深刻理解Python中的元类(metaclass)
2017-09-04 14:54
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译注:这是一篇在Stack
overflow上很热的帖子。提问者自称已经掌握了有关Python OOP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Stack Overflow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)
![](http://jbcdn2.b0.upaiyun.com/2012/06/python-icon.jpg)
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> |
1 2 3 | >>> class ObjectCreator(object): … pass … |
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> |
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 | >>> 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') >>> MyClass # 函数返回的是类,不是类的实例 <class '__main__'.Foo> >>> MyClass() # 你可以通过这个类创建类实例,也就是对象 <__main__.Foo object at 0x89c6d4c> |
Python
12345678 | >>> print type(1)<type 'int'>>>> print type("1")<type 'str'>>>> print type(ObjectCreator)<type 'type'>>>> print type(ObjectCreator())<class '__main__.ObjectCreator'> |
1 | 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)) |
Python
12 | >>> class MyShinyClass(object):… pass |
1 2 3 4 5 | >>> MyShinyClass = type('MyShinyClass', (), {}) # 返回一个类对象 >>> MyShinyClass <class '__main__.MyShinyClass'> >>> MyShinyClass() # 创建一个该类的实例 <__main__.MyShinyClass object at 0x8997cec> |
type 接受一个字典来为类定义属性,因此
Python
12 | >>> class Foo(object):… bar = True |
1 | >>> Foo = type('Foo', (), {'bar':True}) |
Python
123456789 | >>> print Foo<class '__main__.Foo'>>>> print Foo.barTrue>>> f = Foo()>>> print f<__main__.Foo object at 0x8a9b84c>>>> print f.barTrue |
1 2 | >>> class FooChild(Foo): … pass |
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 |
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 | >>> def echo_bar(self): … 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 |
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
12 | MyClass = MetaClass()MyObject = MyClass() |
1 | MyClass = type('MyClass', (), {}) |
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'> |
1 2 3 4 5 6 7 8 | >>> a.__class__.__class__ <type 'type'> >>> age.__class__.__class__ <type 'type'> >>> foo.__class__.__class__ <type 'type'> >>> b.__class__.__class__ <type 'type'> |
__metaclass__属性
你可以在写一个类的时候为其添加__metaclass__属性。
Python
123 | class Foo(object): __metaclass__ = something…[…] |
1 2 | class Foo(Bar): pass |
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('__')) |
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 | # 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' |
12345678 | print hasattr(Foo, 'bar')# 输出: Falseprint hasattr(Foo, 'BAR')# 输出:True f = Foo()print f.BAR# 输出:'bip' |
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 | # 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) |
Python
12345678 | class 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) |
1 2 3 4 5 | 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) |
Python
12345 | 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) |
1 2 3 | class Person(models.Model): name = models.CharField(max_length=30) age = models.IntegerField() |
Python
12 | guy = Person(name='bob', age='35')print guy.age |
1 2 3 | >>>class Foo(object): pass >>> id(Foo) 142630324 |
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
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