元編程，一個(gè)聽(tīng)起來(lái)特別酷的詞，強(qiáng)大的Lisp在這方面是好手，對(duì)于Python，盡管沒(méi)有完善的元編程范式，一些天才的開(kāi)發(fā)者還是創(chuàng)作了很多元編程的魔法。Django的ORM就是元編程的一個(gè)很好的例子。

本篇的概念和例子皆在Python3.6環(huán)境下

一切都是對(duì)象

Python里一切都是對(duì)象（object），基本數(shù)據(jù)類(lèi)型，如數(shù)字，字串，函數(shù)都是對(duì)象。對(duì)象可以由類(lèi)（class）進(jìn)行創(chuàng)建。既然一切都是對(duì)象，那么類(lèi)是對(duì)象嗎？

是的，類(lèi)也是對(duì)象，那么又是誰(shuí)創(chuàng)造了類(lèi)呢？答案也很簡(jiǎn)單，也是類(lèi)，一個(gè)能創(chuàng)作類(lèi)的類(lèi)，就像上帝一樣，開(kāi)啟了萬(wàn)物之始。這樣的類(lèi)，稱(chēng)之為元類(lèi)（classmeta）。

類(lèi)的定義

對(duì)象是通過(guò)類(lèi)創(chuàng)建的，這個(gè)很好理解。例如下面的代碼：

class Bar(object): passbar = Bar()print(bar, bar.__class__) # <__main__.Bar object at 0x101eb4630> <class ’__main__.Bar’>print(Bar, Bar.__class__) # <class ’__main__.Bar’> <class ’type’>

可以看見(jiàn)對(duì)象 bar 是類(lèi) Bar 創(chuàng)建的實(shí)例。然而 Bar，看起來(lái)卻是由一個(gè)叫 type 的類(lèi)創(chuàng)建的實(shí)例。即 bar <-- Bar < -- type。

上面的例子，對(duì)象是動(dòng)態(tài)創(chuàng)建的，類(lèi)則是通過(guò)關(guān)鍵字 class 聲明定義的。class關(guān)鍵字背后的玄機(jī)是什么呢？

實(shí)際上，class Bar(object) 這樣的代碼，等價(jià)于 Bar = type(’Bar’, (objects, ), {})即類(lèi) type 通過(guò)實(shí)例化創(chuàng)建了它的對(duì)象 Bar，而這個(gè) Bar 恰恰是一個(gè)類(lèi)。這樣能創(chuàng)建類(lèi)的類(lèi)，就是 Python 的元類(lèi)。

從創(chuàng)建 Bar 的代碼上來(lái)看，元類(lèi) type 的 __init__ 方法有3個(gè)參數(shù)，

第一個(gè)是創(chuàng)建的類(lèi)的名字 第二個(gè)是其繼承父類(lèi)的元類(lèi)列表， 最后就是一個(gè)屬性字典，即該類(lèi)所具有的屬性。

type 元類(lèi)

type是小寫(xiě)，因而很容易誤以為它是一個(gè)函數(shù)。通過(guò)help(type)可以看到它的定義如下：

class type(object): ''' type(object_or_name, bases, dict) type(object) -> the object’s type type(name, bases, dict) -> a new type ''' def __init__(cls, what, bases=None, dict=None): # known special case of type.__init__ ''' type(object_or_name, bases, dict) type(object) -> the object’s type type(name, bases, dict) -> a new type # (copied from class doc) ''' pass @staticmethod # known case of __new__ def __new__(*args, **kwargs): # real signature unknown ''' Create and return a new object. See help(type) for accurate signature. ''' pass

如前所述，__init__方法接受三個(gè)參數(shù)，type 實(shí)例化的過(guò)程，會(huì)創(chuàng)建一個(gè)新的類(lèi)。創(chuàng)建類(lèi)的代碼來(lái)自 __new__ 方法，它的參數(shù)其實(shí)和 __init__，一樣。至于它們之間有什么關(guān)系，后面再做介紹。目前只要知道，當(dāng)調(diào)用 type 進(jìn)行實(shí)例化的時(shí)候，會(huì)先自動(dòng)調(diào)用 __new__ 方法，然后再接著調(diào)用 __init__方法，在類(lèi)外面來(lái)看，最終會(huì)實(shí)例化一個(gè)對(duì)象，這個(gè)對(duì)象是一個(gè)類(lèi)。

