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python 元类

2017-07-15 16:55 232 查看
“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

e-satis同学本人在Stack
Overflow上的回答:

类也是对象

在理解元类之前,你需要先掌握Python中的类。Python中类的概念借鉴于Smalltalk,这显得有些奇特。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:

Python

123456>>> class ObjectCreator(object):… pass…>>> my_object = ObjectCreator()>>> print my_object<__main__.ObjectCreator object at 0x8974f2c>
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:Python

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>>>
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)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

下面是示例:

Python

1234567891011121314151617>>> print ObjectCreator # 你可以打印一个类,因为它其实也是一个对象<class '__main__.ObjectCreator'>>>> def echo(o):… print o…>>> echo(ObjectCreator) # 你可以将类做为参数传给函数<class '__main__.ObjectCreator'>>>> print hasattr(ObjectCreator, 'new_attribute')Fasle>>> ObjectCreator.new_attribute = 'foo' # 你可以为类增加属性>>> print hasattr(ObjectCreator, 'new_attribute')True>>> print ObjectCreator.new_attributefoo>>> ObjectCreatorMirror = ObjectCreator # 你可以将类赋值给一个变量>>> print ObjectCreatorMirror()<__main__.ObjectCreator object at 0x8997b4c>
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。Python

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>>>
def
choose_class(name):


if
name
==
'foo':


class
Foo(object):


pass


return
Foo
#
返回的是类,不是类的实例


else:


class
Bar(object):


pass


return
Bar



>>>
MyClass
=
choose_class('foo')

>>>
print
MyClass #
函数返回的是类,不是类的实例

<class
'__main__'.Foo>

>>>
print
MyClass() #
你可以通过这个类创建类实例,也就是对象

<__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,就像这样:

Python

12345678>>> print type(1)<type 'int'>>>> print type("1")<type 'str'>>>> print type(ObjectCreator)<type 'type'>>>> print type(ObjectCreator())<class '__main__.ObjectCreator'>
这里,type有一种完全不同的能力,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可以像这样工作:Python

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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:

Python

12>>> class MyShinyClass(object):… pass
可以手动像这样创建:Python

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>>>
MyShinyClass
=
type('MyShinyClass',
(),
{}) #
返回一个类对象

>>>
print
MyShinyClass

<class
'__main__.MyShinyClass'>

>>>
print
MyShinyClass() # 创建一个该类的实例

<__main__.MyShinyClass
object
at
0x8997cec>

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。

type 接受一个字典来为类定义属性,因此

Python

12>>> class Foo(object):… bar = True
可以翻译为:Python

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>>>
Foo
=
type('Foo',
(),
{'bar':True})

并且可以将Foo当成一个普通的类一样使用:

Python

123456789>>> print Foo<class '__main__.Foo'>>>> print Foo.barTrue>>> f = Foo()>>> print f<__main__.Foo object at 0x8a9b84c>>>> print f.barTrue
当然,你可以向这个类继承,所以,如下的代码:Python

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>>>
class
FooChild(Foo):


pass

就可以写成:

Python

12345>>> FooChild = type('FooChild', (Foo,),{})>>> print FooChild<class '__main__.FooChild'>>>> print FooChild.bar # bar属性是由Foo继承而来True
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。Python

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>>>
def
echo_bar(self):


print
self.bar



>>>
FooChild
=
type('FooChild',
(Foo,),
{'echo_bar':
echo_bar})

>>>
hasattr(Foo,
'echo_bar')

False

>>>
hasattr(FooChild,
'echo_bar')

True

>>>
my_foo
=
FooChild()

>>>
my_foo.echo_bar()

True

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,而这就是通过元类来实现的。

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。好吧,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:

Python

12MyClass = MetaClass()MyObject = MyClass()
你已经看到了type可以让你像这样做:Python

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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。Python中所有的东西,注意,我是指所有的东西——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。

Python

12345678910111213>>> age = 35>>> age.__class__<type 'int'>>>> name = 'bob'>>> name.__class__<type 'str'>>>> def foo(): pass>>>foo.__class__<type 'function'>>>> class Bar(object): pass>>> b = Bar()>>> b.__class__<class '__main__.Bar'>
现在,对于任何一个__class__的__class__属性又是什么呢?Python

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>>>
a.__class__.__class__

<type
'type'>

>>>
age.__class__.__class__

<type
'type'>

>>>
foo.__class__.__class__

<type
'type'>

>>>
b.__class__.__class__

<type
'type'>

因此,元类就是创建类这种对象的东西。如果你喜欢的话,可以把元类称为“类工厂”(不要和工厂类搞混了:D) type就是Python的内建元类,当然了,你也可以创建自己的元类。

__metaclass__属性

你可以在写一个类的时候为其添加__metaclass__属性。

Python

123class Foo(object): __metaclass__ = something…[…]
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),但是类对象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。把下面这段话反复读几次。当你写如下代码时 :Python

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class
Foo(Bar):

pass

Python做了如下的操作:

Foo中有__metaclass__这个属性吗?如果是,Python会在内存中通过__metaclass__创建一个名字为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?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。

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。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(我知道,某些名字里带有‘class’的东西并不需要是一个class,画画图理解下,这很有帮助)。所以,我们这里就先以一个简单的函数作为例子开始。

Python

12345# 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('__'))
Python

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#
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'

Python

12345678print hasattr(Foo, 'bar')# 输出: Falseprint hasattr(Foo, 'BAR')# 输出:True f = Foo()print f.BAR# 输出:'bip'
现在让我们再做一次,这一次用一个真正的class来当做元类。Python

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#
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:

Python

12345678class 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:Python

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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)

Python

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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)

就是这样,除此之外,关于元类真的没有别的可说的了。使用到元类的代码比较复杂,这背后的原因倒并不是因为元类本身,而是因为你通常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:

1) 拦截类的创建

2) 修改类

3) 返回修改之后的类

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!
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