Python进阶学习之带你探寻Python类的鼻祖-元类
作者：Clever_Hui
Python是一门面向对象的语言，所以Python中数字、字符串、列表、集合、字典、函数、类等都是对象。
利用 type() 来查看Python中的各对象类型
In [11]: # 数字
In [12]: type(10)
Out[12]: int
In [13]: type(3.1415926)
Out[13]: float
In [14]: # 字符串
In [15]: type('a')
Out[15]: str
In [16]: type("abc")
Out[16]: str
In [17]: # 列表
In [18]: type(list)
Out[18]: type
In [19]: type([])
Out[19]: list
In [20]: # 集合
In [21]: type(set)
Out[21]: type
In [22]: my_set = {1, 2, 3}
In [23]: type(my_set)
Out[23]: set
In [24]: # 字典
In [25]: type(dict)
Out[25]: type
In [26]: my_dict = {'name': 'hui'}
In [27]: type(my_dict)
Out[27]: dict
In [28]: # 函数
In [29]: def func():
...: pass
...:
In [30]: type(func)
Out[30]: function
In [31]: # 类
In [32]: class Foo(object):
...: pass
...:
In [33]: type(Foo)
Out[33]: type
In [34]: f = Foo()
In [35]: type(f)
Out[35]: __main__.Foo
In [36]: # type
In [37]: type(type)
Out[37]: type
可以看出
数字 1 是 int类型 的对象
字符串 abc 是 str类型 的对象
列表、集合、字典是 type类型 的对象，其创建出来的对象才分别属于 list、set、dict 类型
函数 func 是 function类型 的对象
自定义类 Foo 创建出来的对象 f 是 Foo 类型，其类本身 Foo 则是 type类型 的对象。
连 type 本身都是type类型的对象
一、类也是对象
类就是拥有相等功能和相同的属性的对象的集合
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 中这一点仍然成立：
In [1]: class ObjectCreator(object): ...: pass ...: In [2]: my_object = ObjectCreator() In [3]: print(my_object) <__main__.ObjectCreator object at 0x0000021257B5A248>
但是，Python中的类还远不止如此。类同样也是一种对象。是的，没错，就是对象。只要你 使用关键字 class，Python解释器在执行的时候就会创建一个对象。
下面的代码段：
>>> class ObjectCreator(object): … pass …
将在内存中创建一个对象，名字就是 ObjectCreator。这个 对象（类对象ObjectCreator）拥有创建对象（实例对象）的能力。但是，它的本质仍然是一个对象，于是乎你可以对它做如下的操作：
1.你可以将它赋值给一个变量
2.你可以拷贝它
3.你可以为它增加属性
4.你可以将它作为函数参数进行传递
如下示例：
In [39]: class ObjectCreator(object):
...: pass
...:
In [40]: print(ObjectCreator)
<class '__main__.ObjectCreator'>
In [41]:# 当作参数传递
In [41]: def out(obj):
...: print(obj)
...:
In [42]: out(ObjectCreator)
<class '__main__.ObjectCreator'>
In [43]: # hasattr 判断一个类是否有某种属性
In [44]: hasattr(ObjectCreator, 'name')
Out[44]: False
In [45]: # 新增类属性
In [46]: ObjectCreator.name = 'hui'
In [47]: hasattr(ObjectCreator, 'name')
Out[47]: True
In [48]: ObjectCreator.name
Out[48]: 'hui'
In [49]: # 将类赋值给变量
In [50]: obj = ObjectCreator
In [51]: obj()
Out[51]: <__main__.ObjectCreator at 0x212596a7248>
In [52]:
二、动态地创建类
因为类也是对象，你可以在运行时动态的创建它们，就像其他任何对象一样。首先，你可以在函数中创建类，使用 class 关键字即可。
def cls_factory(cls_name):
"""
创建类工厂
:param: cls_name 创建类的名称
"""
if cls_name == 'Foo':
class Foo():
pass
return Foo # 返回的是类，不是类的实例
elif cls_name == 'Bar':
class Bar():
pass
return Bar
IPython 测验
MyClass = cls_factory('Foo')
In [60]: MyClass
Out[60]: __main__.cls_factory.<locals>.Foo # 函数返回的是类，不是类的实例
In [61]: MyClass()
Out[61]: <__main__.cls_factory.<locals>.Foo at 0x21258b1a9c8>
但这还不够动态，因为你仍然需要自己编写整个类的代码。由于类也是对象，所以它们必须是通过什么东西来生成的才对。
