python基础（二十八）：元类

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python基础（二十八）：元类

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下面是小凰凰的简介，看下吧！ ?人生态度：珍惜时间，渴望学习，热爱音乐，把握命运，享受生活 ?学习技能：网络 -> 云计算运维 -> python全栈( 当前正在学习中) 后期会不断更新python全栈学习笔记，秉着质量博文为原则，写好每一篇博文。有相关技能问题的可以私聊，我们一起学习，一起进步，认可我的话，不妨点个关注！

文章目录一、元类介绍二、class关键字创建类的流程分析四、自定义元类 1、自定义元类控制类StanfordTeacher的创建 2、自定义元类控制类StanfordTeacher的调用 3、自定义元类的调用 4、总结五、属性查找 1、类查找属性（StanfordTeacher.属性）的顺序（1）寻找类查找属性顺序，代码验证（2）类查找属性顺序图解（2）元类Mymeta中__call__里的self.__new__的属性查找 2、对象查找属性顺序（1）何为对象查找属性顺序？（2）寻找对象查找属性的顺序，代码验证（3）对象属性查找顺序图解

鉴于本篇博文知识点较难，因此可能会有些错误，若有错误，恳请各位朋友指出，多谢各位小伙伴！

一、元类介绍

什么是元类呢？一切源自于一句话：python中一切皆为对象，因此类也是对象。让我们先定义一个类，然后逐步分析：

class StanfordTeacher(object): school='Stanford' def __init__(self,name,age): self.name=name self.age=age def say(self): print('%s says welcome to the Stanford to learn Python' %self.name)

所有的对象都是实例化或者说调用类而得到的（调用类的过程称为类的实例化），比如对象t1是调用类StanfordTeacher得到的

t1=StanfordTeacher('lili',18) print(type(t1)) #查看对象t1的类是

如果一切皆为对象，那么类StanfordTeacher本质也是一个对象，既然所有的对象都是调用类得到的，那么StanfordTeacher必然也是调用了一个类得到的，这个类称为元类（又称类的类）即：产生StanfordTeacher的过程一定发生了：StanfordTeacher=元类(...)

# 验证 print(type(StanfordTeacher)) # 结果为，证明是调用了type这个元类而产生的StanfordTeacher，即默认的元类为type

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二、class关键字创建类的流程分析

我们应该都晓得，标志类的关键字是class，那么创建类的过程就应该是由class关键字引导的。 class关键字在帮我们创建类时，必然帮我们调用了元类StanfordTeacher=type(...)，那调用type时传入的参数是什么呢？必然是类的关键组成部分，一个类有三大组成部分，分别是：

1、类名class_name='StanfordTeacher' 2、基类们class_bases=(object,) 3、类的名称空间class_dic，类的名称空间是执行类体代码而得到的

调用type时会依次传入以上三个参数

综上，class关键字帮我们创建一个类应该细分为以下四个过程在这里插入图片描述对于上图的第3步是如何生成类名称空间字典，做个补充：

# 整个类体代码其实是一个字符串，把这个字符串交给exec函数，返回一个类名称空间字典，下面为exec详解： 1. exec：三个参数 2. 参数一：包含一系列python代码的字符串 3. 参数二：全局作用域（字典形式），如果不指定，默认为globals() 4. 参数三：局部作用域（字典形式），如果不指定，默认为locals() 5. 可以把exec命令的执行当成是一个函数的执行，会将执行期间产生的名字存放于局部名称空间或全局名称空间中，最后我们要的类名称空间就是这个局部名称空间字典。 g={ # 代表全局名称空间，为什么里面还有内容呢？ 'x':1, 'y':2 } l={} exec(''' global x,z # 声明x、z为全局变量 x=100 z=200 m=300 # m为局部变量 ''',g,l) print(g) # {'x': 100, 'y': 2......} # z不是全局变量吗，为什么g里面没有呢？ print(l) # {'m': 300}

上面代码中有人提出了两个疑问，这是由于你没有把参数二、三的意思整明白，问题解析如下：

# 参数二、三解析答：参数二实际应该为globals(),这个globals函数获取的是当前python程序的所有全局变量，并且将其变量名和值存在字典之中，代码中的g只是模拟globals生成的字典。参数三也一样的 # 接下来再说为什么g中还有内容呢？不可以为空吗？答：可以为空，但没有意义。global x,z，声明的是x、z为全局变量，那么globals()函数执行所得到的字典，是不是应该有这两个变量？因此我们的g模拟globals函数也应该有x、z这两个变量。 # z不是全局变量吗，为什么g里面没有呢？答：上面说了g模拟globals函数也应该有x、z这两个变量，但是其中z没有，因此exec函数执行后，print(g)其中没有z，其中有y，但是值没改变，因此print(g)还是打印原值。四、自定义元类

