深刻理解Python中的元类(metaclass)

本文是一篇网上资源的修改整理,其中红色部分是本人在整理过程中提出的问题,如果有读者知道答案还请评论一下

原文链接:http://stackoverflow.com/questions/100003/what-is-a-metaclass-in-python


中文版链接:http://blog.jobbole.com/21351/

Python中的类也是一种对象。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。

下面的语句将在内存中创建一个对象，名字就是ObjectCreator。

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

这个对象（类）自身拥有创建对象（类实例）的能力，而这就是为什么它是一个类的原因。但是，它的本质仍然是一个对象，于是乎你可以对它对象的操作

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。源文件中直接class定义的类对象是什么时候创建的?

>>> def choose_class(name):
...     if name == 'foo':
...         class Foo(object):
...             pass
...         return Foo # return the class, not an instance
...     else:
...         class Bar(object):
...             pass
...         return Bar
...
>>> MyClass = choose_class('foo')
>>> print(MyClass) # the function returns a class, not an instance
<class '__main__.Foo'>
>>> print(MyClass()) # you can create an object from this class
<__main__.Foo object at 0x89c6d4c>

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。还记得内建函数type吗？这个古老但强大的函数能够让你知道一个对象的类型是什么，它也能动态的创建类。type可以接受一个类的描述作为参数，然后返回一个类。（我知道，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(类名, 父类的元组（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：

>>> class MyShinyClass(object):
...       pass

可以手动像这样创建：

>>> MyShinyClass = type('MyShinyClass', (), {}) # returns a class object

你会发现我们使用“MyShinyClass”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。这里两个名字不一样会怎样?

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。

>>> def echo_bar(self):
...       print(self.bar)
>>> FooChild = type('FooChild', (Foo,), {'echo_bar': echo_bar})

这就是当你使用关键字class时Python在幕后做的事情，而这就是通过元类来实现的。

到底什么是元类

元类就是用来创建类的“东西”,元类就是类的类，你可以这样理解为：

MyClass = MetaClass()
MyObject = MyClass()

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。因此， type就是Python的内建元类，当然了，你也可以创建自己的元类,需要_metaclass_来实现。

__metaclass__属性

当你写如下代码时 :

class Foo(Bar):
pass

Python做了如下的操作：

Foo中有__metaclass__这个属性吗？如果有，Python会在内存中通过__metaclass__创建一个名字Foo的类对象（我说的是类对象，请紧跟我的思路）。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。

现在的问题就是，你可以在__metaclass__中放置些什么代码呢？type，或者任何使用到type或者子类化type的东西。

你可以在写一个类的时候为其添加__metaclass__属性。

class Foo(object):
__metaclass__ = something

如果你这么做了，Python就会用使用something这个对象来创建类Foo.

自定义元类

我们这里就先以一个简单的函数作为例子开始。

def custom(future_class_name, future_class_parents, future_class_attr):_
dosomething...
return type(new_class_name, new_class_parents, new_class_attr)

class Foo():
__metaclass__ = custom

现在让我们再做一次，这一次用一个真正的class来当做元类。

class CustomMetaclass():
def __new__(Custom_metaclass, future_class_name,
future_class_parents, future_class_attr):
dosomething...
return type(new_class_name, new_class_parents, new_class_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，这里的参数名字我起的比较长。真实产品中他们的参数都有它们的传统名称:cls, name, bases, dct

为什么要用metaclass类而不是函数?

由于__metaclass__可以接受任何可调用的对象，那为何还要使用类呢，因为很显然使用类会更加复杂啊？这里有好几个原因：

1）  意图会更加清晰。当你读到UpperAttrMetaclass(type)时，你知道接下来要发生什么。

2） 你可以使用OOP编程。元类可以从元类中继承而来，改写父类的方法。元类甚至还可以使用元类。

3）  你可以把代码组织的更好。当你使用元类的时候肯定不会是像我上面举的这种简单场景，通常都是针对比较复杂的问题。将多个方法归总到一个类中会很有帮助，也会使得代码更容易阅读。

4） 你可以使用__new__, __init__以及__call__这样的特殊方法。它们能帮你处理不同的任务。就算通常你可以把所有的东西都在__new__里处理掉，有些人还是觉得用__init__更舒服些。

5） 哇哦，这东西的名字是metaclass，肯定非善类，我要小心！

结语

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。其次，元类是很复杂的。对于非常简单的类，你可能不希望通过使用元类来对类做修改。你可以通过其他两种技术来修改类：

1） Monkey patching

2)   class decorators

当你需要动态修改类时，99%的时间里你最好使用上面这两种技术。当然了，其实在99%的时间里你根本就不需要动态修改类 :D