python最详细 ---- 元类 __metaclass__

元类最常用作类工厂。就像通过调用类创建类的实例一样，Python通过调用元类创建一个新类（当它执行'class'语句时）。结合常规__init__和__new__方法，元类因此允许您在创建类时执行“额外的事情”，如使用某个注册表注册新类，甚至完全替换其他类。

当class语句执行时，Python首先将class语句正文作为正常的代码块执行。由此产生的命名空间（一个字典）保存待分类的属性。元类是通过查看要类（元类继承）的基类，要类__metaclass__（如果有的话）或__metaclass__全局变量的属性来确定的。然后使用类的名称，基类和属性调用元类以实例化它。

然而，元类实际上定义了一个类的类型，而不仅仅是一个工厂，所以你可以用它们做更多的事情。例如，您可以在元类上定义常规方法。这些元类方法就像类方法，因为它们可以在没有实例的情况下在类上调用，但它们也不像类方法，因为它们不能在类的实例上调用。type.__subclasses__()是type元类上方法的一个例子。您还可以定义正常的“魔力”的方法，如__add__，__iter__和__getattr__，执行或更改类的行为。

以下是一些小部分的汇总示例：

def make_hook(f):
    """Decorator to turn 'foo' method into '__foo__'"""
    f.is_hook = 1
    return f

class MyType(type):
    def __new__(cls, name, bases, attrs):

        if name.startswith('None'):
            return None

        # Go over attributes and see if they should be renamed.
        newattrs = {}
        for attrname, attrvalue in attrs.iteritems():
            if getattr(attrvalue, 'is_hook', 0):
                newattrs['__%s__' % attrname] = attrvalue
            else:
                newattrs[attrname] = attrvalue

        return super(MyType, cls).__new__(cls, name, bases, newattrs)

    def __init__(self, name, bases, attrs):
        super(MyType, self).__init__(name, bases, attrs)

        # classregistry.register(self, self.interfaces)
        print "Would register class %s now." % self

    def __add__(self, other):
        class AutoClass(self, other):
            pass
        return AutoClass
        # Alternatively, to autogenerate the classname as well as the class:
        # return type(self.__name__ + other.__name__, (self, other), {})

    def unregister(self):
        # classregistry.unregister(self)
        print "Would unregister class %s now." % self

class MyObject:
    __metaclass__ = MyType


class NoneSample(MyObject):
    pass

# Will print "NoneType None"
print type(NoneSample), repr(NoneSample)

class Example(MyObject):
    def __init__(self, value):
        self.value = value
    @make_hook
    def add(self, other):
        return self.__class__(self.value + other.value)

# Will unregister the class
Example.unregister()

inst = Example(10)
# Will fail with an AttributeError
#inst.unregister()

print inst + inst
class Sibling(MyObject):
    pass

ExampleSibling = Example + Sibling
# ExampleSibling is now a subclass of both Example and Sibling (with no
# content of its own) although it will believe it's called 'AutoClass'
print ExampleSibling
print ExampleSibling.__mro

类作为对象

在理解元类之前，您需要掌握Python中的类。Python从Smalltalk语言中借用了一个非常奇怪的概念，即类是什么类。

在大多数语言中，类只是描述如何生成对象的代码段。这在Python中也是如此：

>>> class ObjectCreator(object):
...       pass
...

>>> my_object = ObjectCreator()
>>> print(my_object)
<__main__.ObjectCreator object at 0x8974f2c>

但是类不仅仅是Python。类也是对象。

是的，对象。

只要您使用关键字class，Python就会执行它并创建一个OBJECT。指令

>>> class ObjectCreator(object):
...       pass
...

在内存中创建一个名为“ObjectCreator”的对象。

这个对象（类）本身能够创建对象（实例），这就是为什么它是一个类。

但是，它仍然是一个客体，因此：

• 你可以将它分配给一个变量
• 你可以复制它
• 你可以给它添加属性
• 你可以将它作为函数参数传递

例如：

>>> print(ObjectCreator) # you can print a class because it's an object

>>> def echo(o):
...       print(o)
...
>>> echo(ObjectCreator) # you can pass a class as a parameter

>>> print(hasattr(ObjectCreator, 'new_attribute'))
False
>>> ObjectCreator.new_attribute = 'foo' # you can add attributes to a class
>>> print(hasattr(ObjectCreator, 'new_attribute'))
True
>>> print(ObjectCreator.new_attribute)
foo
>>> ObjectCreatorMirror = ObjectCreator # you can assign a class to a variable
>>> print(ObjectCreatorMirror.new_attribute)
foo
>>> print(ObjectCreatorMirror())
<__main__.ObjectCreator object at 0x8997b4c>

