探寻Python类的鼻祖——元类

左手的ㄟ右手 2022-10-21 14:56 178阅读 0赞

## Python中万物皆对象 ##

> Python是一门面向对象的语言，所以Python中数字、字符串、列表、集合、字典、函数、类等都是对象。

利用 `type()` 来查看Python中的各对象类型

In [11]: # 数字
    
    In [12]: type(10)
    Out[12]: int
    
    In [13]: type(3.1415926)
    Out[13]: float
    
    In [14]: # 字符串
    
    In [15]: type('a')
    Out[15]: str
    
    In [16]: type("abc")
    Out[16]: str
    
    In [17]: # 列表
    
    In [18]: type(list)
    Out[18]: type
    
    In [19]: type([])
    Out[19]: list
    
    In [20]: # 集合
    
    In [21]: type(set)
    Out[21]: type
    
    In [22]: my_set = { 1, 2, 3}
    
    In [23]: type(my_set)
    Out[23]: set
    
    In [24]: # 字典
    
    In [25]: type(dict)
    Out[25]: type
    
    In [26]: my_dict = { 'name': 'hui'}
    
    In [27]: type(my_dict)
    Out[27]: dict
    
    In [28]: # 函数
    
    In [29]: def func():
        ...:     pass
        ...:
    
    In [30]: type(func)
    Out[30]: function
    
    In [31]: # 类
    
    In [32]: class Foo(object):
        ...:     pass
        ...:
    
    In [33]: type(Foo)
    Out[33]: type
    
    In [34]: f = Foo()
    
    In [35]: type(f)
    Out[35]: __main__.Foo
    
    In [36]: # type
    
    In [37]: type(type)
    Out[37]: type

可以看出

*  数字 `1` 是 **int类型** 的对象
 *  字符串 `abc` 是 **str类型** 的对象
 *  列表、集合、字典是 **type类型** 的对象，其创建出来的对象才分别属于 `list、set、dict` 类型
 *  函数 `func` 是 **function类型** 的对象
 *  自定义类 `Foo` 创建出来的对象 `f` 是 `Foo` 类型，其类本身 `Foo` 则是 **type类型** 的对象。
 *  **连 `type` 本身都是type类型的对象**

## 1. 类也是对象 ##

> 类就是拥有相等功能和相同的属性的对象的集合

在大多数编程语言中，**类就是一组用来描述如何生成一个对象的代码段**。在 Python 中这一点仍然成立：

In [1]: class ObjectCreator(object):
       ...:     pass
       ...:
    
    In [2]: my_object = ObjectCreator()
    
    In [3]: print(my_object)
    <__main__.ObjectCreator object at 0x0000021257B5A248>

但是，Python中的类还远不止如此。**类同样也是一种对象**。是的，没错，就是对象。只要你 **使用关键字 `class`，Python解释器在执行的时候就会创建一个对象**。

下面的代码段：

>>> class ObjectCreator(object):
    …       pass
    …

将在内存中创建一个对象，名字就是 `ObjectCreator`。这个 **对象（类对象ObjectCreator）拥有创建对象（实例对象）的能力**。但是，它的本质仍然是一个对象，于是乎你可以对它做如下的操作：

1.  你可以将它赋值给一个变量
2.  你可以拷贝它
3.  你可以为它增加属性
4.  你可以将它作为函数参数进行传递

如下示例：

In [39]: class ObjectCreator(object):
        ...:     pass
        ...:
    
    In [40]: print(ObjectCreator)
    <class '__main__.ObjectCreator'>
    
    In [41]:# 当作参数传递
    
    In [41]: def out(obj):
        ...:     print(obj)
        ...:
    
    In [42]: out(ObjectCreator)
    <class '__main__.ObjectCreator'>
    
    In [43]: # hasattr 判断一个类是否有某种属性
    
    In [44]: hasattr(ObjectCreator, 'name')
    Out[44]: False
    
    In [45]: # 新增类属性
    
    In [46]: ObjectCreator.name = 'hui'
    
    In [47]: hasattr(ObjectCreator, 'name')
    Out[47]: True
    
    In [48]: ObjectCreator.name
    Out[48]: 'hui'
    
    In [49]: # 将类赋值给变量
    
    In [50]: obj = ObjectCreator
    
    In [51]: obj()
    Out[51]: <__main__.ObjectCreator at 0x212596a7248>
    
    In [52]:

