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。
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__和__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。
当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__()是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__和__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：
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__的__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。
__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__中__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：
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：
UpperAttrMetaclass(type) ，你会知道接下来会发生什么 __new__ __init__ ， __init__和__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。 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：
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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