当你使用class关键字时，Python解释器自动创建这个对象。但就和Python中的大多数事情一样，Python仍然提供给你手动处理的方法。
三、使用 type 创建类
type 还有一种完全不同的功能，动态的创建类。
type可以接受一个类的描述作为参数，然后返回一个类。（要知道，根据传入参数的不同，同一个函数拥有两种完全不同的用法是一件很傻的事情，但这在Python中是为了保持向后兼容性）
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：
In [63]: class Test:
...: pass
...:
In [64]: Test()
Out[64]: <__main__.Test at 0x21258b34048>
In [65]:
可以手动像这样创建：
In [69]:# 使用type定义类
In [69]: Test2 = type('Test2', (), {})
In [70]: Test2()
Out[70]: <__main__.Test2 at 0x21259665808>
我们使用 Test2 作为类名，并且也可以把它当做一个变量来作为类的引用。类和变量是不同的，这里没有任何理由把事情弄的复杂。即 type函数 中第1个实参，也可以叫做其他的名字，这个名字表示类的名字
In [71]: UserCls = type('User', (), {})
In [72]: print(UserCls)
<class '__main__.User'>
In [73]:
使用 help 来测试这2个类
In [74]: # 用 help 查看 Test类 In [75]: help(Test) Help on class Test in module __main__: class Test(builtins.object) | Data descriptors defined here: | | __dict__ | dictionary for instance variables (if defined) | | __weakref__ | list of weak references to the object (if defined) In [76]: # 用 help 查看 Test2类 In [77]: help(Test2) Help on class Test2 in module __main__: class Test2(builtins.object) | Data descriptors defined here: | | __dict__ | dictionary for instance variables (if defined) | | __weakref__ | list of weak references to the object (if defined) In [78]:
四、使用type创建带有属性的类
type 接受一个字典来为类定义属性，因此
Parent = type('Parent', (), {'name': 'hui'})
可以翻译为：
class Parent(object): name = 'hui'
并且可以将 Parent 当成一个普通的类一样使用：
In [79]: Parent = type('Parent', (), {'name': 'hui'})
In [80]: print(Parent)
<class '__main__.Parent'>
In [81]: Parent.name
Out[81]: 'hui'
In [82]: p = Parent()
In [83]: p.name
Out[83]: 'hui'
当然，你可以继承这个类，代码如下：
class Child1(Parent):
name = 'jack'
sex = '男'
class Child2(Parent):
name = 'mary'
sex = '女'
就可以写成：
Child1 = type('Child1', (Parent, ), {'name': 'jack', 'sex': '男'})
In [85]: Child2 = type('Child2', (Parent, ), {'name': 'mary', 'sex': '女'})
In [87]: Child1.name, Child1.sex
Out[87]: ('jack', '男')
In [88]: Child2.name, Child2.sex
Out[88]: ('mary', '女')
注意：
- type 的第2个参数，元组中是父类的名字，而不是字符串
- 添加的属性是 类属性，并不是实例属性
五、使用type创建带有方法的类
最终你会希望为你的类增加方法。只需要定义一个有着恰当签名的函数并将其作为属性赋值就可以了。
添加实例方法
Child1 = type('Child1', (Parent, ), {'name': 'jack', 'sex': '男'})
In [85]: Child2 = type('Child2', (Parent, ), {'name': 'mary', 'sex': '女'})
In [87]: Child1.name, Child1.sex
Out[87]: ('jack', '男')
In [88]: Child2.name, Child2.sex
Out[88]: ('mary', '女')
添加静态方法
In [96]: Parent = type('Parent', (), {'name': 'hui'})
In [97]: # 定义静态方法
In [98]: @staticmethod
...: def test_static():
...: print('static method called...')
...:
In [100]: Child4 = type('Child4', (Parent, ), {'name': 'zhangsan', 'test_static': test_static})
In [101]: c4 = Child4()
In [102]: c4.test_static()
static method called...
In [103]: Child4.test_static()
static method called...
