Python中的元类是什么?

什么是元类,我们用它们做什么?


元类是一个类的类。 就像一个类定义一个类的实例的行为一样,元类定义了一个类的行为。 一个类是元类的一个实例。

元类图

在Python中,你可以为元类使用任意可调参数(比如Jerub演示),但更有用的方法实际上是将它自己变成一个实际的类。 type是Python中通常的元类。 如果你想知道,是的, type本身就是一个类,它是它自己的类型。 您将无法重新创建类似于Python的type ,但是Python会作弊。 要在Python中创建自己的元类,您真的只想要子type

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)。 结合正常的__init____new__方法,元类因此允许您在创建类时执行“额外的事情”,例如使用某个注册表注册新类,甚至完全用其他方法替换类。

class语句被执行时,Python首先作为普通的代码块执行class语句的主体。 由此产生的命名空间(一个字典)保存待分类的属性。 元类是通过查看将要类(元类是继承的)的基类,将要类(如果有的话)或__metaclass__全局变量的__metaclass__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那样,因为它们不能在类的实例上调用。 type.__subclasses__()type元类上方法的一个例子。 您还可以定义常规的“魔术”方法,如__add__ __iter____getattr__ __add____getattr__ ,以实现或更改类的行为方式。

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__(mcls, 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, mcls).__new__(mcls, 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
    <class '__main__.ObjectCreator'>
    >>> def echo(o):
    ...       print(o)
    ...
    >>> echo(ObjectCreator) # you can pass a class as a parameter
    <class '__main__.ObjectCreator'>
    >>> 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在函数中创建一个class

    >>> 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
    <class '__main__.Foo'>
    >>> 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))
    <type 'int'>
    >>> print(type("1"))
    <type 'str'>
    >>> print(type(ObjectCreator))
    <type 'type'>
    >>> print(type(ObjectCreator()))
    <class '__main__.ObjectCreator'>
    

    那么, type具有完全不同的能力,它也可以即时创建类。 type可以将类的描述作为参数,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工作方式如下:

    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)
    <class '__main__.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)
    <class '__main__.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)
    <class '__main__.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
    

    在动态创建类之后,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()
    my_object = MyClass()
    

    你已经看到这种type可以让你做这样的事情:

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

    这是因为函数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写的,而不是Type

    嗯,我想这是具有一致性的问题str ,创建的字符串对象类,并int创建Integer对象的类。 type只是创建类对象的类。

    你可以通过检查__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__
    <type 'int'>
    >>> name = 'bob'
    >>> name.__class__
    <type 'str'>
    >>> def foo(): pass
    >>> foo.__class__
    <type 'function'>
    >>> class Bar(object): pass
    >>> b = Bar()
    >>> b.__class__
    <class '__main__.Bar'>
    

    现在,什么是__class____class__

    >>> age.__class__.__class__
    <type 'type'>
    >>> name.__class__.__class__
    <type 'type'>
    >>> foo.__class__.__class__
    <type 'type'>
    >>> b.__class__.__class__
    <type 'type'>
    

    所以,元类只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。

    __metaclass__属性

    编写一个类时,您可以添加__metaclass__属性:

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

    如果你这样做,Python将使用元类创建类Foo

    小心,这很棘手。

    您先写class Foo(object) ,但类对象Foo不会在内存中创建。

    Python会在类定义中寻找__metaclass__ 。 如果发现它,它将使用它来创建对象类Foo 。 如果没有,它将使用type来创建类。

    多读几次。

    当你这样做时:

    class Foo(Bar):
        pass
    

    Python执行以下操作:

    Foo是否有__metaclass__属性?