從 type 的定義來(lái)看，它繼承 object，Python3的所有類(lèi)，都繼承來(lái)著 object，類(lèi)type 也是 object 的實(shí)例，令人奇怪的是，object 既是類(lèi)也是對(duì)象，它也是由 type實(shí)例化而來(lái)。有一種雞生蛋，蛋生雞的悖論。暫且先不管，只要知道所有類(lèi)的頂級(jí)繼承來(lái)自 object 就好。

自定義元類(lèi)

既然元類(lèi)可以創(chuàng)建類(lèi)，那么自定義元類(lèi)就很簡(jiǎn)單了，直接繼承類(lèi) type 即可。先看下面一個(gè)例子：

class MyType(type): passclass Bar(object, metaclass=MyType): passprint(MyType, MyType.__class__) # <class ’__main__.MyType’> <class ’type’>print(Bar, Bar.__class__) # <class ’__main__.Bar’> <class ’__main__.MyType’>

可以看到，Bar在聲明的時(shí)候，指定了其元類(lèi)，此時(shí)的類(lèi) Bar 的__class__屬性不再是 type，而是 MyType。即之前定義 Bar 的代碼不再是 Bar = type(’Bar’, (objects, ), {}), 而是 Bar = MyType(’Bar’, (objects, ), {})。創(chuàng)建的元類(lèi)的代碼是MyType = type(’MyType’, (objects, ), {})。

如果一個(gè)類(lèi)沒(méi)有顯示的指定其元類(lèi)，那么會(huì)沿著繼承鏈尋找父類(lèi)的元類(lèi)，如果一直找不到，那么就使用默認(rèn)的 type 元類(lèi)。

元類(lèi)沖突

每個(gè)類(lèi)都可以指定元類(lèi)，但是父類(lèi)和子類(lèi)的元類(lèi)要是一條繼承關(guān)系上的，否則會(huì)出現(xiàn)元類(lèi)沖突。并且這個(gè)繼承關(guān)系中，以繼承最后面的元類(lèi)為其元類(lèi)。

元類(lèi)的查找順序大致為，先查看其繼承的父類(lèi)，找到父類(lèi)的元類(lèi)即停止。若直接父類(lèi)沒(méi)有元類(lèi)，直到頂級(jí)父類(lèi) object ，此時(shí)父類(lèi)（object）的元類(lèi)是 type（basemetaclass），再看其自身有沒(méi)有指定元類(lèi)（submetaclass），如果指定了元類(lèi)（submetaclass），再對(duì)比這個(gè)子元類(lèi)（submetaclass）和父元類(lèi)（basemetaclass），如果它們毫無(wú)繼承關(guān)系，那么將會(huì)拋出元類(lèi)沖突的錯(cuò)誤。如果指定的子元類(lèi)是父元類(lèi)的父類(lèi)，那么將會(huì)使用父元類(lèi)，否則將使用期指定的子元類(lèi)。

即 submetaclass <- basemetaclass使用 submetaclass 作為最終元類(lèi)，若 basemetaclass <- submetaclass, 使用 basemetaclass 作為最終元類(lèi),兩者無(wú)繼承關(guān)系，拋出沖突。

有點(diǎn)像繞口令，且看代碼例子

class MyType(type): pass# 等價(jià)于 MyType = type(’MyType’, (object, ), {})class Bar(object, metaclass=MyType): pass# 等價(jià)于 Bar = MyType(’Bar’, (object, ), {})class Foo(Bar): pass# 等價(jià)于 Foo = MyType(’Foo’, (Foo, object, ), {})print(Bar, Bar.__class__) # <class ’__main__.Bar’> <class ’__main__.MyType’>print(Foo, Foo.__class__) # <class ’__main__.Foo’> <class ’__main__.MyType’>

Bar的父元類(lèi)（basemetaclass）type，指定子元類(lèi)（submetaclass）是 MyType， MyType 繼承自 type，所以Bar的元類(lèi)是 MyType。

又如：

class MyType(type): passclass Bar(object, metaclass=MyType): passclass Foo(Bar, metaclass=type): passprint(Bar, Bar.__class__) # <class ’__main__.Bar’> <class ’__main__.MyType’>print(Foo, Foo.__class__) # <class ’__main__.Foo’> <class ’__main__.MyType’>