动态创建类

由于类是对象，因此可以像任何对象一样快速创建它们。

首先，您可以使用class以下函数在函数中创建一个类：

>>> def choose_class(name):
...     if name == 'foo':
...         class Foo(object):
...             pass
...         return Foo # return the class, not an instance
...     else:
...         class Bar(object):
...             pass
...         return Bar
...
>>> MyClass = choose_class('foo')
>>> print(MyClass) # the function returns a class, not an instance

>>> print(MyClass()) # you can create an object from this class
<__main__.Foo object at 0x89c6d4c>

但它并不那么活跃，因为你还得自己写全班。

由于类是对象，它们必须由某些东西生成。

当你使用class关键字时，Python会自动创建这个对象。但是与Python中的大多数事情一样，它为您提供了一种手动执行的方法。

记住功能type？良好的旧功能，让你知道什么类型的对象是：

>>> print(type(1))

>>> print(type("1"))

>>> print(type(ObjectCreator))

>>> print(type(ObjectCreator()))

那么，type有一个完全不同的能力，它也可以在飞行中创建课程。type可以将一个类的描述作为参数，并返回一个类。

（我知道，根据传递给它的参数，相同的函数可能有两种完全不同的用法，这很愚蠢，由于Python的向后兼容性，这是一个问题）

type 这样工作：

type(name of the class,
     tuple of the parent class (for inheritance, can be empty),
     dictionary containing attributes names and values)

例如：

>>> class MyShinyClass(object):
...       pass

可以通过以下方式手动创建：

>>> MyShinyClass = type('MyShinyClass', (), {}) # returns a class object
>>> print(MyShinyClass)

>>> print(MyShinyClass()) # create an instance with the class
<__main__.MyShinyClass object at 0x8997cec>

您会注意到我们使用“MyShinyClass”作为类的名称，并将其用作保存类引用的变量。它们可以不同，但​​没有理由使事情复杂化。

type接受一个字典来定义类的属性。所以：

>>> class Foo(object):
...       bar = True

可以翻译成：

>>> Foo = type('Foo', (), {'bar':True})

并用作普通班级：

>>> print(Foo)

>>> print(Foo.bar)
True
>>> f = Foo()
>>> print(f)
<__main__.Foo object at 0x8a9b84c>
>>> print(f.bar)
True

当然，你可以继承它，所以：

>>>   class FooChild(Foo):
...         pass

将会：

>>> FooChild = type('FooChild', (Foo,), {})
>>> print(FooChild)

>>> print(FooChild.bar) # bar is inherited from Foo
True

最终你会想要添加方法到你的班级。只需使用正确的签名定义一个函数，并将其作为属性进行分配。

>>> def echo_bar(self):
...       print(self.bar)
...
>>> FooChild = type('FooChild', (Foo,), {'echo_bar': echo_bar})
>>> hasattr(Foo, 'echo_bar')
False
>>> hasattr(FooChild, 'echo_bar')
True
>>> my_foo = FooChild()
>>> my_foo.echo_bar()
True

在动态创建类后，您可以添加更多方法，就像向通常创建的类对象中添加方法一样。

>>> def echo_bar_more(self):
...       print('yet another method')
...
>>> FooChild.echo_bar_more = echo_bar_more
>>> hasattr(FooChild, 'echo_bar_more')
True

你可以看到我们要去的地方：在Python中，类是对象，并且可以动态地动态创建类。

这就是Python在使用关键字class时所做的事情，它通过使用元类来实现。

什么是元类（最后）

元类是创建类的'东西'。

你可以定义类来创建对象，对吗？

但是我们了解到Python类是对象。

好吧，元类是创建这些对象的东西。他们是班级的班级，你可以这样描绘他们：

MyClass = MetaClass()
MyObject = MyClass()

你已经看到，type可以让你做这样的事情：

MyClass = type('MyClass', (), {})

这是因为这个函数type实际上是一个元类。type是Python用于在幕后创建所有类的元类。

现在你想知道为什么它是用小写字母写的，而不是Type？

好吧，我想这与str创建字符串对象int的类以及创建整数对象的类是一致的。type只是创建类对象的类。

你通过检查__class__属性来看到。

一切，我的意思是一切，都是Python中的一个对象。包括整数，字符串，函数和类。所有这些都是对象。所有这些都是从一个班级创建的：

>>> age = 35
>>> age.__class__

>>> name = 'bob'
>>> name.__class__

>>> def foo(): pass
>>> foo.__class__

>>> class Bar(object): pass
>>> b = Bar()
>>> b.__class__

现在，这是__class__什么__class__？

>>> age.__class__.__class__

>>> name.__class__.__class__

>>> foo.__class__.__class__

>>> b.__class__.__class__

所以，元类就是创建类对象的东西。

如果你愿意，你可以称它为“班级工厂”。

type 是Python使用的内置元类，但是当然，您可以创建自己的元类。

该__metaclass__属性

__metaclass__编写课程时可以添加一个属性：

class Foo(object):
    __metaclass__ = something...
    [...]

