对python中元类的理解

1. 类也是对象

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：

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

可是，Python中的类还远不止如此。类一样也是一种对象。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建立一个对象。

下面的代码段：

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

将在内存中建立一个对象，名字就是ObjectCreator。这个对象（类对象ObjectCreator）拥有建立对象（实例对象）的能力。可是，它的本质仍然是一个对象，因而乎你能够对它作以下的操做：

• 你能够将它赋值给一个变量
• 你能够拷贝它
• 你能够为它增长属性
• 你能够将它做为函数参数进行传递

下面是示例：

>>> print ObjectCreator     # 你能够打印一个类，由于它其实也是一个对象
<class '__main__.ObjectCreator'>
>>> def echo(o):
…       print o
…
>>> echo(ObjectCreator)                 # 你能够将类作为参数传给函数
<class '__main__.ObjectCreator'>
>>> print hasattr(ObjectCreator, 'new_attribute')
Fasle
>>> ObjectCreator.new_attribute = 'foo' #  你能够为类增长属性
>>> print hasattr(ObjectCreator, 'new_attribute')
True
>>> print ObjectCreator.new_attribute
foo
>>> ObjectCreatorMirror = ObjectCreator # 你能够将类赋值给一个变量
>>> print ObjectCreatorMirror()
<__main__.ObjectCreator object at 0x8997b4c>

2. 动态地建立类

由于类也是对象，你能够在运行时动态的建立它们，就像其余任何对象同样。首先，你能够在函数中建立类，使用class关键字便可。

>>> 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()            # 你能够经过这个类建立类实例，也就是对象
<__main__.Foo object at 0x89c6d4c>

但这还不够动态，由于你仍然须要本身编写整个类的代码。因为类也是对象，因此它们必须是经过什么东西来生成的才对。当你使用class关键字时，Python解释器自动建立这个对象。但就和Python中的大多数事情同样，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可以让你知道一个对象的类型是什么，就像这样：

>>> print type(1) #数值的类型
<type 'int'>
>>> print type("1") #字符串的类型
<type 'str'>
>>> print type(ObjectCreator()) #实例对象的类型
<class '__main__.ObjectCreator'>
>>> print type(ObjectCreator) #类的类型
<type 'type'>

仔细观察上面的运行结果，发现使用type对ObjectCreator查看类型是，答案为type， 是否是有些惊讶。。。看下面

3. 使用type建立类

type还有一种彻底不一样的功能，动态的建立类。

type能够接受一个类的描述做为参数，而后返回一个类。（要知道，根据传入参数的不一样，同一个函数拥有两种彻底不一样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能够像这样工做：

type(类名, 由父类名称组成的元组（针对继承的状况，能够为空），包含属性的字典（名称和值）)

好比下面的代码：

In [2]: class Test: #定义了一个Test类
   ...:     pass
   ...:
In [3]: Test() #建立了一个Test类的实例对象
Out[3]: <__main__.Test at 0x10d3f8438>

能够手动像这样建立：

Test2 = type("Test2",(),{}) #定了一个Test2类
In [5]: Test2() #建立了一个Test2类的实例对象
Out[5]: <__main__.Test2 at 0x10d406b38>

咱们使用"Test2"做为类名，而且也能够把它当作一个变量来做为类的引用。类和变量是不一样的，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，也能够叫作其余的名字，这个名字表示类的名字

In [23]: MyDogClass = type('MyDog', (), {})

In [24]: print MyDogClass
<class '__main__.MyDog'>

使用help来测试这2个类

In [10]: help(Test) #用help查看Test类

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 [8]: help(Test2) #用help查看Test2类

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)

4. 使用type建立带有属性的类

type 接受一个字典来为类定义属性，所以

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

能够翻译为：

>>> class Foo(object):
…       bar = True

而且能够将Foo当成一个普通的类同样使用：

>>> print Foo
<class '__main__.Foo'>
>>> print Foo.bar
True
>>> f = Foo()
>>> print f
<__main__.Foo object at 0x8a9b84c>
>>> print f.bar
True

