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Python中的元类(metaclass)
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一、什么是元类
元类(metaclass) ：就是创建类的类。
这么说可能不太好理解，下面我们来解释下上面这句话： 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中也不例外。 实例对象是由类生成的，而python中，类本身也是可以被传递和自省的对象。 类对象是用什么创建和生成的呢？答案是元类，元类就是一种知道如何创建和管理类的对象，也可以叫做类生成器。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),python内置了一个方法可以看到类对象的类，就是type,： 查看对象的类型：
查看类的类型
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，是不是有些惊讶 于是我们可以推导出：
上文我们基于python中一切皆为对象的概念分析出：我们用class关键字定义的类本身也是一个对象，负责产生该对象的类称之为元类（元类可以简称为类的类），内置的元类为type 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 type可以接受一个类的描述作为参数，然后返回一个类。type可以像这样工作： type(类名, 由父类名称组成的元组（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：
可以手动像这样创建：
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
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。 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() #使用元类创建出一个对象，这个对象称为“类” MyObject = MyClass() #使用“类”来创建出实例对象你已经看到了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。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，这个类就是type。 四、 自定义元类控制类的创建一个类没有声明自己的元类，默认他的元类就是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 # StanfordTeacher=Mymeta('StanfordTeacher',(object),{...}) 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)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，于是我们可以自定义元类来控制StanfordTeacher类的产生：如下示例 1.自定义元类来控制StanfordTeacher类的产生 import re class Mymeta(type): # 只有继承了type类的类才是自定义的元类 def __init__(self, class_name, class_bases, class_dic): # print(self) # 类 # print(class_name) # print(class_bases) # print(class_dic) if not re.match("[A-Z]", class_name): raise BaseException("类名必须用驼峰体") if len(class_bases) == 0: raise BaseException("至少继承一个父类") # print("文档注释：",class_dic.get('__doc__')) doc=class_dic.get('__doc__') if not (doc and len(doc.strip()) > 0): raise BaseException("必须要有文件注释，并且注释内容不为空") # StanfordTeacher = Mymeta("StanfordTeacher",(object,),{...}) class StanfordTeacher(object,metaclass=Mymeta): """ adsaf """ school = 'oldboy' def __init__(self, name, age): self.name = name self.age = age def say(self): print('%s says welcome to the oldboy to learn Python' % self.name)自定义元类来控制StanfordTeacher类的调用: 储备知识：__call__ 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)由上例得知，调用一个对象，就是触发对象所在类中的__call__方法的执行，如果把StanfordTeacher也当做一个对象，那么在StanfordTeacher这个对象的类中也必然存在一个__call__方法 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StanfordTeacher类中的__call__方法 # 然后将StanfordTeacher传给self,溢出的位置参数传给*，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，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对应着，StanfordTeacher类中的__call__方法也应该做这三件事: 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) #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 import re class Mymeta(type): # 只有继承了type类的类才是自定义的元类 def __init__(self, class_name, class_bases, class_dic): # print(self) # 类 # print(class_name) # print(class_bases) # print(class_dic) if not re.match("[A-Z]", class_name): raise BaseException("类名必须用驼峰体") if len(class_bases) == 0: raise BaseException("至少继承一个父类") # print("文档注释：",class_dic.get('__doc__')) doc = class_dic.get('__doc__') if not (doc and len(doc.strip()) > 0): raise BaseException("必须要有文件注释，并且注释内容不为空") # res = StanfordTeacher('egon',18) def __call__(self, *args, **kwargs): # 1、先创建一个老师的空对象 tea_obj = object.