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 如果你看過(guò)比較優(yōu)秀的 Python 開(kāi)源框架，肯定見(jiàn)到過(guò)元類(lèi)的身影。例如，在一個(gè)類(lèi)中定義了類(lèi)屬性 __metaclass__，這就說(shuō)明這個(gè)類(lèi)使用了元類(lèi)來(lái)創(chuàng)建。

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那元類(lèi)的實(shí)現(xiàn)原理究竟是怎樣的？使用元類(lèi)能幫我們?cè)陂_(kāi)發(fā)中解決什么樣的問(wèn)題？

這篇文章，我們就來(lái)看一下 Python 元類(lèi)的來(lái)龍去脈。

什么是元類(lèi)？

我們都知道，定義一個(gè)類(lèi)，然后調(diào)用它的構(gòu)造方法，就可以初始化出一個(gè)實(shí)例出來(lái)，就像下面這樣：

 
 
 

  
  
  
class Person(object) 
  
  
  
    def __init__(name): 
  
  
  
        self.name = name 
  
  
  
p = Person('zhangsan')
 
 
 

那你有沒(méi)有想過(guò)，我們平時(shí)定義的類(lèi)，它是如何創(chuàng)建出來(lái)的？

別著急，我們先來(lái)看一個(gè)例子：

 
 
 

  
  
  
>>> a = 1               # 創(chuàng)建a的類(lèi)是int a是int的實(shí)例 
  
  
  
>>> a.__class__ 
  
  
  
 
  
  
  
>>> b = 'abc'           # 創(chuàng)建b的類(lèi)是str b是str的實(shí)例 
  
  
  
>>> b.__class__ 
  
  
  
 
  
  
  
>>> def c():            # 創(chuàng)建c的類(lèi)是function 方法c是function的實(shí)例 
  
  
  
...     pass 
  
  
  
>>> c.__class__ 
  
  
  
 
  
  
  
>>> class D(object):    # 創(chuàng)建d的類(lèi)是D d是D的實(shí)例 
  
  
  
...     pass 
  
  
  
>>> d.__class__ 
  
  
  

 
 
 

在這個(gè)例子中，我們定義了 int、str、function、class，然后分別調(diào)用了它們的__class__ 方法，這個(gè) __class__ 方法可以返回實(shí)例是如何創(chuàng)建出來(lái)的。

從方法返回的結(jié)果我們可以看到：

•  創(chuàng)建整數(shù) a 的類(lèi)是 int，也就是說(shuō) a 是 int 的一個(gè)實(shí)例
•  創(chuàng)建字符串 b 的類(lèi)是 str，也就是說(shuō) b 是 str 的一個(gè)實(shí)例
•  創(chuàng)建函數(shù) c 的類(lèi)是 function，也就是說(shuō) c 是 function 的一個(gè)實(shí)例
•  創(chuàng)建實(shí)例 d 的類(lèi)是 class，也就是說(shuō) d 是 class 的一個(gè)實(shí)例

除了這些之外，我們?cè)陂_(kāi)發(fā)中使用到的例如 list、dict 也類(lèi)似，你可以測(cè)試觀察一下結(jié)果。

現(xiàn)在我們已經(jīng)得知，創(chuàng)建這些實(shí)例的類(lèi)是 int、str、function、class，那進(jìn)一步思考一下，這些類(lèi)又是怎么創(chuàng)建出來(lái)的呢？

同樣地，我們也調(diào)用這些類(lèi)的 __class__ 方法，觀察結(jié)果：

 
 
 

  
  
  
>>> a = 1
  
  
  
>>> a.__class__.__class__ 
  
  
  
 
  
  
  
>>> 
  
  
  
>>> b = 'abc' 
  
  
  
>>> b.__class__.__class__ 
  
  
  
 
  
  
  
>>> 
  
  
  
>>> def c(): 
  
  
  
...     pass 
  
  
  
>>> c.__class__.__class__
  
  
  
 
  
  
  
>>> 
  
  
  