如果你这样做，Python将使用元类来创建类Foo。

小心，这很棘手。

你class Foo(object)先写，但是类对象Foo不是在内存中创建的。

Python将__metaclass__在类定义中寻找。如果它找到它，它将使用它来创建对象类Foo。如果没有，它将 type用于创建类。

多读几次。

当你这样做时：

class Foo(Bar):
    pass

Python执行以下操作：

有没有__metaclass__属性Foo？

如果是的话，在内存中创建一个类对象（我说的是一个类对象，留在这里），Foo通过使用名字来创建它__metaclass__。

如果Python找不到__metaclass__，它会__metaclass__在MODULE级别寻找一个，并尝试做同样的事情（但只适用于不继承任何东西的类，基本上是旧式类）。

然后，如果它根本找不到__metaclass__，它将使用Bar自己的元类（可能是默认值type）来创建类对象。

在这里要小心，该__metaclass__属性不会被继承，父类（Bar.__class__）的元类将会是。如果Bar使用的__metaclass__是创建的属性Bar与type()（不是type.__new__()），子类不会继承该行为。

现在最大的问题是，你能放__metaclass__什么？

答案是：可以创建一个类的东西。

什么可以创建一个班级？type，或者任何子类或使用它的东西。

自定义元类

元类的主要目的是在创建时自动更改类。

您通常对API进行此操作，您希望创建与当前上下文匹配的类。

想象一个愚蠢的例子，你决定你模块中的所有类都应该使用大写字母来写属性。有几种方法可以做到这一点，但一种方法是__metaclass__在模块级别进行设置。

这样，这个模块的所有类都将使用这个元类创建，并且我们只需要告诉元类将所有属性都转换为大写。

幸运的是，__metaclass__实际上可以是任何可调用的，它不需要是一个正式的类（我知道，名称中的'class'不需要成为一个类，但是这很有用）。

所以我们将从一个简单的例子开始，通过使用一个函数。

# the metaclass will automatically get passed the same argument
# that you usually pass to `type`
def upper_attr(future_class_name, future_class_parents, future_class_attr):
    """
      Return a class object, with the list of its attribute turned
      into uppercase.
    """

    # pick up any attribute that doesn't start with '__' and uppercase it
    uppercase_attr = {}
    for name, val in future_class_attr.items():
        if not name.startswith('__'):
            uppercase_attr[name.upper()] = val
        else:
            uppercase_attr[name] = val

    # let `type` do the class creation
    return type(future_class_name, future_class_parents, uppercase_attr)

__metaclass__ = upper_attr # this will affect all classes in the module

class Foo(): # global __metaclass__ won't work with "object" though
    # but we can define __metaclass__ here instead to affect only this class
    # and this will work with "object" children
    bar = 'bip'

print(hasattr(Foo, 'bar'))
# Out: False
print(hasattr(Foo, 'BAR'))
# Out: True

f = Foo()
print(f.BAR)
# Out: 'bip'

现在，让我们做同样的事情，但使用一个真正的类作为元类：

# remember that `type` is actually a class like `str` and `int`
# so you can inherit from it
class UpperAttrMetaclass(type):
    # __new__ is the method called before __init__
    # it's the method that creates the object and returns it
    # while __init__ just initializes the object passed as parameter
    # you rarely use __new__, except when you want to control how the object
    # is created.
    # here the created object is the class, and we want to customize it
    # so we override __new__
    # you can do some stuff in __init__ too if you wish
    # some advanced use involves overriding __call__ as well, but we won't
    # see this
    def __new__(upperattr_metaclass, future_class_name,
                future_class_parents, future_class_attr):

        uppercase_attr = {}
        for name, val in future_class_attr.items():
            if not name.startswith('__'):
                uppercase_attr[name.upper()] = val
            else:
                uppercase_attr[name] = val

        return type(future_class_name, future_class_parents, uppercase_attr)