盡管 Foo 也指定了元類(lèi)(submetaclass) type，可是其父類(lèi)的元類(lèi)（basemetaclass）是 MyType， MyType是 type的子類(lèi)，因此 Foo的元類(lèi)拋棄了指定的(submetaclass) type，而是沿用了其父類(lèi)的MyType。

當(dāng) submetaclass 和 basemetaclass 沒(méi)有繼承關(guān)系的時(shí)候，將會(huì)元類(lèi)沖突

class MyType(type): passclass MyOtherType(type): passclass Bar(object, metaclass=MyType): passclass Foo(Bar, metaclass=MyOtherType): pass

運(yùn)行代碼，當(dāng)定義的時(shí)候就會(huì)出現(xiàn)TypeError: metaclass conflict: the metaclass of a derived class must be a (non-strict)元類(lèi)沖突的錯(cuò)誤。

修改代碼如下：

class MyType(type): passclass MyOtherType(MyType): passclass Bar(object, metaclass=MyType): passclass Foo(Bar, metaclass=MyOtherType): passprint(Bar, Bar.__class__) # <class ’__main__.Bar’> <class ’__main__.MyType’>print(Foo, Foo.__class__) # <class ’__main__.Foo’> <class ’__main__.MyOtherType’>

可以看到 Bar 和 Foo 分別有自己的元類(lèi)，并且都符合繼承關(guān)系中尋找。再調(diào)換一下元類(lèi)看看：

class MyType(type): passclass MyOtherType(MyType): passclass Bar(object, metaclass=MyOtherType): passclass Foo(Bar, metaclass=MyType): passprint(Bar, Bar.__class__) # <class ’__main__.Bar’> <class ’__main__.MyOtherType’>print(Foo, Foo.__class__) # <class ’__main__.Foo’> <class ’__main__.MyOtherType’>

都使用了Foo還是使用了元子類(lèi)作為元類(lèi)。究其原因，其實(shí)也很好理解。定義父類(lèi)的時(shí)候，使用了元類(lèi)MyOtherType 。定義子類(lèi)的時(shí)候，通過(guò)繼承，找到了創(chuàng)建父類(lèi)的元類(lèi)，那么父類(lèi)就是 MyOtherType 的實(shí)例。

如果使用 MyType 做為元類(lèi)，那么他就是 MyType 的實(shí)例，MyType的實(shí)例會(huì)比MyOtherType具有的屬性少，那么在繼承鏈上，它又是 Bar的子類(lèi)，這樣看就是子類(lèi)比父類(lèi)還狹窄了，顯然不是一個(gè)好的關(guān)系。即變成了下面的關(guān)系

Bar <- MyOtherType | ↑ | | ↓ |

Foo <- MyType

因此當(dāng) MyType 是 MyOtherType的父類(lèi)的時(shí)候，即使 Foo 指定了 MyType作為元類(lèi)，還是會(huì)被忽略，使用其父元類(lèi)MyOtherType。

上面的線的箭頭要一直，才能使用各自指定的元類(lèi)，否則使用箭頭指向的那個(gè)類(lèi)作為元類(lèi)。元類(lèi)沒(méi)有繼承關(guān)系，元類(lèi)沖突。

對(duì)象（類(lèi)）實(shí)例化

目前為止，我們了解了類(lèi)的定義，即類(lèi)是如何被元類(lèi)創(chuàng)建出來(lái)的，但是創(chuàng)建的細(xì)節(jié)尚未涉及。即元類(lèi)是如何通過(guò)實(shí)例化創(chuàng)建類(lèi)的過(guò)程。這也是對(duì)象創(chuàng)建的過(guò)程。

前文介紹了一個(gè)對(duì)象是通過(guò)類(lèi)創(chuàng)建的，類(lèi)對(duì)象是通過(guò)元類(lèi)創(chuàng)建的。創(chuàng)建類(lèi)中，會(huì)先調(diào)用元類(lèi)的__new__方法，設(shè)置其名稱(chēng)，繼承關(guān)系和屬性，返回一個(gè)實(shí)例。然后再調(diào)用實(shí)例的__init__方法進(jìn)行初始化實(shí)例對(duì)象。

class MyType(type): def __init__(self, *args, **kwargs): print(’init ’, id(self), args, kwargs) def __new__(cls, *args, **kwargs): print(’new’, id(cls), args, kwargs) instance = super(MyType, cls).__new__(cls, *args, **kwargs) print(id(instance)) return instanceclass Bar(object, metaclass=MyType): pass