固然，你能够向这个类继承，因此，以下的代码：

>>> class FooChild(Foo):
…       pass

就能够写成：

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

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，并非实例属性

5. 使用type建立带有方法的类

最终你会但愿为你的类增长方法。只须要定义一个有着恰当签名的函数并将其做为属性赋值就能够了。

添加实例方法

In [46]: def echo_bar(self): #定义了一个普通的函数
    ...:     print(self.bar)
    ...:

In [47]: FooChild = type('FooChild', (Foo,), {'echo_bar': echo_bar}) #让FooChild类中的echo_bar属性，指向了上面定义的函数

In [48]: hasattr(Foo, 'echo_bar') #判断Foo类中，是否有echo_bar这个属性
Out[48]: False

In [49]:

In [49]: hasattr(FooChild, 'echo_bar') #判断FooChild类中，是否有echo_bar这个属性
Out[49]: True

In [50]: my_foo = FooChild()

In [51]: my_foo.echo_bar()
True

添加静态方法

In [36]: @staticmethod
    ...: def testStatic():
    ...:     print("static method ....")
    ...:

In [37]: Foochild = type('Foochild', (Foo,), {"echo_bar":echo_bar, "testStatic":
    ...: testStatic})

In [38]: fooclid = Foochild()

In [39]: fooclid.testStatic
Out[39]: <function __main__.testStatic>

In [40]: fooclid.testStatic()
static method ....

In [41]: fooclid.echo_bar()
True

添加类方法

In [42]: @classmethod
    ...: def testClass(cls):
    ...:     print(cls.bar)
    ...:

In [43]:

In [43]: Foochild = type('Foochild', (Foo,), {"echo_bar":echo_bar, "testStatic":
    ...: testStatic, "testClass":testClass})

In [44]:

In [44]: fooclid = Foochild()

In [45]: fooclid.testClass()
True

你能够看到，在Python中，类也是对象，你能够动态的建立类。这就是当你使用关键字class时Python在幕后作的事情，而这就是经过元类来实现的。

6. 到底什么是元类（终于到主题了）

元类就是用来建立类的“东西”。你建立类就是为了建立类的实例对象，不是吗？可是咱们已经学习到了Python中的类也是对象。

元类就是用来建立这些类（对象）的，元类就是类的类，你能够这样理解为：

MyClass = MetaClass() #使用元类建立出一个对象，这个对象称为“类”
MyObject = MyClass() #使用“类”来建立出实例对象

你已经看到了type可让你像这样作：

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

这是由于函数type其实是一个元类。type就是Python在背后用来建立全部类的元类。如今你想知道那为何type会所有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是用来建立字符串对象的类，而int是用来建立整数对象的类。type就是建立类对象的类。你能够经过检查__class__属性来看到这一点。Python中全部的东西，注意，我是指全部的东西——都是对象。这包括整数、字符串、函数以及类。它们所有都是对象，并且它们都是从一个类建立而来，这个类就是type。

>>> 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'>

如今，对于任何一个__class__的__class__属性又是什么呢？

>>> a.__class__.__class__
<type 'type'>
>>> age.__class__.__class__
<type 'type'>
>>> foo.__class__.__class__
<type 'type'>
>>> b.__class__.__class__
<type 'type'>

所以，元类就是建立类这种对象的东西。type就是Python的内建元类，固然了，你也能够建立本身的元类。

**7. __metaclass__属性**

你能够在定义一个类的时候为其添加__metaclass__属性。

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

若是你这么作了，Python就会用元类来建立类Foo。当心点，这里面有些技巧。你首先写下class Foo(object)，可是类Foo尚未在内存中建立。Python会在类的定义中寻找__metaclass__属性，若是找到了，Python就会用它来建立类Foo，若是没有找到，就会用内建的type来建立这个类。把下面这段话反复读几回。当你写以下代码时 :

class Foo(Bar):
    pass

Python作了以下的操做：

Foo中有__metaclass__这个属性吗？若是是，Python会经过__metaclass__建立一个名字为Foo的类(对象)
若是Python没有找到__metaclass__，它会继续在Bar（父类）中寻找__metaclass__属性，并尝试作和前面一样的操做。

