使用元类mcls创建类Foo。创建语意等价于：

    def say(self):
    
    print 'hello'

# 元类的参数：mcls(name, bases, dict)
    
Foo = mcls('Foo', (Base,), {'say': say})

  3. 创建成功后，类Foo 是 元类mcls 的 实例。

综上：创建类 其实是一种更高级别的 实例化过程，本质上与 创建类实例 相似。

实例化过程 类 实例 语意形式
创建类Foo 元类mcls 类Foo class Foo: pass <=> Foo = mcls('Foo', (), {})
创建类实例foo 类Foo 类实例foo foo = Foo()

2、元类的使用惯例

原则上，元类可以是：任何接受参数 name, bases, dict 并返回 类 的 可调用对象（参考 metaclass）。

例如元类可以是 函数：

def metacls_func(name, bases, dict):

    # do customizing here

    return type(name, bases, dict)

根据最佳实践指导，更好的习惯是使用 类 作为元类，典型风格如下：

class MetaCls(type):

    def __new__(cls, name, bases, dict):

        # do customizing here

        return super(MetaCls, cls).__new__(cls, name, bases, dict)

注意：

  • 元类可以继承自另一个元类，也可以使用其他元类
  • 除了常用的__new__，还可以借助__init__和__call__来定制被创建的类

四、简单案例

1、默认行为

1）经典类（Classic classes）

类Old的三种等价定义：

class Old: pass

class Old:

    __metaclass__ = types.ClassType

Old = types.ClassType('Old', (), {})

类Old是元类types.ClassType的实例：

>>> isinstance(Old, types.ClassType)

True

2）新式类（New-style classes）

类New的三种等价定义：

class New(object): pass

class New:

    __metaclass__ = type

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

类New是元类type的实例：

>>> isinstance(New, type)

True

2、使用元类

为所有类打上作者标签：

class AuthorTag(type):

    def __new__(cls, name, bases, dict):

        dict['__author__'] = 'RussellLuo'

        return super(AuthorTag, cls).__new__(cls, name, bases, dict)

class MyBlog:

    __metaclass__ = AuthorTag

class MyGitHub:

    __metaclass__ = AuthorTag

现在，类MyBlog和类MyGitHub都免费获得了作者签名：

>>> MyBlog.__author__

'RussellLuo'

>>> MyGitHub.__author__

'RussellLuo'

五、实践为王

请记住上面的简单案例，如果您想从本文中获得对Python元类仅有的一点印象。纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行，开始吧。

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