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前言 Python 界的领袖 Tim Peters 说元类就是深度的魔法99% 的用户应该根本不必为此操心。如果你想搞清楚究竟是否需要用到元类那么你就不需要它。那些实际用到元类的人都非常清楚地知道他们需要做什么而且根本不需要解释为什么要用元类。 让我们直接进入主题 一、Python 中类也是对象
在了解元类之前我们先进一步理解 Python 中的类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 中这一点也是一样的。
这点在学习类的章节也强调过了下面可以通过例子回忆一下
class ObjectCreator(object):passmObject ObjectCreator()
print(mObject)
输出结果
__main__.ObjectCreator object at 0x00000000023EE048但是Python 中的类有一点跟大多数的编程语言不同在 Python 中可以把类理解成也是一种对象。对的这里没有写错就是对象。
为什么呢
因为只要使用关键字 class Python 解释器在执行的时候就会创建一个对象。
如
class ObjectCreator(object):pass
当程序运行这段代码的时候就会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我们可以对它做如下的操作
class ObjectCreator(object):passdef echo(ob):print(ob)mObject ObjectCreator()
print(mObject)# 可以直接打印一个类因为它其实也是一个对象
print(ObjectCreator)
# 可以直接把一个类作为参数传给函数注意这里是类是没有实例化的
echo(ObjectCreator)
# 也可以直接把类赋值给一个变量
objectCreator ObjectCreator
print(objectCreator)
输出的结果如下
__main__.ObjectCreator object at 0x000000000240E358
class __main__.ObjectCreator
class __main__.ObjectCreator
class __main__.ObjectCreator 二、使用 type() 动态创建类
因为类也是对象所以我们可以在程序运行的时候创建类。
Python 是动态语言。
动态语言和静态语言最大的不同就是函数和类的定义不是编译时定义的而是运行时动态创建的。
在之前我们先了了解下 type() 函数。
首先我们新建一个 hello.py 的模块然后定义一个 Hello 的 class
class Hello(object):def hello(self, namePy):print(Hello,, name)
然后在另一个模块中引用 hello 模块并输出相应的信息。
其中 type() 函数的作用是可以查看一个类型和变量的类型。
from com.twowater.hello import Helloh Hello()
h.hello()print(type(Hello))
print(type(h))
输出的结果是怎样的呢
Hello, Py
class type
class com.twowater.hello.Hello上面也提到过type() 函数可以查看一个类型或变量的类型Hello 是一个 class 它的类型就是 type 而 h 是一个实例它的类型就是 com.twowater.hello.Hello。
前面的 com.twowater 是我的包名hello 模块在该包名下。
在这里还要细想一下上面的例子中我们使用 type() 函数查看一个类型或者变量的类型。
其中查看了一个 Hello class 的类型打印的结果是 class type 。
其实 type() 函数不仅可以返回一个对象的类型也可以创建出新的类型。
class 的定义是运行时动态创建的而创建 class 的方法就是使用 type() 函数。
比如我们可以通过 type() 函数创建出上面例子中的 Hello 类具体看下面的代码
def printHello(self, namePy):# 定义一个打印 Hello 的函数print(Hello,, name)# 创建一个 Hello 类
Hello type(Hello, (object,), dict(helloprintHello))# 实例化 Hello 类
h Hello()
# 调用 Hello 类的方法
h.hello()
# 查看 Hello class 的类型
print(type(Hello))
# 查看实例 h 的类型
print(type(h))
输出的结果如下
Hello, Py
class type
class __main__.Hello在这里需先了解下通过 type() 函数创建 class 对象的参数说明
1、class 的名称比如例子中的起名为 Hello
2、继承的父类集合注意 Python 支持多重继承如果只有一个父类tuple 要使用单元素写法例子中继承 object 类因为是单元素的 tuple 所以写成 (object,)
3、class 的方法名称与函数绑定例子中将函数 printHello 绑定在方法名 hello 中
具体的模式如下
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)
好了了解完具体的参数使用之外我们看看输出的结果可以看到通过 type() 函数创建的类和直接写 class 是完全一样的。
这是因为Python 解释器遇到 class 定义时仅仅是扫描一下 class 定义的语法然后调用 type() 函数创建出 class 的。
不过一般的情况下我们都是使用 class ***... 的方法来定义类的不过 type() 函数也可以让我们创建出类来。
也就是说动态语言本身支持运行期动态创建类这和静态语言有非常大的不同要在静态语言运行期创建类必须构造源代码字符串再调用编译器或者借助一些工具生成字节码实现本质上都是动态编译会非常复杂。
可以看到在 Python 中类也是对象你可以动态的创建类。
其实这也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。 三、什么是元类
通过上面的介绍终于模模糊糊的带到元类这里来了。可是我们到现在还不知道元类是什么鬼东西。
我们创建类的时候大多数是为了创建类的实例对象。
那么元类呢
元类就是用来创建类的。也可以换个理解方式就是元类就是类的类。
通过上面 type() 函数的介绍我们知道可以通过 type() 函数创建类
MyClass type(MyClass, (), {})
实际上 type() 函数是一个元类。
type() 就是 Python 在背后用来创建所有类的元类。
那么现在我们也可以猜到一下为什么 type() 函数是 type 而不是 Type呢
这可能是为了和 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 中所有的东西注意喔这里是说所有的东西他们都是对象。
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。
# 整形
age 23