    如果是,则在内存中创建一个类对象(我说的是一个类对象,留在这里),名称为Foo通过使用__metaclass__

    如果Python不能找到__metaclass__ ,它会寻找一个__metaclass__在模块级,并尝试做同样的(但只适用于不继承任何东西,基本上都是老式类类)。

    然后,如果它根本找不到任何__metaclass__ ,它将使用Bar的(第一个父)自己的元类(可能是默认type )来创建类对象。

    请注意, __metaclass__属性不会被继承,父类( Bar.__class__ )的元类将会被继承。 如果Bar使用了一个__metaclass__属性,该属性使用type() (而不是type.__new__() )创建Bar ,则该子类不会继承该行为。

    现在最大的问题是,你可以在__metaclass____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,您需要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,但一种方法是在模块级设置__metaclass__

    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,名称中有'class'的东西不需要是类,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。 我们直接调用type ,并且不会覆盖或调用父类__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参数upperattr_metaclass 。 没有什么特别的: __new__总是接收它定义的类,作为第一个参数。 就像你self的哪个接收实例作为第一个参数,或类方法定义类的普通方法。

    当然,为了清楚起见,我在这里使用的名字很长,但是对于self ,所有的参数都有常规名称。 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super来使它更加清洁,这将减轻继承(因为是的,你可以有元类,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依靠内省来做扭曲的东西,操纵继承,__ __dict__等变量。

    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?

    由于__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。
  • 如果您指定了元类别类,但不具有元类函数,则类的子类将是其元类的实例。
  • 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。
  • 你可以挂钩__new__ __init____init____call__ 。 这将允许你做不同的事情。 即使通常您可以在__new__完成所有__new__ ,但有些人使用__init__更加舒适。
  • 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。 它将返回一个int ,甚至可以直接从数据库中获取它。

    这是可能的,因为models.Model定义了__metaclass__ ,它使用了一些魔法,将您刚刚用简单语句定义的Person变成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)
    142630324
    

    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
  • 99%的时间你需要改变班级,你最好使用这些。

    但98%的时间,你根本不需要改变班级。


    请注意,这个答案适用于Python 2.x,因为它是在2008年编写的,元类在3.x中略有不同,请参阅注释。

    元类是使'班'起作用的秘诀。 新样式对象的默认元类称为“类型”。

    class type(object)
      |  type(object) -> the object's type
      |  type(name, bases, dict) -> a new type
    

    元类需要3个参数。 ' name ',' bases '和' dict '

    这是秘密的起点。 在此示例类定义中查找名称,基础和字典来自哪里。

    class ThisIsTheName(Bases, Are, Here):
        All_the_code_here
        def doesIs(create, a):
            dict
    

    让我们定义一个元类来演示' class: '如何调用它。

    def test_metaclass(name, bases, dict):
        print 'The Class Name is', name
        print 'The Class Bases are', bases
        print 'The dict has', len(dict), 'elems, the keys are', dict.keys()
    
        return "yellow"
    
    class TestName(object, None, int, 1):
        __metaclass__ = test_metaclass
        foo = 1
        def baz(self, arr):
            pass
    
    print 'TestName = ', repr(TestName)
    
    # output => 
    The Class Name is TestName
    The Class Bases are (<type 'object'>, None, <type 'int'>, 1)
    The dict has 4 elems, the keys are ['baz', '__module__', 'foo', '__metaclass__']
    TestName =  'yellow'
    

    现在,这个例子实际上意味着什么,它会自动将列表中的变量设置为“属性”,并设置为None。

    def init_attributes(name, bases, dict):
        if 'attributes' in dict:
            for attr in dict['attributes']:
                dict[attr] = None
    
        return type(name, bases, dict)
    
    class Initialised(object):
        __metaclass__ = init_attributes
        attributes = ['foo', 'bar', 'baz']
    
    print 'foo =>', Initialised.foo
    # output=>
    foo => None
    

    请注意,具有元类init_attributes 'Initalised'获得的魔术行为不会传递到Initalised的子类。

    这是一个更具体的例子,展示了如何子类化'type'来创建一个元类,该类在创建类时执行一个动作。 这非常棘手:

    class MetaSingleton(type):
        instance = None
        def __call__(cls, *args, **kw):
            if cls.instance is None:
                cls.instance = super(MetaSingleton, cls).__call__(*args, **kw)
            return cls.instance
    
     class Foo(object):
         __metaclass__ = MetaSingleton
    
     a = Foo()
     b = Foo()
     assert a is b
    
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