深入理解Python中的元类(metaclass)

2024-04-04 05:36:03 167

译注：这是一篇在Stackoverflow上很热的帖子。提问者自称已经掌握了有关PythonOOP编程中的各种概念，但始终觉得元类(metaclass)难以理解。他知道这肯定和自省有关，但仍然觉得不太明白，希望大家可以给出一些实际的例子和代码片段以帮助理解，以及在什么情况下需要进行元编程。于是e-satis同学给出了神一般的回复，该回复获得了985点的赞同点数，更有人评论说这段回复应该加入到Python的官方文档中去。而e-satis同学本人在StackOverflow中的声望积分也高达64271分。以下就是这篇精彩的回复（提示：非常长）

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：


>>>classObjectCreator(object):

…      pass

…

>>>my_object=ObjectCreator()

>>>printmy_object

<__main__.ObjectCreatorobjectat0x8974f2c>

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：


>>>classObjectCreator(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：


>>>printObjectCreator    #你可以打印一个类，因为它其实也是一个对象

<class'__main__.ObjectCreator'>

>>>defecho(o):

…      printo

…

>>>echo(ObjectCreator)                #你可以将类做为参数传给函数

<class'__main__.ObjectCreator'>

>>>printhasattr(ObjectCreator,'new_attribute')

Fasle

>>>ObjectCreator.new_attribute='foo'# 你可以为类增加属性

>>>printhasattr(ObjectCreator,'new_attribute')

True

>>>printObjectCreator.new_attribute

foo

>>>ObjectCreatorMirror=ObjectCreator#你可以将类赋值给一个变量

>>>printObjectCreatorMirror()

<__main__.ObjectCreatorobjectat0x8997b4c>

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。


>>>defchoose_class(name):

…      ifname=='foo':

…          classFoo(object):

…              pass

…          returnFoo    #返回的是类，不是类的实例

…      else:

…          classBar(object):

…              pass

…          returnBar

…

>>>MyClass=choose_class('foo')

>>>printMyClass             #函数返回的是类，不是类的实例

<class'__main__'.Foo>

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

<__main__.Fooobjectat0x89c6d4c>

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：


>>>printtype(1)

<type'int'>

>>>printtype("1")

<type'str'>

>>>printtype(ObjectCreator)

<type'type'>

>>>printtype(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：


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：


>>>classMyShinyClass(object):

…      pass

可以手动像这样创建：


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

>>>printMyShinyClass

<class'__main__.MyShinyClass'>

>>>printMyShinyClass() # 创建一个该类的实例

<__main__.MyShinyClassobjectat0x8997cec>

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


>>>classFoo(object):

…      bar=True

可以翻译为：


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

并且可以将Foo当成一个普通的类一样使用：


>>>printFoo

<class'__main__.Foo'>

>>>printFoo.bar

True

>>>f=Foo()

>>>printf

<__main__.Fooobjectat0x8a9b84c>

>>>printf.bar

True

当然，你可以向这个类继承，所以，如下的代码：


>>>classFooChild(Foo):

…      pass

就可以写成：


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

>>>printFooChild

<class'__main__.FooChild'>

>>>printFooChild.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。


>>>defecho_bar(self):

…      printself.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

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：


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。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。


>>>age=35

>>>age.__class__

<type'int'>

>>>name='bob'

>>>name.__class__

<type'str'>

>>>deffoo():pass

>>>foo.__class__

<type'function'>

>>>classBar(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？


>>>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。


classFoo(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classFoo(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:


classFoo(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。


#元类会自动将你通常传给‘type'的参数作为自己的参数传入

defupper_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)forname,valueinfuture_class_attr.items()ifnotname.startswith('__'))

#将它们转为大写形式 uppercase_attr=dict((name.upper(),value)forname,valueinattrs)

#通过'type'来做类对象的创建 returntype(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

classFoo(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'

printhasattr(Foo,'bar') #输出:False printhasattr(Foo,'BAR') #输出:True

f=Foo() printf.BAR #输出:'bip'

深入理解Python中的元类(metaclass)

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