__new__(self) # 2、调用老师类内的__init__函数，然后将老师的空对象连同括号内的参数的参数一同传给__init__ self.__init__(tea_obj, *args, **kwargs) tea_obj.__dict__ = {"_%s__%s" %(self.__name__,k): v for k, v in tea_obj.__dict__.items()} # 3、将初始化好的老师对象赋值给变量名res return tea_obj # StanfordTeacher = Mymeta("StanfordTeacher",(object,),{...}) class StanfordTeacher(object, metaclass=Mymeta): """ adsaf """ school = 'oldboy' # tea_obj,'egon',18 def __init__(self, name, age): self.name = name # tea_obj.name='egon' self.age = age # tea_obj.age=18 def say(self): print('%s says welcome to the oldboy to learn Python' % self.name) res = StanfordTeacher('egon', 18) print(res.__dict__) # print(res.name) # print(res.age) # print(res.say) # 调用StanfordTeacher类做的事情： # 1、先创建一个老师的空对象 # 2、调用老师类内的__init__方法，然后将老师的空对象连同括号内的参数的参数一同传给__init__ # 3、将初始化好的老师对象赋值给变量名res最后说明一点 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,metaclass=Mymeta): #StanfordTeacher=Mymeta('StanfordTeacher',(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) # 产生Mymeta的一个对象 # self.__init__(obj,*args,**kwargs) # return obj 五、元类冲突假如有两个不同的元类，要生成一个继承这两个类的子类，会产生什么情况呢？
这时会报错， 元类冲突。 我们需要手动构造新的子类元类，让新的子类元类继承自A和B的元类：
应用元类之前我们首先要知道使用元类编程的缺点： 实现麻烦 代码可读性不高 不易维护其实在开头引用TimPeters的话就说明，不要随意在生产代码中使用元类，而且现有的编码规范也极不推荐使用。 就元类本身而言，它的作用是： 拦截类的创建 修改类 返回修改之后的类使用元类还是有一些好处的： 意图更加明确。当然你的metaclass名字要起好 面向对象。可以隐式继承到子类 可以更好地组织代码 可以用__new__，__init__,__call__等方法更好地控制 七、在Python当中，__call__,__new__,__init__三者之间的关系在类实例化的过程当中，哪个对象加()就寻找产生这个对象的类的__call__方法，只要是__call__方法，一定会做三件事情： 第一：调用__new__方法，构造新的对象，相当于Java当中的构造函数.（对象自己的__new__） 第二：调用__init__方法,去初始化这个对象（对象自己的__init__） 第三：返回这个对象.注意:__new__更像是其他语言当中的构造函数，必须有返回值，返回值实例化的对象，__init__只是初始化构造函数，必须没有返回值，仅仅只是初始化功能，并不能new创建对象. 也就是说,一个类在实例化的时候实际上是做了三件事情： 第一：触发元类中（造出这个类的类）的__call__方法 第二：通过__new__产生一个空对象 第三：通过__init__初始化这个对象 第四：返回这个对象类在实例化对象的时候函数的调用顺序依次是: __call__==>__new__==>__init__ 八、练习： 1、在元类中控制把自定义类的数据属性都变成大写 class Mymetaclass(type): def __new__(cls,name,bases,attrs): update_attrs={} for k,v in attrs.items(): if not callable(v) and not k.startswith('__'): update_attrs[k.upper()]=v else: update_attrs[k]=v return type.__new__(cls,name,bases,update_attrs) class Chinese(metaclass=Mymetaclass): country='China' tag='Legend of the Dragon' #龙的传人 def walk(self): print('%s is walking' %self.name) print(Chinese.__dict__) ''' {'__module__': '__main__', 'COUNTRY': 'China', 'TAG': 'Legend of the Dragon', 'walk': , '__dict__': , '__weakref__': , '__doc__': None} ''' 2、在元类中控制自定义的类不使用__init__方法完成以下1.元类帮其完成创建对象，以及初始化操作； 2.