若是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__，并尝试作一样的操做。

若是仍是找不到__metaclass__,Python就会用内置的type来建立这个类对象。

如今的问题就是，你能够在__metaclass__中放置些什么代码呢？答案就是：能够建立一个类的东西。那么什么能够用来建立一个类呢？type，或者任何使用到type或者子类化type的东东均可以。

8. 自定义元类

元类的主要目的就是为了当建立类时可以自动地改变类。一般，你会为API作这样的事情，你但愿能够建立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全部的类的属性都应该是大写形式。有好几种方法能够办到，但其中一种就是经过在模块级别设定__metaclass__。采用这种方法，这个模块中的全部类都会经过这个元类来建立，咱们只须要告诉元类把全部的属性都改为大写形式就万事大吉了。

幸运的是，__metaclass__实际上能够被任意调用，它并不须要是一个正式的类。因此，咱们这里就先以一个简单的函数做为例子开始。

python2中

#-*- coding:utf-8 -*-
def upper_attr(future_class_name, future_class_parents, future_class_attr):

    #遍历属性字典，把不是__开头的属性名字变为大写
    newAttr = {}
    for name,value in future_class_attr.items():
        if not name.startswith("__"):
            newAttr[name.upper()] = value

    #调用type来建立一个类
    return type(future_class_name, future_class_parents, newAttr)

class Foo(object):
    __metaclass__ = upper_attr #设置Foo类的元类为upper_attr
    bar = 'bip'

print(hasattr(Foo, 'bar'))
print(hasattr(Foo, 'BAR'))

f = Foo()
print(f.BAR)

python3中

#-*- coding:utf-8 -*-
def upper_attr(future_class_name, future_class_parents, future_class_attr):

    #遍历属性字典，把不是__开头的属性名字变为大写
    newAttr = {}
    for name,value in future_class_attr.items():
        if not name.startswith("__"):
            newAttr[name.upper()] = value

    #调用type来建立一个类
    return type(future_class_name, future_class_parents, newAttr)

class Foo(object, metaclass=upper_attr):
    bar = 'bip'

print(hasattr(Foo, 'bar'))
print(hasattr(Foo, 'BAR'))

f = Foo()
print(f.BAR)

如今让咱们再作一次，这一次用一个真正的class来当作元类。

#coding=utf-8

class UpperAttrMetaClass(type):
    # __new__ 是在__init__以前被调用的特殊方法
    # __new__是用来建立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
    # 你不多用到__new__，除非你但愿可以控制对象的建立
    # 这里，建立的对象是类，咱们但愿可以自定义它，因此咱们这里改写__new__
    # 若是你但愿的话，你也能够在__init__中作些事情
    # 还有一些高级的用法会涉及到改写__call__特殊方法，可是咱们这里不用
    def __new__(cls, future_class_name, future_class_parents, future_class_attr):
        #遍历属性字典，把不是__开头的属性名字变为大写
        newAttr = {}
        for name,value in future_class_attr.items():
            if not name.startswith("__"):
                newAttr[name.upper()] = value

        # 方法1：经过'type'来作类对象的建立
        # return type(future_class_name, future_class_parents, newAttr)

        # 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, future_class_name, future_class_parents, newAttr)

        # 方法3：使用super方法
        return super(UpperAttrMetaClass, cls).__new__(cls, future_class_name, future_class_parents, newAttr)

#python2的用法
class Foo(object):
    __metaclass__ = UpperAttrMetaClass
    bar = 'bip'

# python3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'

就是这样，除此以外，关于元类真的没有别的可说的了。但就元类自己而言，它们实际上是很简单的：

• 拦截类的建立
• 修改类
• 返回修改以后的类
• 究竟为何要使用元类？

如今回到咱们的大主题上来，到底是为何你会去使用这样一种容易出错且晦涩的特性？好吧，通常来讲，你根本就用不上它：

“元类就是深度的魔法，99%的用户应该根本没必要为此操心。若是你想搞清楚到底是否须要用到元类，那么你就不须要它。那些实际用到元类的人都很是清楚地知道他们须要作什么，并且根本不须要解释为何要用元类。” —— Python界的领袖 Tim Peters