为什么要自定义元类？

答：我们的类都是通过元类产生的，元类定义产生类这个对象的流程和规范，我们通过自定义元类，达到控制我们类的一些使用规范。比如类中必须有注释、类名必须大写，如果不这样就报错。 1、自定义元类控制类StanfordTeacher的创建

一个类没有声明自己的元类，默认它的元类就是type，除了使用内置元类type，我们也可以通过继承type来自定义元类，然后使用metaclass关键字参数为一个类指定元类

class Mymeta(type): # 只有继承了type类才能称之为一个元类，否则就是一个普通的自定义类 pass 类名父类们类名称空间 # class相当于：StanfordTeacher=Mymeta('StanfordTeacher',(object),{...}) class StanfordTeacher(object,metaclass=Mymeta): # 这里如果不写object，会默认继承object，但是上面的传给Mymeta的第二个参数里面就没有，当然，没写也没有什么，python自己会默认传，只是你看不到，我写出来是为了让大家看到。 school='Stanford' def __init__(self,name,age): self.name=name self.age=age def say(self): print('%s says welcome to the Stanford to learn Python' %self.name)

自定义元类可以控制类的产生过程，类的产生过程其实就是元类的调用过程,即StanfordTeacher=Mymeta('StanfordTeacher',(object),{...})，调用Mymeta会先产生一个空对象StanfordTeacher，然后连同调用Mymeta括号内的参数一同传给Mymeta下的__init__方法，完成初始化，返回初始化后的对象，于是我们可以：

class Mymeta(type): # 只有继承了type类才能称之为一个元类，否则就是一个普通的自定义类 def __init__(self,class_name,class_bases,class_dic): # print(self) # # print(class_bases) #(,) # print(class_dic) #{'__module__': '__main__', '__qualname__': 'StanfordTeacher', 'school': 'Stanford', '__init__': , 'say': } super().__init__(class_name, class_bases, class_dic) # 重用父类的init功能 # 为什么要重用父类？因为我们现在只用重用父类方法，完成基本的初始化对象，然后加上自己的限制即可！！ # 下面为定制类的代码，也是对我们所做的对元类产生的类的限制 if class_name.islower(): # 规范类名 raise TypeError('类名%s请修改为驼峰体' %class_name) # 主动报错语句 if '__doc__' not in class_dic or len(class_dic['__doc__'].strip(' \n')) == 0: # 规范文档注释 raise TypeError('类中必须有文档注释，并且文档注释不能为空') # 主动报错语句 # StanfordTeacher=Mymeta('StanfordTeacher',(object),{...}) class StanfordTeacher(object,metaclass=Mymeta): """ 类StanfordTeacher的文档注释 """ school='Stanford' def __init__(self,name,age): self.name=name self.age=age def say(self): print('%s says welcome to the Stanford to learn Python' %self.name) 2、自定义元类控制类StanfordTeacher的调用

核心知识：__call__方法

class Foo: def __call__(self, *args, **kwargs): print(self) print(args) print(kwargs) obj=Foo() # 1、要想让obj这个对象变成一个可调用的对象，需要在该对象的类中定义一个方法__call__方法，该方法会在调用对象时自动触发 # 2、调用obj的返回值就是__call__方法的返回值 res=obj(1,2,3,x=1,y=2) # 相当于res=obj.__call__(1,2,3,x=1,y=2)，自动触发，因此可以obj() # 执行结果： # print(self) (1, 2, 3) # print(args) {'x': 1, 'y': 2} # print(kwargs)

