Python進(jìn)階——元類是怎么創(chuàng)建一個(gè)類的？

如果你看過比較優(yōu)秀的 Python 開源框架，肯定見到過元類的身影。例如，在一個(gè)類中定義了類屬性 __metaclass__，這就說明這個(gè)類使用了元類來創(chuàng)建。

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那元類的實(shí)現(xiàn)原理究竟是怎樣的？使用元類能幫我們在開發(fā)中解決什么樣的問題？

這篇文章，我們就來看一下 Python 元類的來龍去脈。

什么是元類？

我們都知道，定義一個(gè)類，然后調(diào)用它的構(gòu)造方法，就可以初始化出一個(gè)實(shí)例出來，就像下面這樣：

 
 
 
  
  
  class Person(object) 
  
  
      def __init__(name): 
  
  
          self.name = name 
  
  
  p = Person('zhangsan')

那你有沒有想過，我們平時(shí)定義的類，它是如何創(chuàng)建出來的？

別著急，我們先來看一個(gè)例子：

 
 
 
  
  
  >>> a = 1               # 創(chuàng)建a的類是int a是int的實(shí)例 
  
  
  >>> a.__class__ 
  
  
   
  
  
  >>> b = 'abc'           # 創(chuàng)建b的類是str b是str的實(shí)例 
  
  
  >>> b.__class__ 
  
  
   
  
  
  >>> def c():            # 創(chuàng)建c的類是function 方法c是function的實(shí)例 
  
  
  ...     pass 
  
  
  >>> c.__class__ 
  
  
   
  
  
  >>> class D(object):    # 創(chuàng)建d的類是D d是D的實(shí)例 
  
  
  ...     pass 
  
  
  >>> d.__class__

在這個(gè)例子中，我們定義了 int、str、function、class，然后分別調(diào)用了它們的__class__ 方法，這個(gè) __class__ 方法可以返回實(shí)例是如何創(chuàng)建出來的。

從方法返回的結(jié)果我們可以看到：

創(chuàng)建整數(shù) a 的類是 int，也就是說 a 是 int 的一個(gè)實(shí)例
創(chuàng)建字符串 b 的類是 str，也就是說 b 是 str 的一個(gè)實(shí)例
創(chuàng)建函數(shù) c 的類是 function，也就是說 c 是 function 的一個(gè)實(shí)例
創(chuàng)建實(shí)例 d 的類是 class，也就是說 d 是 class 的一個(gè)實(shí)例

除了這些之外，我們在開發(fā)中使用到的例如 list、dict 也類似，你可以測試觀察一下結(jié)果。

現(xiàn)在我們已經(jīng)得知，創(chuàng)建這些實(shí)例的類是 int、str、function、class，那進(jìn)一步思考一下，這些類又是怎么創(chuàng)建出來的呢？

同樣地，我們也調(diào)用這些類的 __class__ 方法，觀察結(jié)果：

 
 
 
  
  
  >>> a = 1
  
  
  >>> a.__class__.__class__ 
  
  
   
  
  
  >>> 
  
  
  >>> b = 'abc' 
  
  
  >>> b.__class__.__class__ 
  
  
   
  
  
  >>> 
  
  
  >>> def c(): 
  
  
  ...     pass 
  
  
  >>> c.__class__.__class__
  
  
   
  
  
  >>> 
  
  
  >>> class D(object): 
  
  
  ...     pass 
  
  
  >>> d = D() 
  
  
  >>> d.__class__.__class__

從結(jié)果我們可以看到，創(chuàng)建這些類的類，都是 type，所以 type 就是創(chuàng)建所有類的「元類」。也就是說，元類的作用就是用來創(chuàng)建類的。

你可以這樣理解：

元類 -> 類
類 -> 實(shí)例

用偽代碼表示，就是下面這樣：

 
 
 
  
  
  klass = MetaClass()     # 元類創(chuàng)建類 
  
  
  obj = klass()           # 類創(chuàng)建實(shí)例

是不是很有意思？

在這里，你也可以感受一下這句話的含義：Python 中一切皆對象！

無論是普通類型、方法、實(shí)例，還是類，都可以統(tǒng)一看作對象，它們的起源就是元類。

其實(shí)，在 Python 中，使用 type 方法，我們可就以創(chuàng)建出一個(gè)類，type 方法的語法如下：

 
 
 
  
  
  type(class_name, (base_class, ...), {attr_key: attr_value, ...})

例如，像下面這樣，我們使用 type 方法創(chuàng)建 MyClass 類，并且讓它繼承 object：

 
 
 
  
  
  >>> A = type('MyClass', (object, ), {}) # type創(chuàng)建一個(gè)類，繼承object 
  
  
  >>> A 
  
  
   
  
  
  >>> A() 
  
  
  <__main__.MyClass object at 0x10d905950>

我們還可以使用 type 創(chuàng)建一個(gè)包含屬性和方法的類：

 
 
 
  
  
  >>> def foo(self): 
  
  
  ...     return 'foo' 
  
  
  ... 
  