print(age.__class__)
# 字符串
name 两点水
print(name.__class__)# 函数
def fu():passprint(fu.__class__)# 实例
class eat(object):passmEat eat()print(mEat.__class__)
输出的结果如下
class int
class str
class function
class __main__.eat可以看到上面的所有东西也就是所有对象都是通过类来创建的那么我们可能会好奇__class__ 的 __class__ 会是什么呢
换个说法就是创建这些类的类是什么呢
我们可以继续在上面的代码基础上新增下面的代码
print(age.__class__.__class__)
print(name.__class__.__class__)
print(fu.__class__.__class__)
print(mEat.__class__.__class__)
输出的结果如下
class type
class type
class type
class type认真观察再理清一下上面输出的结果是我们把整形 age ,字符创 name ,函数 fu 和对象实例 mEat 里 __class__ 的 __class__ 打印出来的结果。
也可以说是他们类的类打印结果。发现打印出来的 class 都是 type 。
一开始也提到了元类就是类的类。
也就是元类就是负责创建类的一种东西。
你也可以理解为元类就是负责生成类的。
而 type 就是内建的元类。也就是 Python 自带的元类。
四、自定义元类
到现在我们已经知道元类是什么鬼东西了。
那么从始至终我们还不知道元类到底有啥用。
只是了解了一下元类。
在了解它有啥用的时候我们先来了解下怎么自定义元类。
因为只有了解了怎么自定义才能更好的理解它的作用。
首先我们来了解下 __metaclass__ 属性
metaclass直译为元类简单的解释就是
当我们定义了类以后就可以根据这个类创建出实例所以先定义类然后创建实例。
但是如果我们想创建出类呢
那就必须根据metaclass创建出类所以先定义metaclass然后创建类。
连接起来就是先定义metaclass就可以创建类最后创建实例。
所以metaclass 允许你创建类或者修改类。
换句话说你可以把类看成是 metaclass 创建出来的“实例”。
class MyObject(object):__metaclass__ something…
[…]
如果是这样写的话Python 就会用元类来创建类 MyObject。
当你写下 class MyObject(object)但是类对象 MyObject 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 MyObject如果没有找到就会用内建的 type 函数来创建这个类。
再举个实例
class Foo(Bar):pass
它的判断流程是怎样的呢
首先判断 Foo 中是否有 __metaclass__ 这个属性如果有Python 会在内存中通过 __metaclass__ 创建一个名字为 Foo 的类对象注意这里是类对象。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。
其实 __metaclass__ 就是定义了 class 的行为。类似于 class 定义了 instance 的行为metaclass 则定义了 class 的行为。可以说class 是 metaclass 的 instance。
现在我们基本了解了 __metaclass__ 属性但是也没讲过如何使用这个属性或者说这个属性可以放些什么
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。
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。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
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(__))
# 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
print hasattr(Foo, bar)
# 输出: False
print hasattr(Foo, BAR)
# 输出:Truef Foo()
print f.BAR
# 输出:bip
用 class 当做元类的做法# 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)
但是这种方式其实不是 OOP。我们直接调用了 type而且我们没有改写父类的 __new__ 方法。现在让我们这样去处理:
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)
你可能已经注意到了有个额外的参数 upperattr_metaclass 这并没有什么特别的。类方法的第一个参数总是表示当前的实例就像在普通的类方法中的 self 参数一样。当然了为了清晰起见这里的名字我起的比较长。但是就像 self 一样所有的参数都有它们的传统名称。因此在真实的产品代码中一个元类应该是像这样的
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)
如果使用 super 方法的话我们还可以使它变得更清晰一些这会缓解继承是的你可以拥有元类从元类继承从 type 继承
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)
通常我们都会使用元类去做一些晦涩的事情依赖于自省控制继承等等。确实用元类来搞些“黑暗魔法”是特别有用的因而会搞出些复杂的东西来。但就元类本身而言它们其实是很简单的
拦截类的创建修改类返回修改之后的类
五、使用元类
终于到了使用元类了可是一般来说我们根本就用不上它就像Python 界的领袖 Tim Peters 说的 元类就是深度的魔法99% 的用户应该根本不必为此操心。如果你想搞清楚究竟是否需要用到元类那么你就不需要它。那些实际用到元类的人都非常清楚地知道他们需要做什么而且根本不需要解释为什么要用元类。 元类的主要用途是创建 API。一个典型的例子是 Django ORM。它允许你像这样定义
class Person(models.Model):name models.CharField(max_length30)age models.IntegerField()
但是如果你这样做的话
guy Person(namebob, age35)
print guy.age
这并不会返回一个 IntegerField 对象而是会返回一个 int甚至可以直接从数据库中取出数据。
这是有可能的因为 models.Model 定义了 __metaclass__ 并且使用了一些魔法能够将你刚刚定义的简单的Person类转变成对数据库的一个复杂 hook。
Django 框架将这些看起来很复杂的东西通过暴露出一个简单的使用元类的 API 将其化简通过这个 API 重新创建代码在背后完成真正的工作。
Python 中的一切都是对象它们要么是类的实例要么是元类的实例除了 type。type 实际上是它自己的元类在纯 Python 环境中这可不是你能够做到的这是通过在实现层面耍一些小手段做到的。