>>> class D(object): 
  
  
  
...     pass 
  
  
  
>>> d = D() 
  
  
  
>>> d.__class__.__class__ 
  
  
  

 
 
 

從結(jié)果我們可以看到，創(chuàng)建這些類(lèi)的類(lèi)，都是 type，所以 type 就是創(chuàng)建所有類(lèi)的「元類(lèi)」。也就是說(shuō)，元類(lèi)的作用就是用來(lái)創(chuàng)建類(lèi)的。

你可以這樣理解：

1.  元類(lèi) -> 類(lèi)
2.  類(lèi) -> 實(shí)例

用偽代碼表示，就是下面這樣：

 
 
 

  
  
  
klass = MetaClass()     # 元類(lèi)創(chuàng)建類(lèi) 
  
  
  
obj = klass()           # 類(lèi)創(chuàng)建實(shí)例
 
 
 

是不是很有意思？

在這里，你也可以感受一下這句話的含義：Python 中一切皆對(duì)象！

無(wú)論是普通類(lèi)型、方法、實(shí)例，還是類(lèi)，都可以統(tǒng)一看作對(duì)象，它們的起源就是元類(lèi)。

其實(shí)，在 Python 中，使用 type 方法，我們可就以創(chuàng)建出一個(gè)類(lèi)，type 方法的語(yǔ)法如下：

 
 
 

  
  
  
type(class_name, (base_class, ...), {attr_key: attr_value, ...})
 
 
 

例如，像下面這樣，我們使用 type 方法創(chuàng)建 MyClass 類(lèi)，并且讓它繼承 object：

 
 
 

  
  
  
>>> A = type('MyClass', (object, ), {}) # type創(chuàng)建一個(gè)類(lèi)，繼承object 
  
  
  
>>> A 
  
  
  
 
  
  
  
>>> A() 
  
  
  
<__main__.MyClass object at 0x10d905950>
 
 
 

我們還可以使用 type 創(chuàng)建一個(gè)包含屬性和方法的類(lèi)：

 
 
 

  
  
  
>>> def foo(self): 
  
  
  
...     return 'foo' 
  
  
  
... 
  
  
  
>>> name = 'zhangsan' 
  
  
  
>>> 
  
  
  
# type 創(chuàng)建類(lèi)B 繼承object 包含 name 屬性和 foo 方法 
  
  
  
>>> B = type('MyClass', (object, ), {'name': name, 'foo': foo})  
  
  
  
>>> B.name          # 打印 name 屬性 
  
  
  
'zhangsan' 
  
  
  
>>> print B().foo() # 調(diào)用 foo 方法 
  
  
  
foo
 
 
 

通過(guò) type 方法創(chuàng)建的類(lèi)，和我們自己定義一個(gè)類(lèi)，在使用上沒(méi)有任何區(qū)別。

其實(shí)，除了使用 type 方法創(chuàng)建一個(gè)類(lèi)之外，我們還可以使用類(lèi)屬性 __metaclass__ 創(chuàng)建一個(gè)類(lèi)，這就是下面要講的「自定義元類(lèi)」。

自定義元類(lèi)

我們可以使用類(lèi)屬性 __metaclass__ 把一個(gè)類(lèi)的創(chuàng)建過(guò)程，轉(zhuǎn)交給其它地方，可以像下面這樣寫(xiě)：

 
 
 

  
  
  
class A(object): 
  
  
  
    __metaclass__ = ... # 這個(gè)類(lèi)的創(chuàng)建轉(zhuǎn)交給其他地方 
  
  
  
    pass
 
 
 

這個(gè)例子中，我們先定義了類(lèi) A，然后定義了一個(gè)類(lèi)屬性 __metaclass__，這個(gè)屬性表示創(chuàng)建類(lèi) A 的過(guò)程，轉(zhuǎn)交給其它地方處理。

那么，這個(gè)類(lèi)屬性 __metaclass__ 需要怎么寫(xiě)呢？

其實(shí)，它可以是一個(gè)方法，也可以是一個(gè)類(lèi)。

用方法創(chuàng)建類(lèi)

如果類(lèi)屬性 __metaclass__ 賦值的是一個(gè)方法，那么創(chuàng)建類(lèi)的過(guò)程，就交給了一個(gè)方法來(lái)執(zhí)行。

 
 
 

  
  
  
def create_class(name, bases, attr): 
  
  
  
    print 'create class by method...' 
  