## 2. 动态地创建类 ##

因为类也是对象，你可以在运行时动态的创建它们，就像其他任何对象一样。首先，你可以在函数中创建类，使用 `class` 关键字即可。

def cls_factory(cls_name):
        """ 创建类工厂 :param: cls_name 创建类的名称 """
        if cls_name == 'Foo':
            class Foo():
                pass
            return Foo  # 返回的是类，不是类的实例
    
        elif cls_name == 'Bar':
            class Bar():
                pass
            return Bar

**IPython 测验**

MyClass = cls_factory('Foo')
    
    In [60]: MyClass
    Out[60]: __main__.cls_factory.<locals>.Foo # 函数返回的是类，不是类的实例
    
    In [61]: MyClass()
    Out[61]: <__main__.cls_factory.<locals>.Foo at 0x21258b1a9c8>

但这还不够动态，因为你仍然需要自己编写整个类的代码。由于类也是对象，所以它们必须是通过什么东西来生成的才对。

当你使用class关键字时，Python解释器自动创建这个对象。但就和Python中的大多数事情一样，Python仍然提供给你手动处理的方法。

## 3. 使用 type 创建类 ##

type 还有一种完全不同的功能，动态的创建类。

type可以接受一个类的描述作为参数，然后返回一个类。（要知道，根据传入参数的不同，同一个函数拥有两种完全不同的用法是一件很傻的事情，但这在Python中是为了保持向后兼容性）

type 可以像这样工作：

type(类名, 由父类名称组成的元组（针对继承的情况，可以为空），包含属性的字典（名称和值）)

比如下面的代码：

In [63]: class Test:
        ...:     pass
        ...:
    
    In [64]: Test()
    Out[64]: <__main__.Test at 0x21258b34048>
    
    In [65]:

可以手动像这样创建：

In [69]:# 使用type定义类
    
    In [69]: Test2 = type('Test2', (), { })
    
    In [70]: Test2()
    Out[70]: <__main__.Test2 at 0x21259665808>

我们使用 `Test2` 作为类名，并且也可以把它当做一个变量来作为类的引用。类和变量是不同的，这里没有任何理由把事情弄的复杂。即 type函数 中第1个实参，也可以叫做其他的名字，这个名字表示类的名字

In [71]: UserCls = type('User', (), { })
    
    In [72]: print(UserCls)
    <class '__main__.User'>
    
    In [73]:

使用 `help` 来测试这2个类

In [74]: # 用 help 查看 Test类
    
    In [75]: help(Test)
    Help on class Test in module __main__:
    
    class Test(builtins.object)
     |  Data descriptors defined here:
     |
     |  __dict__
     |      dictionary for instance variables (if defined)
     |
     |  __weakref__
     |      list of weak references to the object (if defined)
    
    
    In [76]: # 用 help 查看 Test2类
    
    In [77]: help(Test2)
    Help on class Test2 in module __main__:
    
    class Test2(builtins.object)
     |  Data descriptors defined here:
     |
     |  __dict__
     |      dictionary for instance variables (if defined)
     |
     |  __weakref__
     |      list of weak references to the object (if defined)
    
    
    In [78]:

## 4. 使用type创建带有属性的类 ##

type 接受一个字典来为类定义属性，因此

Parent = type('Parent', (), { 'name': 'hui'})

可以翻译为：

class Parent(object):
    	name = 'hui'

并且可以将 `Parent` 当成一个普通的类一样使用：

In [79]: Parent = type('Parent', (), { 'name': 'hui'})
    
    In [80]: print(Parent)
    <class '__main__.Parent'>
    
    In [81]: Parent.name
    Out[81]: 'hui'
    
    In [82]: p = Parent()
    
    In [83]: p.name
    Out[83]: 'hui'

当然，你可以继承这个类，代码如下：

class Child1(Parent):
        name = 'jack'
        sex =  '男'
        
    class Child2(Parent):
        name = 'mary'
        sex = '女'

就可以写成：

Child1 = type('Child1', (Parent, ), { 'name': 'jack', 'sex': '男'})
    
    In [85]: Child2 = type('Child2', (Parent, ), { 'name': 'mary', 'sex': '女'})
    
    In [87]: Child1.name, Child1.sex
    Out[87]: ('jack', '男')
    