想一下，调用对象，执行个call方法这并没有什么用途，当然我也只是借调用对象，说明call的作用，引出下面这个重点，调用一个对象:obj()，就是触发对象所在类中的__call__方法的执行，类也是对象。那么调用一个类：StanfordTeacher(),就是触发类的元类中的__call__方法的执行。

class Mymeta(type): #只有继承了type类才能称之为一个元类，否则就是一个普通的自定义类 def __call__(self, *args, **kwargs): print(self) # print(args) #('lili', 18) print(kwargs) #{} return 123 class StanfordTeacher(object,metaclass=Mymeta): school='Stanford' def __init__(self,name,age): self.name=name self.age=age def say(self): print('%s says welcome to the Stanford to learn Python' %self.name) # 调用StanfordTeacher就是在调用Mymeta类中的__call__方法 # 然后将StanfordTeacher这个对象传给self,溢出的位置参数'lili'、18传给*，溢出的关键字参数传给** # 调用StanfordTeacher的返回值就是调用__call__的返回值 t1=StanfordTeacher('lili',18) print(t1) # 123

默认地，我们常说调用t1=StanfordTeacher(‘lili’,18)会做三件事

1、产生一个空对象obj 2、调用__init__方法初始化对象obj 3、返回初始化好的obj

其实这三件事就是在Mymeta类中的__call__方法中完成的。下面的代码演示完成这三件事的过程：

class Mymeta(type): # 只有继承了type类才能称之为一个元类，否则就是一个普通的自定义类 def __call__(self, *args, **kwargs): #self= #1、调用__new__产生一个空对象obj obj=self.__new__(self) # 此处的self是类StanfordTeacher，必须传参，代表创建一个StanfordTeacher的对象obj #2、调用StanfordTeacher的__init__方法初始化空对象obj， self.__init__(obj,*args,**kwargs) #3、返回初始化好的对象obj return obj class StanfordTeacher(object,metaclass=Mymeta): school='Stanford' def __init__(self,name,age): self.name=name self.age=age def say(self): print('%s says welcome to the Stanford to learn Python' %self.name) t1=StanfordTeacher('lili',18) print(t1.__dict__) #{'name': 'lili', 'age': 18}

上例的__call__相当于一个模板，我们可以在该基础上改写__call__的逻辑从而控制调用StanfordTeacher的过程，比如将StanfordTeacher的对象的所有属性都变成私有的

先看看私有属性在dict中长啥样：

class Foo: def __init__(self): self.__name = '123' obj=Foo() print(obj.__dict__) # 执行结果 {'_Foo__name': '123'} # 我们获取dict里的内容，然后所有属性改成_Foo__name这样子，再覆盖回dict，就完成了对所有属性的私有化。 class Mymeta(type): #只有继承了type类才能称之为一个元类，否则就是一个普通的自定义类 def __call__(self, *args, **kwargs): #self= #1、调用__new__产生一个空对象obj obj=self.__new__(self) # 此处的self是类StanfordTeacher，必须传参，代表创建一个StanfordTeacher的对象obj #2、调用__init__初始化空对象obj self.__init__(obj,*args,**kwargs) # 在初始化之后，obj.__dict__里就有值了 obj.__dict__={'_%s__%s' %(self.__name__,k):v for k,v in obj.__dict__.items()} # 这里采用了字典生成式 #3、返回初始化好的对象obj return obj class StanfordTeacher(object,metaclass=Mymeta): school='Stanford' def __init__(self,name,age): self.name=name self.age=age def say(self): print('%s says welcome to the Stanford to learn Python' %self.name) t1=StanfordTeacher('lili',18) print(t1.__dict__) #{'_StanfordTeacher__name': 'lili', '_StanfordTeacher__age': 18}