  
  
    # 什么事都沒(méi)做 直接用type創(chuàng)建了一個(gè)類(lèi) 
  
  
  
    return type(name, bases, attr) 
  
  
  
class A(object): 
  
  
  
    # 創(chuàng)建類(lèi)的過(guò)程交給了一個(gè)方法 
  
  
  
    __metaclass__ = create_class 
  
  
  
# Output:     
  
  
  
# create class by method ...
 
 
 

我們定義了 create_class 方法，然后賦值給 __metaclass__，那么類(lèi) A 被創(chuàng)建時(shí)，就會(huì)調(diào)用 create_class 方法。

而 create_class 方法中的邏輯，就是我們上面所講到的，使用 type 方法創(chuàng)建出一個(gè)類(lèi)，然后返回。

用類(lèi)創(chuàng)建類(lèi)

明白了用方法創(chuàng)建類(lèi)之后，我們來(lái)看一下用類(lèi)來(lái)創(chuàng)建另一個(gè)類(lèi)。

 
 
 

  
  
  
class B(type): 
  
  
  
    # 必須定義 __new__ 方法 返回一個(gè)類(lèi) 
  
  
  
    def __new__(cls, name, bases, attr): 
  
  
  
        print 'create class by B ...' 
  
  
  
        return type(name, bases, attr) 
  
  
  
class A(object): 
  
  
  
    # 創(chuàng)建類(lèi)的過(guò)程交給了B 
  
  
  
    __metaclass__ = B  
  
  
  
 # Output: 
  
  
  
# create class by B ...
 
 
 

在這個(gè)例子中，我們定義了類(lèi) B，然后把它賦值給了 A 的類(lèi)變量 __metaclass__，這就表示創(chuàng)建 A 的過(guò)程，交給了類(lèi) B。

B 在定義時(shí)，首先繼承了 type，然后定義了 __new__ 方法，最后調(diào)用 type 方法返回了一個(gè)類(lèi)，這樣當(dāng)創(chuàng)建類(lèi) A 時(shí)，會(huì)自動(dòng)調(diào)用類(lèi) B 的 __new__ 方法，然后得到一個(gè)類(lèi)實(shí)例。

創(chuàng)建類(lèi)的過(guò)程

好了，上面我們演示了通過(guò)元類(lèi)創(chuàng)建一個(gè)類(lèi)的兩種方式，分別是通過(guò)方法創(chuàng)建和通過(guò)類(lèi)創(chuàng)建。

其實(shí)創(chuàng)建一個(gè)類(lèi)的完整流程如下：

1.  檢查類(lèi)中是否有 __metaclass__ 屬性，如果有，則調(diào)用 __metaclass__ 指定的方法或類(lèi)創(chuàng)建
2.  如果類(lèi)中沒(méi)有 __metaclass__ 屬性，那么會(huì)繼續(xù)在父類(lèi)中尋找
3.  如果任何父類(lèi)中都沒(méi)有，那么就用 type 創(chuàng)建這個(gè)類(lèi)

也就是說(shuō)，如果我們沒(méi)有指定 __metaclass__，那么所有的類(lèi)都是默認(rèn)由 type 創(chuàng)建，這種情況是我們大多數(shù)定義類(lèi)時(shí)的流程。

如果類(lèi)中指定了 __metaclass__，那么這個(gè)類(lèi)的創(chuàng)建就會(huì)交給外部來(lái)做，外部可以定義具體的創(chuàng)建邏輯。