  
  >>> name = 'zhangsan' 
  
  
  >>> 
  
  
  # type 創(chuàng)建類B 繼承object 包含 name 屬性和 foo 方法 
  
  
  >>> B = type('MyClass', (object, ), {'name': name, 'foo': foo})  
  
  
  >>> B.name          # 打印 name 屬性 
  
  
  'zhangsan' 
  
  
  >>> print B().foo() # 調(diào)用 foo 方法 
  
  
  foo

通過 type 方法創(chuàng)建的類，和我們自己定義一個(gè)類，在使用上沒有任何區(qū)別。

其實(shí)，除了使用 type 方法創(chuàng)建一個(gè)類之外，我們還可以使用類屬性 __metaclass__ 創(chuàng)建一個(gè)類，這就是下面要講的「自定義元類」。

自定義元類

我們可以使用類屬性 __metaclass__ 把一個(gè)類的創(chuàng)建過程，轉(zhuǎn)交給其它地方，可以像下面這樣寫：

 
 
 
  
  
  class A(object): 
  
  
      __metaclass__ = ... # 這個(gè)類的創(chuàng)建轉(zhuǎn)交給其他地方 
  
  
      pass

這個(gè)例子中，我們先定義了類 A，然后定義了一個(gè)類屬性 __metaclass__，這個(gè)屬性表示創(chuàng)建類 A 的過程，轉(zhuǎn)交給其它地方處理。

那么，這個(gè)類屬性 __metaclass__ 需要怎么寫呢？

其實(shí)，它可以是一個(gè)方法，也可以是一個(gè)類。

用方法創(chuàng)建類

如果類屬性 __metaclass__ 賦值的是一個(gè)方法，那么創(chuàng)建類的過程，就交給了一個(gè)方法來執(zhí)行。

 
 
 
  
  
  def create_class(name, bases, attr): 
  
  
      print 'create class by method...' 
  
  
      # 什么事都沒做 直接用type創(chuàng)建了一個(gè)類 
  
  
      return type(name, bases, attr) 
  
  
  class A(object): 
  
  
      # 創(chuàng)建類的過程交給了一個(gè)方法 
  
  
      __metaclass__ = create_class 
  
  
  # Output:     
  
  
  # create class by method ...

我們定義了 create_class 方法，然后賦值給 __metaclass__，那么類 A 被創(chuàng)建時(shí)，就會(huì)調(diào)用 create_class 方法。

而 create_class 方法中的邏輯，就是我們上面所講到的，使用 type 方法創(chuàng)建出一個(gè)類，然后返回。

用類創(chuàng)建類

明白了用方法創(chuàng)建類之后，我們來看一下用類來創(chuàng)建另一個(gè)類。

 
 
 
  
  
  class B(type): 
  
  
      # 必須定義 __new__ 方法 返回一個(gè)類 
  
  
      def __new__(cls, name, bases, attr): 
  
  
          print 'create class by B ...' 
  
  
          return type(name, bases, attr) 
  
  
  class A(object): 
  
  
      # 創(chuàng)建類的過程交給了B 
  
  
      __metaclass__ = B  
  
  
   # Output: 
  
  
  # create class by B ...

在這個(gè)例子中，我們定義了類 B，然后把它賦值給了 A 的類變量 __metaclass__，這就表示創(chuàng)建 A 的過程，交給了類 B。

B 在定義時(shí)，首先繼承了 type，然后定義了 __new__ 方法，最后調(diào)用 type 方法返回了一個(gè)類，這樣當(dāng)創(chuàng)建類 A 時(shí)，會(huì)自動(dòng)調(diào)用類 B 的 __new__ 方法，然后得到一個(gè)類實(shí)例。

創(chuàng)建類的過程

好了，上面我們演示了通過元類創(chuàng)建一個(gè)類的兩種方式，分別是通過方法創(chuàng)建和通過類創(chuàng)建。

其實(shí)創(chuàng)建一個(gè)類的完整流程如下：

檢查類中是否有 __metaclass__ 屬性，如果有，則調(diào)用 __metaclass__ 指定的方法或類創(chuàng)建
如果類中沒有 __metaclass__ 屬性，那么會(huì)繼續(xù)在父類中尋找
如果任何父類中都沒有，那么就用 type 創(chuàng)建這個(gè)類

也就是說，如果我們沒有指定 __metaclass__，那么所有的類都是默認(rèn)由 type 創(chuàng)建，這種情況是我們大多數(shù)定義類時(shí)的流程。

如果類中指定了 __metaclass__，那么這個(gè)類的創(chuàng)建就會(huì)交給外部來做，外部可以定義具體的創(chuàng)建邏輯。

哪種創(chuàng)建類的方式更好？

雖然有兩種方式可以創(chuàng)建類，那么哪種方式更好呢？

一般我們建議使用類的方式創(chuàng)建，它的優(yōu)點(diǎn)如下：

使用類更能清楚地表達(dá)意圖
使用類更加 OOP，因?yàn)轭惪梢岳^承其他類，而且可以更友好地使用面向?qū)ο筇匦?/li>
使用類可以更好地組織代碼結(jié)構(gòu)

