追溯Python类的鼻祖——元类

时间  2021-08-12
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Python中万物皆对象

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


利用 type() 来查看Python中的各对象类型git

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

复制代码

能够看出程序员

  • 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，其建立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 建立出来的对象 f 是 Foo 类型，其类自己 Foo 则是 type类型 的对象。
  • 连 type 自己都是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web

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：编程

In [1]: class ObjectCreator(object):
   ...:     pass
   ...:

In [2]: my_object = ObjectCreator()

In [3]: print(my_object)
<__main__.ObjectCreator object at 0x0000021257B5A248>

复制代码

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。markdown

下面的代码段：app

>>> class ObjectCreator(object):
…       pass
…
复制代码

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：编程语言

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

以下示例：svg

In [39]: class ObjectCreator(object):
    ...:     pass
    ...:

In [40]: print(ObjectCreator)
<class '__main__.ObjectCreator'> In [41]:# 看成参数传递

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]:
复制代码

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。函数

def cls_factory(cls_name):
    """ 建立类工厂 :param: cls_name 建立类的名称 """
    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
复制代码

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>

复制代码

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。


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 [63]: class Test:
    ...:     pass
    ...:

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

In [65]:
复制代码

能够手动像这样建立：

In [69]:# 使用type定义类

In [69]: Test2 = type('Test2', (), {})

In [70]: Test2()
Out[70]: <__main__.Test2 at 0x21259665808>
复制代码

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 [71]: UserCls = type('User', (), {})

In [72]: print(UserCls)
<class '__main__.User'> In [73]:
复制代码

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]:
复制代码

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

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

能够翻译为：

class Parent(object):
	name = 'hui'
复制代码

而且能够将 Parent 当成一个普通的类同样使用：

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'

复制代码

固然，你能够继承这个类，代码以下：

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

就能够写成：

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')
复制代码

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 [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'
复制代码

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...
复制代码

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
复制代码

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，就是经过元类来实现的。

较为完整的使用 type 建立类的方式:

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

复制代码

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”
my_object = MyClass() # 使用“类”来建立出实例对象
复制代码

你已经看到了type可让你像这样作：

MyClass = type('MyClass', (), {})
复制代码

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。所以 Python中万物皆对象

如今，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
    
复制代码

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...
复制代码

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。

class Foo(Bar):
    pass
复制代码

Python作了以下的操做：

  1. Foo中有 __metaclass__ 这个属性吗？若是有，Python会经过 __metaclass__ 建立一个名字为Foo的类(对象)
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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或者子类化的type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。

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(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全部的类属性

    # 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来建立一个类
    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)
复制代码

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来建立一个类
    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)
复制代码

再作一次，这一次用一个真正的 class 来当作元类。

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：经过'type'来作类对象的建立
        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'
复制代码

__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
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__
复制代码

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：

  1. 拦截类的建立
  2. 修改类
  3. 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


源代码

源代码已上传到 Gitee PythonKnowledge: Python知识宝库，欢迎你们来访。

✍ 码字不易，还望各位大侠多多支持❤️。


公众号

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大天然用数百亿年创造出咱们现实世界，而程序员用几百年创造出一个彻底不一样的虚拟世界。咱们用键盘敲出一砖一瓦，用大脑构建一切。人们把1000视为权威，咱们反其道行之，捍卫1024的地位。咱们不是键盘侠，咱们只是平凡世界中不凡的缔造者 。

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