運(yùn)行代碼可以看見(jiàn)輸出：

new 4323381304 (’Bar’, (<class ’object’>,), {’__module__’: ’__main__’, ’__qualname__’: ’Bar’}) {}4323382232init 4323382232 (’Bar’, (<class ’object’>,), {’__module__’: ’__main__’, ’__qualname__’: ’Bar’}) {}

注意，上面代碼僅關(guān)注 Bar 類(lèi)的創(chuàng)建，即 Bar =MyType(’Bar’, (object, ), {})這個(gè)定義代碼。MyType進(jìn)行實(shí)例化創(chuàng)建 Bar的過(guò)程中，會(huì)先用 其 __new__ 方法，后者調(diào)用了父類(lèi) type的 __new__方法，并返回了元類(lèi)的實(shí)例, 同時(shí)調(diào)用這個(gè)實(shí)例的__init__方法，后者對(duì)改實(shí)例對(duì)象進(jìn)行初始化。這也就是為什么方法名為 __init__。

通常我們會(huì)在 __init__方法初始化一些實(shí)例對(duì)象的屬性如果 __new__ 方法什么也不返回，那么 __init__ 方法是不會(huì)被調(diào)用的。

instance = super(MyType, cls).__new__(cls, *args, **kwargs)， 有的地方也喜歡寫(xiě)成 type.__new__或者 type，前者是python中如何調(diào)用父類(lèi)方法的問(wèn)題，后者是直接使用type創(chuàng)建類(lèi)的過(guò)程。比較推薦的寫(xiě)法還是使用 super 調(diào)用其父類(lèi)的方法的方式。

類(lèi)是元類(lèi)的對(duì)象，普通類(lèi)創(chuàng)建對(duì)象的過(guò)程，也是一樣。因此，只要重寫(xiě) __new__方法，還可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)類(lèi)還可以創(chuàng)建另外一個(gè)類(lèi)的實(shí)例的魔法。

移花接木

重寫(xiě) __new__ 方法，讓其創(chuàng)建另外一個(gè)類(lèi)的實(shí)例。

class Bar: def __init__(self, name): self.name = name print(’Bar init’) def say(self): print(’say: Bar {}’.format(self.name))class Foo(object): def __init__(self): print(’self {}’.format(self)) def __new__(cls, *args, **kwargs): instance = super(Foo, cls).__new__(Bar, *args, **kwargs) print(’instance {}’.format(instance)) instance.__init__(’a class’) return instance def say(self): print(’say: Foo’)m = Foo()print(’m {}’.format(m))m.say()

輸出

instance <__main__.Bar object at 0x104033240>Bar initm <__main__.Bar object at 0x104033240>say: Bar a class

在類(lèi) Foo 中，通過(guò)重寫(xiě) __new__返回了一個(gè) Bar 類(lèi)的實(shí)例對(duì)象，然后調(diào)用 Bar 實(shí)例的 __inti__ 方法初始化，由于返回了 bar 實(shí)例，因此 Foo 的實(shí)例沒(méi)有被創(chuàng)建，因此也不會(huì)調(diào)用它的實(shí)例方法 __inti__ 。這樣就把 移花（Bar）接木（Foo）上了。

也許有人會(huì)覺(jué)得這樣的詭異魔法有什么用呢？實(shí)際上，Tornado框架使用了這樣的技術(shù)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)叫 Configurable 的工廠類(lèi)，用于創(chuàng)建不同網(wǎng)絡(luò)IO下的epoll還是select模型。有興趣可以參考其實(shí)現(xiàn)方式。

元類(lèi)的應(yīng)用

討論了那么多原理的東西，最后肯定是要應(yīng)用到實(shí)際中才有意義。既然類(lèi)可以被動(dòng)態(tài)的創(chuàng)建，那么很多定義在類(lèi)的方法，豈不是也可以被動(dòng)態(tài)的創(chuàng)建了呢。這樣就省去了很多重復(fù)工作，也能實(shí)現(xiàn)酷酷的元編程。