另外，使用類創(chuàng)建一個(gè)類時(shí)，這里有一個(gè)優(yōu)化點(diǎn)：在 __new__ 方法中不建議直接調(diào)用 type 方法，而是建議調(diào)用 super 的 __new__ 來創(chuàng)建類，執(zhí)行結(jié)果與 type 方法是一樣的：

 
 
 
  
  
  class B(type): 
  
  
      def __new__(cls, name, bases, attr): 
  
  
          # 使用 super.__new__ 創(chuàng)建類 
  
  
          return super(B, cls).__new__(cls, name, bases, attr)

創(chuàng)建類時(shí)自定義行為

前面我們用元類創(chuàng)建一個(gè)類時(shí)，它的功能非常簡單?，F(xiàn)在我們來看一下，使用元類創(chuàng)建類時(shí)，如何定義一些自己的邏輯，然后改變類的屬性或行為。

我們看下面這個(gè)例子：

 
 
 
  
  
  # coding: utf8 
  
  
  class Meta(type): 
  
  
      def __new__(cls, name, bases, attr): 
  
  
          # 通過 Meta 創(chuàng)建的類 屬性會(huì)都變成大寫 
  
  
          for k, v in attr.items(): 
  
  
              if not k.startswith('__'): 
  
  
                  attr[k] = v.upper() 
  
  
              else: 
  
  
                  attr[k] = v 
  
  
          return type(name, bases, attr) 
  
  
  class A(object): 
  
  
      # 通過 Meta 創(chuàng)建類 
  
  
      __metaclass__ = Meta 
  
  
      name = 'zhangsan' 
  
  
  class B(object): 
  
  
      # 通過 Meta 創(chuàng)建類 
  
  
      __metaclass__ = Meta  
  
  
      name = 'lisi' 
  
  
  # 打印類屬性 會(huì)自動(dòng)變成大寫 
  
  
  print A.name    # ZHANGSAN 
  
  
  print B.name    # LISI

在這個(gè)例子中，我們定義了一個(gè)元類 Meta，然后在定義類 A 和 B 時(shí)，把創(chuàng)建類的過程交給了 Meta，在 Meta 類中，我們可以拿到 A 和 B 的屬性，然后把它們的屬性都轉(zhuǎn)換成了大寫。

所以當(dāng)我們打印 A 和 B 的屬性時(shí)，雖然定義的變量是小寫的，但輸出結(jié)果都變成了大寫，這就是元類發(fā)揮的作用。

使用場景

了解了元類的實(shí)現(xiàn)原理，那么元類都會(huì)用在哪些場景呢？

我們在開發(fā)中其實(shí)用的并不多，元類的使用，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)在一些框架中，例如Django ORM、peewee，下面是使用 Django ORM 定義一個(gè)數(shù)據(jù)表映射類的代碼：

 
 
 
  
  
  class Person(models.Model): 
  
  
      # 注意: name 和 age 是類屬性 
  
  
      name = models.CharField(max_length=30) 
  
  
      age = models.IntegerField()     
  
  
  person = Person(name='zhangsan', age=20) 
  
  
  print person.name   # zhangsan 
  
  
  print person.age    # 20

仔細(xì)看在這段代碼中，我們定義了一個(gè) Person 類，然后在類中定義了類屬性 name 和 age，它們的類型分別是 CharField 和 IntegerField，之后我們初始化 Person 實(shí)例，然后通過實(shí)例獲取 name 和 age 屬性，輸出的卻是 str 和 int，而不再是 CharField 和 IntegerField。

能做到這樣的秘密就在于，Person 類在創(chuàng)建時(shí)，它的邏輯交給了另一個(gè)類，這個(gè)類針對類屬性進(jìn)行了轉(zhuǎn)換，最終變成對象與數(shù)據(jù)表的映射，通過轉(zhuǎn)換映射，我們就可以通過實(shí)例屬性的方式，友好地訪問表中對應(yīng)的字段值了。

總結(jié)

總結(jié)一下，這篇文章我們講了元類的實(shí)現(xiàn)原理，了解到元類是創(chuàng)建所有類的根源，我們可以通過 type 方法，或者在類中定義 __metaclass__ 的方式，把創(chuàng)建類的過程交給外部。

當(dāng)使用 __metaclass__ 創(chuàng)建類時(shí)，它可以是一個(gè)方法，也可以是一個(gè)類。我們通常會(huì)使用類的方式去實(shí)現(xiàn)一個(gè)元類，這樣做更方便我們組織代碼，實(shí)現(xiàn)面向?qū)ο蟆?/p>

在使用元類創(chuàng)建一個(gè)類時(shí)，我們可以修改創(chuàng)建類的細(xì)節(jié)，例如對屬性做統(tǒng)一的轉(zhuǎn)換，或者增加新的方法等等，這對于我們開發(fā)一個(gè)復(fù)雜功能的類很友好，它可以把創(chuàng)建類的細(xì)節(jié)屏蔽在元類中，所以元類常常用在優(yōu)秀的開源框架中。、

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