但这不是真正的OOP。我们type直接打电话，我们不会覆盖或打电话给家长__new__。我们开始做吧：

class UpperAttrMetaclass(type):

    def __new__(upperattr_metaclass, future_class_name,
                future_class_parents, future_class_attr):

        uppercase_attr = {}
        for name, val in future_class_attr.items():
            if not name.startswith('__'):
                uppercase_attr[name.upper()] = val
            else:
                uppercase_attr[name] = val

        # reuse the type.__new__ method
        # this is basic OOP, nothing magic in there
        return type.__new__(upperattr_metaclass, future_class_name,
                            future_class_parents, uppercase_attr)

你可能已经注意到了额外的论点upperattr_metaclass。没有什么特别的：它__new__总是接收它定义的类作为第一个参数。就像你self接受实例作为第一个参数的普通方法或类方法的定义类一样。

当然，为了清楚起见，我在这里使用的名字很长，但是就像self所有的参数都有常规名称一样。所以一个真正的生产元类将如下所示：

class UpperAttrMetaclass(type):

    def __new__(cls, clsname, bases, dct):

        uppercase_attr = {}
        for name, val in dct.items():
            if not name.startswith('__'):
                uppercase_attr[name.upper()] = val
            else:
                uppercase_attr[name] = val

        return type.__new__(cls, clsname, bases, uppercase_attr)

我们可以通过使用它来更加清洁super，这将减轻继承（因为是的，您可以有元类，继承自类继承的元类）：

class UpperAttrMetaclass(type):

    def __new__(cls, clsname, bases, dct):

        uppercase_attr = {}
        for name, val in dct.items():
            if not name.startswith('__'):
                uppercase_attr[name.upper()] = val
            else:
                uppercase_attr[name] = val

        return super(UpperAttrMetaclass, cls).__new__(cls, clsname, bases, uppercase_attr)

而已。关于元类没有什么更多。

使用元类代码的复杂性背后的原因不是因为元类，这是因为你通常使用元类来进行扭曲的东西，依赖于内省，操纵继承，变量等__dict__。

事实上，元类对于做黑魔法特别有用，因此也是复杂的东西。但是它们本身很简单：

• 拦截一个类的创建
• 修改班级
• 返回修改的类

为什么你会使用元类而不是函数？

既然__metaclass__可以接受任何可调用，为什么你会使用一个类，因为它显然更复杂？

这样做有几个原因：

• 意图很清楚。当你阅读时UpperAttrMetaclass(type)，你会知道接下来会发生什么
• 你可以使用OOP。元类可以从元类继承，覆盖父类方法。元类甚至可以使用元类。
• 如果您指定了一个元类类，但是不具有元类函数，则该类的子元素将是其元类的实例。
• 你可以更好地构建你的代码。你从来没有像上面的例子那样使用元类作为微不足道的东西。这通常是复杂的。有能力制作多种方法并将它们分组到一个类中，这对于使代码更易于阅读非常有用。
• 您可以勾上__new__，__init__和__call__。这将允许你做不同的事情。即使通常你可以全部使用__new__，但有些人使用起来更舒适__init__。
• 这些被称为元类，该死的！它一定意味着什么！

为什么你会使用元类？

现在是个大问题。为什么你会使用一些不太容易出错的错误特征？

那么，通常你不会：

元类是更深的魔法，99％的用户不应该担心。如果你想知道你是否需要他们，你就不会（实际需要他们的人确切地知道他们需要他们，并且不需要为什么解释）。

Python大师蒂姆彼得斯

元类的主要用例是创建一个API。一个典型的例子是Django ORM。

它允许你定义这样的东西：

class Person(models.Model):
    name = models.CharField(max_length=30)
    age = models.IntegerField()

但是，如果你这样做：

guy = Person(name='bob', age='35')
print(guy.age)

它不会返回一个IntegerField对象。它会返回一个int，甚至可以直接从数据库中获取。

这是可能的，因为models.Model定义__metaclass__和它使用了一些魔法，将Person您刚刚用简单语句定义的魔法变为复杂的数据库字段钩子。

Django通过暴露一个简单的API并使用元类来创建一些复杂的外观，从这个API重新创建代码来完成幕后的真实工作。

最后一个字

首先，你知道类是可以创建实例的对象。

事实上，类本身就是实例。元类。

>>> class Foo(object): pass
>>> id(Foo)
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一切都是Python中的一个对象，它们都是类的实例或元类的实例。

除了type。

type实际上是它自己的元类。这不是您可以在纯Python中复制的东西，而是通过在实现级别上进行一些欺骗来完成的。

其次，元类很复杂。你可能不希望将它们用于非常简单的课程改动。您可以通过使用两种不同的技术来改变课程：

• 猴子补丁
• 类装饰器