Python type 和元类 metaclass
Python 一切皆对象，包括类 class 也是对象
众所周知 Python 跟 Java 一样，一切皆对象，所以 class 类也是对象，而对象可以动态创建，所以一个 class 类也可以被动态创建出来。
通过 type() 创建类
type 的定义，type 是一个类 class，只不过可以 __callable__ 。
class type(name, bases, dict, **kwds)
type 传入一个参数时，返回的是参数的类型。
>>> type(int)
<class 'type'>
>>> type(list)
<class 'type'>
>>> type(T)
<class 'type'>
>>> type(C)
<class 'type'>
>>> type(object)
<class 'type'>type 传入三个参数时，用来创建类：
第一个参数 name 是被创建的类的名字，str 类型
第二个参数 bases 是被创建的类的父类，tuple 类型，不传默认是 (object,)
第三个参数 dict 是被创建的类的属性和方法，dict 类型
下面两种创建类的方式，结果是一样的
class X:
a = 1
X = type('X', (), dict(a=1))通过 metaclass 创建类
我们知道可以用 class 类来创建 object 对象，而 class 类本身也是对象，那么 class 这个对象由谁来创建呢？答案就是 metaclass，metaclass 是 class 的 class，metaclass 创建 class，class 创建 object，metaclass→class→object：
MyClass = MetaClass()
my_object = MyClass()a 是对象，对象的类型是 class，class 的类型是 metaclass
>>> a = 1 # 对象
>>> a.__class__ # 对象的类型
<class 'int'> # class
>>> type(a)
<class 'int'>
>>> a.__class__.__class__ # class的类型
<class 'type'> # metaclass
>>> type(a.__class__)
<class 'type'>能创建类的类，就是 metaclass 元类，上述的 type 就是一个元类。
Python 2 中给一个 class 指定一个创建它的元类：
class Foo(object):
__metaclass__ = something...
[...]Python 3 中语法有变化：
class Foo(object, metaclass=something):
...
# 或
class Foo(object, metaclass=something, kwarg1=value1, kwarg2=value2):
...metaclass 的存在的意义是动态创建类、拦截类、修改类
就像动态创建对象一样，你想在哪创建一个对象都可以，同样的你想创建一个自定义的类，然后根据它创建实例。
假设有一个需求是将左右的类的属性，都处理成大写的，演进过程如下：
给 module 指定一个 __metaclass__ 处理方法
# 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_attrs):
"""
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_attrs = {
attr if attr.startswith("__") else attr.upper(): v
for attr, v in future_class_attrs.items()
}
# let `type` do the class creation
return type(future_class_name, future_class_parents, uppercase_attrs)
__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'自定义一个元类，注意元类是用来创建类的，所以必须继承自type
# 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_attrs):
uppercase_attrs = {
attr if attr.startswith("__") else attr.upper(): v
for attr, v in future_class_attrs.items()
}
return type(future_class_name, future_class_parents, uppercase_attrs)简写一下：
class UpperAttrMetaclass(type):
def __new__(cls, clsname, bases, attrs):
uppercase_attrs = {
attr if attr.startswith("__") else attr.upper(): v
for attr, v in attrs.items()
}
return type(clsname, bases, uppercase_attrs)注意到最后一行，调用的是 type，这还不算 OOP，因为并没有调用父类，所以最好改成：
class UpperAttrMetaclass(type):
def __new__(cls, clsname, bases, attrs):
uppercase_attrs = {
attr if attr.startswith("__") else attr.upper(): v
for attr, v in attrs.items()
}
return type.__new__(cls, clsname, bases, uppercase_attrs)或者可以改成使用 super：
class UpperAttrMetaclass(type):
def __new__(cls, clsname, bases, attrs):
uppercase_attrs = {
attr if attr.startswith("__") else attr.upper(): v
for attr, v in attrs.items()
}
return super(UpperAttrMetaclass, cls).__new__(
cls, clsname, bases, uppercase_attrs)分层思想的体现
metaclass 可以做的事：
- intercept a class creation
- modify the class
- return the modified class
应用层想用类创建实例，然后使用实例。而至于类是怎么来的，应用层并不关心，创建类这一步就交给元类处理，而在元类这一层中做修改，对上层应用来说是透明的。
metaclass 实际应用场景
最多的是用在定义 API 方面，这个 API 不是狭义的应用接口，而是更广泛意义的接口、协议，类似一种转换器的概念，API 给应用提供了简单的使用接口，而把复杂的处理转换隐藏在 metaclass 内部，经过处理的结果最终输出到另一个系统中。典型的例子就是 Django 中的 ORM：
class Person(models.Model):
name = models.CharField(max_length=30)
age = models.IntegerField()
person = Person(name='bob', age='35')
print(person.age)当打印 person.age 时，并不是返回 IntegerField 对象，而是返回一个 int 值，而且还可以使用这个对象写入到 db 中，这一些都是因为 models.Model 背后的 metaclass，其讲复杂的类型转换等操作隐藏在内部，而给业务提供了一个十分简洁的使用接口。