    In [88]: Child2.name, Child2.sex
    Out[88]: ('mary', '女')

**注意：**

*  type 的第2个参数，**元组中是父类的名字，而不是字符串**
 *  添加的属性是 **类属性**，并不是实例属性

## 5. 使用type创建带有方法的类 ##

最终你会希望为你的类增加方法。只需要定义一个有着恰当签名的函数并将其作为属性赋值就可以了。

### 添加实例方法 ###

In [89]: Parent = type('Parent', (), { 'name': 'hui'})
    
    In [90]: # 定义函数
    
    In [91]: def get_name(self):
        ...:     return self.name
        ...:
    
    In [92]: Child3 = type('Child3', (Parent, ), { 'name': 'blob', 'get_name': get_name})
    
    In [93]: c3 = Child3()
    
    In [94]: c3.name
    Out[94]: 'blob'
    
    In [95]: c3.get_name()
    Out[95]: 'blob'

### 添加静态方法 ###

In [96]: Parent = type('Parent', (), { 'name': 'hui'})
    
    In [97]: # 定义静态方法
        
    In [98]: @staticmethod
        ...: def test_static():
        ...:     print('static method called...')
        ...:
    
    In [100]: Child4 = type('Child4', (Parent, ), { 'name': 'zhangsan', 'test_static': test_static})
    
    In [101]: c4 = Child4()
    
    In [102]: c4.test_static()
    static method called...
    
    In [103]: Child4.test_static()
    static method called...

### 添加类方法 ###

In [105]: Parent = type('Parent', (), { 'name': 'hui'})
    
    In [106]: # 定义类方法
    
    In [107]: @classmethod
         ...: def test_class(cls):
         ...:     print(cls.name)
         ...:
    
    In [108]: Child5 = type('Child5', (Parent, ), { 'name': 'lisi', 'test_class': test_class})
    
    In [109]: c5 = Child5()
    
    In [110]: c5.test_class()
    lisi
    
    In [111]: Child5.test_class()
    lisi

你可以看到，在Python中，类也是对象，你可以动态的创建类。这就是**当你使用关键字 `class` 时 `Python` 在幕后做的事情，就是通过元类来实现的**。

较为完整的使用 type 创建类的方式:

class Animal(object):
        
        def eat(self):
            print('吃东西')
    
    
    def dog_eat(self):
        print('喜欢吃骨头')
    
    def cat_eat(self):
        print('喜欢吃鱼')
    
    
    Dog = type('Dog', (Animal, ), { 'tyep': '哺乳类', 'eat': dog_eat})
    
    Cat = type('Cat', (Animal, ), { 'tyep': '哺乳类', 'eat': cat_eat})
    
    # ipython 测验
    In [125]: animal = Animal()
    
    In [126]: dog = Dog()
    
    In [127]: cat = Cat()
    
    In [128]: animal.eat()
    吃东西
    
    In [129]: dog.eat()
    喜欢吃骨头
    
    In [130]: cat.eat()
    喜欢吃鱼

## 6. 到底什么是元类（终于到主题了） ##

**元类就是用来创建类的【东西】**。你创建类就是为了创建类的实例对象，不是吗？但是我们已经学习到了Python中的类也是对象。

元类就是用来创建这些类（对象）的，元类就是类的类，你可以这样理解为：

MyClass = MetaClass() # 使用元类创建出一个对象，这个对象称为“类”
    my_object = MyClass() # 使用“类”来创建出实例对象

你已经看到了type可以让你像这样做：

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

这是因为函数 `type` 实际上是一个元类。**`type` 就是 Python在背后用来创建所有类的元类**。现在你想知道那为什么 type 会全部采用小写形式而不是 Type 呢？好吧，我猜这是为了和 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。因此 **Python中万物皆对象**

现在，对于任何一个 `__class__` 的 `__class__` 属性又是什么呢？

In [136]: a = 10
    
    In [137]: b = 'acb'
    
    In [138]: li = [1, 2, 3]
    
    In [139]: a.__class__.__class__
    Out[139]: type
    
    In [140]: b.__class__.__class__
    Out[140]: type
    
    In [141]: li.__class__.__class__
    Out[141]: type
    
    In [142]: li.__class__.__class__.__class__
    Out[142]: type

因此，元类就是创建类这种对象的东西。type 就是 Python的内建元类，当然了，你也可以创建自己的元类。

## 7. `__metaclass__` 属性 ##

你可以在定义一个类的时候为其添加 `__metaclass__` 属性。

class Foo(object):
        __metaclass__ = something…
        ...省略...