要求实例化时传参必须为关键字形式，否则抛出异常TypeError: must use keyword argument 3.key作为用户自定义类产生对象的属性，且所有属性变成大写 class Mymetaclass(type): # def __new__(cls,name,bases,attrs): # update_attrs={} # for k,v in attrs.items(): # if not callable(v) and not k.startswith('__'): # update_attrs[k.upper()]=v # else: # update_attrs[k]=v # return type.__new__(cls,name,bases,update_attrs) def __call__(self, *args, **kwargs): if args: raise TypeError('must use keyword argument for key function') obj = object.__new__(self) #创建对象，self为类Foo for k,v in kwargs.items(): obj.__dict__[k.upper()]=v return obj class Chinese(metaclass=Mymetaclass): country='China' tag='Legend of the Dragon' #龙的传人 def walk(self): print('%s is walking' %self.name) p=Chinese(name='lili',age=18,sex='male') print(p.__dict__) 3、在元类中控制自定义的类产生的对象相关的属性全部为隐藏属性 class Mymeta(type): def __init__(self,class_name,class_bases,class_dic): #控制类Foo的创建 super(Mymeta,self).__init__(class_name,class_bases,class_dic) def __call__(self, *args, **kwargs): #控制Foo的调用过程，即Foo对象的产生过程 obj = self.__new__(self) self.__init__(obj, *args, **kwargs) obj.__dict__={'_%s__%s' %(self.__name__,k):v for k,v in obj.__dict__.items()} return obj class Foo(object,metaclass=Mymeta): # Foo=Mymeta(...) def __init__(self, name, age,sex): self.name=name self.age=age self.sex=sex obj=Foo('lili',18,'male') print(obj.__dict__) 4、基于元类实现单例模式 # 单例：即单个实例，指的是同一个类实例化多次的结果指向同一个对象，用于节省内存空间 # 如果我们从配置文件中读取配置来进行实例化，在配置相同的情况下，就没必要重复产生对象浪费内存了 #settings.py文件内容如下 HOST='1.1.1.1' PORT=3306方式一:定义一个类方法实现单例模式 import settings class Mysql: __instance=None def __init__(self,host,port): self.host=host self.port=port @classmethod def singleton(cls): if not cls.__instance: cls.__instance=cls(settings.HOST,settings.PORT) return cls.__instance obj1=Mysql('1.1.1.2',3306) obj2=Mysql('1.1.1.3',3307) print(obj1 is obj2) #False obj3=Mysql.singleton() obj4=Mysql.singleton() print(obj3 is obj4) #True方式二：定制元类实现单例模式 import settings class Mymeta(type): def __init__(self,name,bases,dic): #定义类Mysql时就触发 # 事先先从配置文件中取配置来造一个Mysql的实例出来 self.__instance = object.__new__(self) # 产生对象 self.__init__(self.__instance, settings.HOST, settings.PORT) # 初始化对象 def __call__(self, *args, **kwargs): #Mysql(...)时触发 if args or kwargs: # args或kwargs内有值 obj=object.__new__(self) self.__init__(obj,*args,**kwargs) return obj return self.__instance class Mysql(metaclass=Mymeta): def __init__(self,host,port): self.host=host self.port=port obj1=Mysql() # 没有传值则默认从配置文件中读配置来实例化，所有的实例应该指向一个内存地址 obj2=Mysql() obj3=Mysql() print(obj1 is obj2 is obj3) obj4=Mysql('1.1.1.4',3307)方式三:定义一个装饰器实现单例模式 import settings def singleton(cls): #cls=Mysql _instance=cls(settings.HOST,settings.PORT) def wrapper(*args,**kwargs): if args or kwargs: obj=cls(*args,**kwargs) return obj return _instance return wrapper @singleton # Mysql=singleton(Mysql) class Mysql: def __init__(self,host,port): self.host=host self.port=port obj1=Mysql() obj2=Mysql() obj3=Mysql() print(obj1 is obj2 is obj3) #True obj4=Mysql('1.1.1.3',3307) obj5=Mysql('1.1.1.4',3308) print(obj3 is obj4) #False抄自于：https://zhuanlan.zhihu.com/p/109336845 |
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