上面的代码中涉及到查找属性的问题，比如self.__new__，请看第五点。

3、自定义元类的调用 class Mymeta(type): #只有继承了type类才能称之为一个元类，否则就是一个普通的自定义类 n=444 def __new__(cls, *args, **kwargs): obj=type.__new__(cls,*args,**kwargs) # 必须按照这种传值方式 print(obj.__dict__) # return obj # 只有在返回值是type的对象时，才会触发下面的__init__ return 123 def __init__(self,class_name,class_bases,class_dic): print('run。。。') class StanfordTeacher(object,metaStanfordTeacher',(object),{...}) n=111 school='Stanford' def __init__(self,name,age): self.name=name self.age=age def say(self): print('%s says welcome to the Stanford to learn Python' %self.name) print(type(Mymeta)) # # 产生类StanfordTeacher的过程就是在调用Mymeta，而Mymeta也是type类的一个对象，那么Mymeta之所以可以调用，一定是在元类type中有一个__call__方法 # 该方法中同样需要做至少三件事： # class type: # def __call__(self, *args, **kwargs): #self= # obj=self.__new__(self,*args,**kwargs) # 调用Mymeta的new方法，产生Mymeta的一个空对象obj # self.__init__(obj,*args,**kwargs) # 调用Mymeta的init方法初始化空对象obj # return obj 4、总结对象()->类内的__call__ 类()->自定义元类内的__call__ 自定义元类()->内置元类type的__call__ # 下面是内置元类type的部分代码 # class type: # def __call__(self, *args, **kwargs): #self = # obj=self.__new__(self,*args,**kwargs) # 调用的是Mymeta的new方法，但是产生的是StanfordTeacher的空对象，args中存储的类名、基类、类名称空间字典。 # self.__init__(obj,*args,**kwargs) # return obj class Mymeta(type): #只有继承了type类才能称之为一个元类，否则就是一个普通的自定义类 def __call__(self, *args, **kwargs): # self = print('StanfordTeacher的new方法准备运行了...') '''查看StanfordTeacher调用时，传入的参数有哪些？ print(self, args, kwargs) self = args = ('lili', 18) kwargs = {} ''' obj=self.__new__(self) print('StanfordTeacher的init方法准备运行了...') self.__init__(obj,*args,**kwargs) return obj def __new__(cls, *args, **kwargs): print('Mymeta的new方法准备运行了...') ''' 查看内置元类中的type.call中传入的是哪些参数 print(cls, args, kwargs) cls = 类名基类类名称空间字典 args = ('StanfordTeacher' , (,) , {'__module__': '__main__', '__qualname__': 'StanfordTeacher', 'n': 111, 'school': 'Stanford', '__init__': , 'say': }) kwargs = {} ''' obj=type.__new__(cls,*args,**kwargs) # 必须按照这种传值方式 return obj def __init__(self,class_name,class_bases,class_dic): print('Mymeta的init方法准备运行了...') ''' 查看执行完Mymeta的new方法之后生成的对象是什么？ print(self,class_name,class_bases,class_dic) # self = # class_name = StanfordTeacher # class_bases = (,) # class_dic = {'__module__': '__main__', '__qualname__': 'StanfordTeacher', 'n': 111, 'school': 'Stanford', '__init__': , 'say': } ''' type.__init__(self,class_name,class_bases,class_dic) class StanfordTeacher(object,metaStanfordTeacher',(object),{...}) n=111 school='Stanford' def __init__(self,name,age): self.name=name self.age=age def say(self): print('%s says welcome to the Stanford to learn Python' %self.name) obj = StanfordTeacher('lili',18) # 运行结果： Mymeta的new方法准备运行了... Mymeta的init方法准备运行了... StanfordTeacher的new方法准备运行了... StanfordTeacher的init方法准备运行了...

执行顺序解析：

1. obj = StanfordTeacher('lili',18) # 先产生类StanfordTeacher，再调用 ? 2. 类的产生过程其实就是元类的调用过程：StanfordTeacher=Mymeta('StanfordTeacher',(object),{类名称空间}) ? 3. 自定义元类的调用就是调用内置元类type的__call__：type.call('Mymeta',*args,**kwargs)，因此先执行Mymeta的new、init方法,call中传入的参数是什么，我们在Mymeta的new方法里print(cls, args, kwargs)就晓得了 # 注意type.call,调用的Mymeta的new方法生成的是StanfordTeacher空对象，为什么？因为args中存储的是StanfordTeacher的类名、基类、类名称空间字典，这个在Mymeta的init方法里print(self)就晓得了， ? 5. 然后type.call返回创建好的对象给StanfordTeacher，因此产生类StanfordTeacher完成 ? 6. 调用StanfordTeacher('lili',18)就是调用自定义元类的__call__方法：Mymeta.__call__('StanfordTeacher','lili', 18)。args是('lili', 18),kwargs接收关键字参数，没有，因此是个空字典 ? 7. 因此这个时候就该StanfordTeacher的new、init方法执行了 ? 8. 自定义元类的__call__方法返回创建好的对象给obj

有人可能有疑问，在第2步元类调用过程，在这里是自定义元类的调用过程，但是自定义元类也需要产生吧？然后认为自定义元类的产生就是内置元类的调用过程。这种想法是正确的，自定义元类其实也是一个由class定义的普通类，只是我们继承了type类，扩展type类的功能。但是我们不需要研究这么深入，只需要享受它继承type，带来的扩展type元类的功能。