另外就是需要动态生成类的地方，例如写一个 CacheMeta，可以给各种未知的类加缓存，具体给哪些类加缓存，对于这个元类来说是未知的，所以需要在运行过程中动态生成，此时就可以使用元类的方式。
别忘了修改类其实还可以使用装饰器
装饰器的思路也是分层，在类使用之前，给类套一层外壳。
type 是自己的对象，也是自己的元类
Python 一切皆对象，要么是 class 的对象，要么是 metaclass 的对象，而只有 type 例外。
type 是 type 自己的对象，type 也是 type 自己的 metaclass，这没办法在纯 Python 中实现，而是在语言实现层面做的特殊处理实现的。
type.__new__ type.__init__ 和 type.__call__ 关系
- type.__new__：
- 是在元类中，根据入参，创建出普通类，即从类语法定义生成类实体
- metaclass 调用 __new__ 创建 class，就像 class 调用 __new__ 创建 object 一样
- type.__init__：
- 在 __new__ 完成后，即根据语法定义创建出类之后调用，给该类做初始化操作
- 不产生什么返回值
- metaclass 调用 __init__ 初始化 class，就像 class 调用 __init__ 初始化object一样
- type.__call__：
- 根据一个实体存在的类，创建一个该类的对象
- 在一个具体对象 object 上直接调用
对象名()，会执行 class 中定义的 __call__，同理在 class 上直接调用 class()，会执行 metaclass 中定义的 __call__
class CachedMate(type):
"""
作用跟type一样，就是用来创建 class 的
"""
def __new__(mcs, clsname, bases, attrs):
"""
type 的 __new__ 方法作用是根据 类名clsname、依赖bases、属性attrs 这些字面量来创建出一个类
就像普通 class 中定义的 __new__ 方法作用是创建一个 object
metaclass 中定义的 __new__ 方法作用是创建一个 class
返回的 new_class 就是被创建出来的类
"""
print(f'CachedMate __new__ start {clsname} || {bases} || {attrs}')
new_class = super().__new__(mcs, clsname, bases, attrs)
print(f'CachedMate __new__ gen class {new_class} || {type(new_class)} || {type(type(new_class))}')
print(f'CachedMate __new__ end')
print('======')
return new_class
def __init__(cls, clsname, bases, attrs):
"""
给创建出来的 class 做一些初始化操作
就像普通 class 中定义的 __init__ 方法作用是给创建的 object 初始化
metaclass 中定义的 __init__ 方法作用是给创建的 class 初始化
"""
print(f'CachedMate __init__ start {clsname} {bases} {attrs}')
obj = super().__init__(clsname, bases, attrs)
print(f'CachedMate __init__ gen obj {obj} {type(obj)} {type(type(obj))}')
print(f'CachedMate __init__ end')
print('======')
# self.__cache = weakref.WeakValueDictionary()
cls._cache = {}
def __call__(cls, *args, **kwargs):
"""
继续类比普通class中的场景
对象object以调用方式出现时，就是在调用class中定义的 __call__，如object()
而类class以调用方式出现时，就是在调用metaclass中定义的 __call__，如class()
这里就是当Spam()时，也就是实例化Spam时就会调用
这也就是为什么单例模式可以放在这里做的原因，目标类实例化时，必然会调用 __call__ 所以固定返回同一个实例，即实现单例
或者说，想要控制一个类的创建过程，都可以在这里坐处理
"""
print(f'CachedMate __call__ start', args, kwargs)
if args in cls._cache:
print('CachedMate __call__ cached')
return cls._cache[args]
else:
print('CachedMate __call__ before super().__call__')
obj = super().__call__(*args, **kwargs)
print('CachedMate __call__ after super().__call__', obj, type(obj))
cls._cache[args] = obj
return obj
# Example
class Spam(metaclass=CachedMate):
def __new__(cls, *args, **kwargs):
print('Spam __new__', args, kwargs)
return super(Spam, cls).__new__(cls)
def __init__(self, *args, **kwargs):
print('Spam __init__', args, kwargs)
self.args = args
self.kwargs = kwargs
def __call__(self, *args, **kwargs):
# 在Spam实例上使用 spam() 才会调用这里
print('Spam __call__', args, kwargs)
# 结果中Spam实例化参数不变，得到的就是缓存的结果，参数变了则是新接口
print(11111, Spam._cache)
# 11111 {} 一开始没有缓存
sp = Spam(1,2,'test1', 'test2', name='test_name')
print(22222, Spam._cache)
# 22222 {(1, 2, 'test1', 'test2'): <__main__.Spam object at 0x10b71b160>}
# 有了一个缓存
sp2 = Spam(1,2,'test1', 'test2', name='test_name')
print(33333, Spam._cache)
# 33333 {(1, 2, 'test1', 'test2'): <__main__.Spam object at 0x10b71b160>}
# 因为参数一样，所以读的缓存
sp3 = Spam(1,2,'test1', 'test3', name='test_name3')
print(44444, Spam._cache)
# 44444 {(1, 2, 'test1', 'test2'): <__main__.Spam object at 0x10b71b160>, (1, 2, 'test1', 'test3'): <__main__.Spam object at 0x10b71b250>}
# 参数变了，重新生成了新的缓存，独立开来本文参与 腾讯云自媒体同步曝光计划，分享自作者个人站点/博客。
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