元类

1. 类也是对象

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:

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。

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:

你可以将它赋值给一个变量

你可以拷贝它

你可以为它增加属性

你可以将它作为函数参数进行传递

下面是示例:

2. 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。

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。

还记得内建函数type吗?这个古老但强大的函数能够让你知道一个对象的类型是什么,就像这样:

3. 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:

可以手动像这样创建:

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

使用help来测试这2个类

4. 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

可以翻译为:

并且可以将Foo当成一个普通的类一样使用:

当然,你可以向这个类继承,所以,如下的代码:

就可以写成:

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

5. 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

添加静态方法

添加类方法

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,而这就是通过元类来实现的。

6. 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:

你已经看到了type可以让你像这样做:

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。Python中所有的东西,注意,我是指所有的东西——都是对象。这包括整数、字符串、函数以及类。它们全部都是对象,而且它们都是从一个类创建而来,这个类就是type。

现在,对于任何一个__class__的__class__属性又是什么呢?

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。

7. __metaclass__属性

你可以在定义一个类的时候为其添加__metaclass__属性。

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。把下面这段话反复读几次。当你写如下代码时 :

Python做了如下的操作:

Foo中有__metaclass__这个属性吗?如果是,Python会通过__metaclass__创建一个名字为Foo的类(对象)

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。

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。

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type的东东都可以。

8. 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。通常,你会为API做这样的事情,你希望可以创建符合当前上下文的类。

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。

Python3中

现在让我们再做一次,这一次用一个真正的class来当做元类。

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:

拦截类的创建

修改类

返回修改之后的类

究竟为什么要使用元类?

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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