添加类方法
In [105]: Parent = type('Parent', (), {'name': 'hui'})
In [106]: # 定义类方法
In [107]: @classmethod
...: def test_class(cls):
...: print(cls.name)
...:
In [108]: Child5 = type('Child5', (Parent, ), {'name': 'lisi', 'test_class': test_class})
In [109]: c5 = Child5()
In [110]: c5.test_class()
lisi
In [111]: Child5.test_class()
lisi
你可以看到，在Python中，类也是对象，你可以动态的创建类。这就是当你使用关键字 class 时 Python 在幕后做的事情，就是通过元类来实现的。
较为完整的使用 type 创建类的方式:
class Animal(object):
def eat(self):
print('吃东西')
def dog_eat(self):
print('喜欢吃骨头')
def cat_eat(self):
print('喜欢吃鱼')
Dog = type('Dog', (Animal, ), {'tyep': '哺乳类', 'eat': dog_eat})
Cat = type('Cat', (Animal, ), {'tyep': '哺乳类', 'eat': cat_eat})
# ipython 测验
In [125]: animal = Animal()
In [126]: dog = Dog()
In [127]: cat = Cat()
In [128]: animal.eat()
吃东西
In [129]: dog.eat()
喜欢吃骨头
In [130]: cat.eat()
喜欢吃鱼
六、到底什么是元类（终于到主题了）
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” my_object = 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。现在你想知道那为什么 type 会全部采用小写形式而不是 Type 呢？好吧，我猜这是为了和 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。因此 Python中万物皆对象
现在，对于任何一个 __class__ 的 __class__ 属性又是什么呢？
In [136]: a = 10 In [137]: b = 'acb' In [138]: li = [1, 2, 3] In [139]: a.__class__.__class__ Out[139]: type In [140]: b.__class__.__class__ Out[140]: type In [141]: li.__class__.__class__ Out[141]: type In [142]: li.__class__.__class__.__class__ Out[142]: type
因此，元类就是创建类这种对象的东西。type 就是 Python的内建元类，当然了，你也可以创建自己的元类。
七、metaclass属性
你可以在定义一个类的时候为其添加 __metaclass__ 属性。
class Foo(object):
__metaclass__ = something…
...省略...
如果你这么做了，Python就会用元类来创建类Foo。小心点，这里面有些技巧。你首先写下 class Foo(object)，但是类Foo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Foo，如果没有找到，就会用内建的 type 来创建这个类。
class Foo(Bar):
pass
Python做了如下的操作：
1.Foo中有 __metaclass__ 这个属性吗？如果有，Python会通过 __metaclass__ 创建一个名字为Foo的类(对象)
2.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。
3.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。
4.如果还是找不到 __metaclass__ ，Python就会用内置的 type 来创建这个类对象。
现在的问题就是，你可以在 __metaclass__ 中放置些什么代码呢？
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或者子类化的type都可以。
八、自定义元类
元类的主要目的就是为了当创建类时能够自动地改变类。
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。
python2中
# -*- coding:utf-8 -*-
def upper_attr(class_name, class_parents, class_attr):
# class_name 会保存类的名字 Foo
# class_parents 会保存类的父类 object
# class_attr 会以字典的方式保存所有的类属性
# 遍历属性字典，把不是__开头的属性名字变为大写
new_attr = {}
for name, value in class_attr.items():
if not name.startswith("__"):
new_attr[name.upper()] = value
# 调用type来创建一个类
return type(class_name, class_parents, new_attr)
class Foo(object):
__metaclass__ = upper_attr # 设置Foo类的元类为upper_attr
bar = 'bip'
print(hasattr(Foo, 'bar'))
# Flase
print(hasattr(Foo, 'BAR'))
# True
f = Foo()
print(f.BAR)
python3中
# -*- coding:utf-8 -*-
def upper_attr(class_name, class_parents, class_attr):
#遍历属性字典，把不是__开头的属性名字变为大写
new_attr = {}
for name,value in class_attr.items():
if not name.startswith("__"):
new_attr[name.upper()] = value
#调用type来创建一个类
return type(class_name, class_parents, new_attr)
# 再类的继承()中使用metaclass
class Foo(object, metaclass=upper_attr):
bar = 'bip'
print(hasattr(Foo, 'bar'))
# Flase
print(hasattr(Foo, 'BAR'))
# True
f = Foo()
print(f.BAR)
再做一次，这一次用一个真正的 class 来当做元类。
class UpperAttrMetaClass(type):
def __new__(cls, class_name, class_parents, class_attr):
# 遍历属性字典，把不是__开头的属性名字变为大写
new_attr = {}
for name, value in class_attr.items():
if not name.startswith("__"):
new_attr[name.upper()] = value
# 方法1：通过'type'来做类对象的创建
return type(class_name, class_parents, new_attr)
# 方法2：复用type.__new__方法
# 这就是基本的OOP编程，没什么魔法
# return type.__new__(cls, class_name, class_parents, new_attr)
# python3的用法
class Foo(object, metaclass=UpperAttrMetaClass):
bar = 'bip'
# python2的用法
class Foo(object):
__metaclass__ = UpperAttrMetaClass
bar = 'bip'
print(hasattr(Foo, 'bar'))
# 输出: False
print(hasattr(Foo, 'BAR'))
# 输出: True
f = Foo()
print(f.BAR)
# 输出: 'bip'
__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 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__
就是这样，除此之外，关于元类真的没有别的可说的了。但就元类本身而言，它们其实是很简单的：
1.拦截类的创建
2.修改类
3.返回修改之后的类
总结
现在回到我们的大主题上来，究竟是为什么你会去使用这样一种容易出错且晦涩的特性？
好吧，一般来说，你根本就用不上它：
“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。” —— Python界的领袖 Tim Peters
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