元類(lèi)可以創(chuàng)建單例模式，也可以用來(lái)實(shí)現(xiàn) ORM，下面介紹的是Django使用元類(lèi)實(shí)現(xiàn)的查找方式。更經(jīng)典的model定義網(wǎng)上有很多例子，就不再介紹了。下面介紹一個(gè)model通過(guò)manger管理器實(shí)現(xiàn)查詢(xún)方法的例子

import inspectclass QuerySet: def get(self, *args, **kwargs): print(’get method’) return self def filter(self, *args, **kwargs): print(’filter method’) return selfclass BaseManager: def __init__(self): pass @classmethod def from_queryset(cls, queryset_class, class_name=None): if class_name is None: class_name = ’%sFrom%s’ % (cls.__name__, queryset_class.__name__) class_dict = { ’_queryset_class’: queryset_class, } class_dict.update(cls._get_queryset_methods(queryset_class)) return type(class_name, (cls,), class_dict) def get_queryset(self): return self._queryset_class() @classmethod def _get_queryset_methods(cls, queryset_class): def create_method(name, method): def manager_method(self, *args, **kwargs):return getattr(self.get_queryset(), name)(*args, **kwargs) manager_method.__name__ = method.__name__ manager_method.__doc__ = method.__doc__ return manager_method new_methods = {} for name, method in inspect.getmembers(queryset_class, predicate=inspect.isfunction): if hasattr(cls, name):continue queryset_only = getattr(method, ’queryset_only’, None) if queryset_only or (queryset_only is None and name.startswith(’_’)):continue new_methods[name] = create_method(name, method) return new_methodsclass Manager(BaseManager.from_queryset(QuerySet)): passclass ModelMetaClass(type): def __new__(cls, *args, **kwargs): name, bases, attrs = args attrs[’objects’] = Manager() return super(ModelMetaClass, cls).__new__(cls, name, bases, attrs)class Model(object, metaclass=ModelMetaClass): passclass User(Model): passUser.objects.get()User.objects.filter()User.objects.filter().get()

這樣model就用使用期管理器Manger 下的方法了。通過(guò)model的元類(lèi)ModelMetaClass，定義model的時(shí)候，就初始化了一個(gè) Manger對(duì)象掛載到Model下面，而定義Manger的時(shí)候，也通過(guò)元類(lèi)將QuerySet下的查詢(xún)方法掛載到Manger下了。

總結(jié)

Python里一切都是對(duì)象，對(duì)象都是由類(lèi)進(jìn)行創(chuàng)建實(shí)例化而來(lái)。既然一切是對(duì)象，那么類(lèi)也是對(duì)象，而類(lèi)這種對(duì)象又是由一種更高級(jí)類(lèi)創(chuàng)建而來(lái)，即所謂的元類(lèi)。

元類(lèi)可以創(chuàng)建類(lèi)，Python默認(rèn)的元類(lèi)是 type。通過(guò)繼承type，可以自定義元類(lèi)，在自定義元類(lèi)的時(shí)候定義或者重載 __new__，可以創(chuàng)建該類(lèi)的實(shí)例對(duì)象，同時(shí)也可以修改類(lèi)創(chuàng)建對(duì)象的行為。類(lèi)通過(guò) __new__創(chuàng)建實(shí)例對(duì)象，然后調(diào)用實(shí)例對(duì)象的 __init__初始化實(shí)例對(duì)象。

在使用自定義元類(lèi)的時(shí)候，子類(lèi)的的元類(lèi)和父類(lèi)的元類(lèi)有關(guān)系，前者指定的元類(lèi)必須和父類(lèi)的元類(lèi)是一個(gè)繼承關(guān)系上的，否則會(huì)出現(xiàn)元類(lèi)沖突。子類(lèi)選取元類(lèi)的取決于指定的元類(lèi)和父元類(lèi)的繼承關(guān)系，子元類(lèi)若是父元類(lèi)的子類(lèi)，則指定的元類(lèi)為子元類(lèi)，否則將會(huì)被忽略，使用父元類(lèi)為其元類(lèi)。

元類(lèi)是元編程的一種技術(shù)手段，常用于實(shí)現(xiàn)工廠模式的策略。通過(guò)定義元類(lèi)動(dòng)態(tài)創(chuàng)建類(lèi)和展開(kāi)，可以實(shí)現(xiàn)很多設(shè)計(jì)精妙的應(yīng)用。ORM 正式其中一種常用的方法。

以上就是詳解python metaclass（元類(lèi)）的詳細(xì)內(nèi)容，更多關(guān)于python metaclass（元類(lèi)）的資料請(qǐng)關(guān)注好吧啦網(wǎng)其它相關(guān)文章！