如果你这么做了，Python就会用元类来创建类Foo。小心点，这里面有些技巧。你首先写下 `class Foo(object)`，但是类Foo还没有在内存中创建。Python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Foo，如果没有找到，就会用内建的 `type` 来创建这个类。

class Foo(Bar):
        pass

Python做了如下的操作：

1.  Foo中有 `__metaclass__` 这个属性吗？如果有，Python会通过 `__metaclass__` 创建一个名字为Foo的类(对象)
2.  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。
3.  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。
4.  如果还是找不到 `__metaclass__` ，Python就会用内置的 `type` 来创建这个类对象。

现在的问题就是，你可以在 `__metaclass__` 中放置些什么代码呢？

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或者子类化的type都可以。

## 8. 自定义元类 ##

> 元类的主要目的就是为了当创建类时能够自动地改变类。

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。

### python2中 ###

# -*- coding:utf-8 -*-
    def upper_attr(class_name, class_parents, class_attr):
    
        # class_name 会保存类的名字 Foo
        # class_parents 会保存类的父类 object
        # class_attr 会以字典的方式保存所有的类属性
    
        # 遍历属性字典，把不是__开头的属性名字变为大写
        new_attr = { }
        for name, value in class_attr.items():
            if not name.startswith("__"):
                new_attr[name.upper()] = value
    
        # 调用type来创建一个类
        return type(class_name, class_parents, new_attr)
    
    class Foo(object):
        __metaclass__ = upper_attr # 设置Foo类的元类为upper_attr
        bar = 'bip'
    
    print(hasattr(Foo, 'bar'))
    # Flase
    print(hasattr(Foo, 'BAR'))
    # True
    
    f = Foo()
    print(f.BAR)

### python3中 ###

# -*- coding:utf-8 -*-
    def upper_attr(class_name, class_parents, class_attr):
    
        #遍历属性字典，把不是__开头的属性名字变为大写
        new_attr = { }
        for name,value in class_attr.items():
            if not name.startswith("__"):
                new_attr[name.upper()] = value
    
        #调用type来创建一个类
        return type(class_name, class_parents, new_attr)
    
    # 再类的继承()中使用metaclass
    class Foo(object, metaclass=upper_attr):
        bar = 'bip'
    
    print(hasattr(Foo, 'bar'))
    # Flase
    print(hasattr(Foo, 'BAR'))
    # True
    
    f = Foo()
    print(f.BAR)

再做一次，这一次用一个真正的 `class` 来当做元类。

class UpperAttrMetaClass(type):
        
        def __new__(cls, class_name, class_parents, class_attr):
            # 遍历属性字典，把不是__开头的属性名字变为大写
            new_attr = { }
            for name, value in class_attr.items():
                if not name.startswith("__"):
                    new_attr[name.upper()] = value
    
            # 方法1：通过'type'来做类对象的创建
            return type(class_name, class_parents, new_attr)
    
            # 方法2：复用type.__new__方法
            # 这就是基本的OOP编程，没什么魔法
            # return type.__new__(cls, class_name, class_parents, new_attr)
    
            
    # python3的用法
    class Foo(object, metaclass=UpperAttrMetaClass):
        bar = 'bip'
    
    # python2的用法
    class Foo(object):
    	__metaclass__ = UpperAttrMetaClass
        bar = 'bip'
    
    
    print(hasattr(Foo, 'bar'))
    # 输出: False
    print(hasattr(Foo, 'BAR'))
    # 输出: True
    
    f = Foo()
    print(f.BAR)
    # 输出: 'bip'

__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
    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__

就是这样，除此之外，关于元类真的没有别的可说的了。但就元类本身而言，它们其实是很简单的：

1.  拦截类的创建
2.  修改类
3.  返回修改之后的类

### 究竟为什么要使用元类？ ###

现在回到我们的大主题上来，究竟是为什么你会去使用这样一种容易出错且晦涩的特性？

好吧，一般来说，你根本就用不上它：

> “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。” —— Python界的领袖 Tim Peters

## 源代码 ##

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**✍ 码字不易，还望各位大侠多多支持❤️。**

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