五、属性查找

结合python继承的实现原理+元类重新看属性的查找应该是什么样子呢？？？

在学习完元类后，其实我们用class自定义的类也全都是对象（包括object类本身也是元类type的一个实例，可以用type(object)查看），我们学习过继承的实现原理，如果把类当成对象去看，将下述继承应该说成是：对象StanfordTeacher继承对象Foo，对象Foo继承对象Bar，对象Bar继承对象object

1、类查找属性（StanfordTeacher.属性）的顺序（1）寻找类查找属性顺序，代码验证 class Mymeta(type): #只有继承了type类才能称之为一个元类，否则就是一个普通的自定义类 n=444 def __call__(self, *args, **kwargs): #self= obj=self.__new__(self) self.__init__(obj,*args,**kwargs) return obj class Bar(object): n=333 class Foo(Bar): n=222 class StanfordTeacher(Foo,metaclass=Mymeta): n=111 school='Stanford' def __init__(self,name,age): self.name=name self.age=age def say(self): print('%s says welcome to the Stanford to learn Python' %self.name) print(StanfordTeacher.n) #自下而上依次注释各个类中的n=xxx，运行一次，注释一个，发现n的查找顺序为StanfordTeacher->Foo->Bar->object->Mymeta->type

于是属性查找应该分成两层，一层是继承类查找（基于c3算法的MRO）的查找，另外一个层则是元类层的查找。

#查找顺序： #1、先对象层：StanfordTeacher->Foo->Bar->object #2、然后元类层：Mymeta->type （2）类查找属性顺序图解

在这里插入图片描述

（2）元类Mymeta中__call__里的self.__new__的属性查找

依据上述总结，我们来分析下元类Mymeta中__call__里的self.__new__的查找，注意self就是一个类，所以是符合类查找属性的顺序的：

class Mymeta(type): n=444 def __call__(self, *args, **kwargs): #self= obj=self.__new__(self) print(self.__new__ is object.__new__) #True class Bar(object): n=333 # def __new__(cls, *args, **kwargs): # print('Bar.__new__') class Foo(Bar): n=222 # def __new__(cls, *args, **kwargs): # print('Foo.__new__') class StanfordTeacher(Foo,metaclass=Mymeta): n=111 school='Stanford' def __init__(self,name,age): self.name=name self.age=age def say(self): print('%s says welcome to the Stanford to learn Python' %self.name) # def __new__(cls, *args, **kwargs): # print('StanfordTeacher.__new__') StanfordTeacher('lili',18) #触发StanfordTeacher的类中的__call__方法的执行，进而执行self.__new__开始查找

总结：Mymeta下的__call__里的self.__new__在StanfordTeacher、Foo、Bar里都没有找到__new__的情况下，会去找object里的__new__，而object下默认就有一个__new__，所以即便是之前的类均未实现__new__,也一定会在object中找到一个，根本不会、也根本没必要再去找元类Mymeta->type中查找__new__

注意：

1. 对于上面的代码。我们在其他继承类并没有new方法，相当于我们直接用的object的new方法，因此我们在元类的__call__中也可以直接用object.__new__(self)去造对象 2. 但我们还是推荐在__call__中使用self.__new__(self)去创造空对象，因为这种方式会检索三个类StanfordTeacher->Foo->Bar,而object.__new__则是直接跨过了他们三个 2、对象查找属性顺序（1）何为对象查找属性顺序？ obj = StanfordTeacher('lili',18) print(obj.n) # obj这个对象查找属性n的值（2）寻找对象查找属性的顺序，代码验证 class Mymeta(type): #只有继承了type类才能称之为一个元类，否则就是一个普通的自定义类 n=444 def __call__(self, *args, **kwargs): #self= obj=self.__new__(self) self.__init__(obj,*args,**kwargs) return obj class Bar(object): #n=333 pass class Foo(Bar): # n=222 pass class StanfordTeacher(Foo,metaclass=Mymeta): # n=111 school='Stanford' def __init__(self,name,age): self.name=name self.age=age def say(self): print('%s says welcome to the Stanford to learn Python' %self.name) obj = StanfordTeacher('lili',18) print(obj.n)

上述代码运行发现报错：在这里插入图片描述这是为什么呢？

答：因为对象的属性查找不会到元类去找，只会在继承体系中的类去找！因此它说没有这个属性n。（3）对象属性查找顺序图解

在这里插入图片描述注意：最后送大家一套2020最新企业Pyhon项目实战视频教程，点击此处进来获取跟着练习下，希望大家一起进步哦！

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