哪種創(chuàng)建類(lèi)的方式更好？

雖然有兩種方式可以創(chuàng)建類(lèi)，那么哪種方式更好呢？

一般我們建議使用類(lèi)的方式創(chuàng)建，它的優(yōu)點(diǎn)如下：

•  使用類(lèi)更能清楚地表達(dá)意圖
•  使用類(lèi)更加 OOP，因?yàn)轭?lèi)可以繼承其他類(lèi)，而且可以更友好地使用面向?qū)ο筇匦?/li>
•  使用類(lèi)可以更好地組織代碼結(jié)構(gòu)

另外，使用類(lèi)創(chuàng)建一個(gè)類(lèi)時(shí)，這里有一個(gè)優(yōu)化點(diǎn)：在 __new__ 方法中不建議直接調(diào)用 type 方法，而是建議調(diào)用 super 的 __new__ 來(lái)創(chuàng)建類(lèi)，執(zhí)行結(jié)果與 type 方法是一樣的：

 
 
 

  
  
  
class B(type): 
  
  
  
    def __new__(cls, name, bases, attr): 
  
  
  
        # 使用 super.__new__ 創(chuàng)建類(lèi) 
  
  
  
        return super(B, cls).__new__(cls, name, bases, attr)    
 
 
 

創(chuàng)建類(lèi)時(shí)自定義行為

前面我們用元類(lèi)創(chuàng)建一個(gè)類(lèi)時(shí)，它的功能非常簡(jiǎn)單。現(xiàn)在我們來(lái)看一下，使用元類(lèi)創(chuàng)建類(lèi)時(shí)，如何定義一些自己的邏輯，然后改變類(lèi)的屬性或行為。

我們看下面這個(gè)例子：

 
 
 

  
  
  
# coding: utf8 
  
  
  
class Meta(type): 
  
  
  
    def __new__(cls, name, bases, attr): 
  
  
  
        # 通過(guò) Meta 創(chuàng)建的類(lèi) 屬性會(huì)都變成大寫(xiě) 
  
  
  
        for k, v in attr.items(): 
  
  
  
            if not k.startswith('__'): 
  
  
  
                attr[k] = v.upper() 
  
  
  
            else: 
  
  
  
                attr[k] = v 
  
  
  
        return type(name, bases, attr) 
  
  
  
class A(object): 
  
  
  
    # 通過(guò) Meta 創(chuàng)建類(lèi) 
  
  
  
    __metaclass__ = Meta 
  
  
  
    name = 'zhangsan' 
  
  
  
class B(object): 
  
  
  
    # 通過(guò) Meta 創(chuàng)建類(lèi) 
  
  
  
    __metaclass__ = Meta  
  
  
  
    name = 'lisi' 
  
  
  
# 打印類(lèi)屬性 會(huì)自動(dòng)變成大寫(xiě) 
  
  
  
print A.name    # ZHANGSAN 
  
  
  
print B.name    # LISI
 
 
 

在這個(gè)例子中，我們定義了一個(gè)元類(lèi) Meta，然后在定義類(lèi) A 和 B 時(shí)，把創(chuàng)建類(lèi)的過(guò)程交給了  Meta，在 Meta 類(lèi)中，我們可以拿到 A 和 B 的屬性，然后把它們的屬性都轉(zhuǎn)換成了大寫(xiě)。

所以當(dāng)我們打印 A 和 B 的屬性時(shí)，雖然定義的變量是小寫(xiě)的，但輸出結(jié)果都變成了大寫(xiě)，這就是元類(lèi)發(fā)揮的作用。

使用場(chǎng)景

了解了元類(lèi)的實(shí)現(xiàn)原理，那么元類(lèi)都會(huì)用在哪些場(chǎng)景呢？

我們?cè)陂_(kāi)發(fā)中其實(shí)用的并不多，元類(lèi)的使用，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)在一些框架中，例如Django ORM、peewee，下面是使用 Django ORM 定義一個(gè)數(shù)據(jù)表映射類(lèi)的代碼：

 
 
 

  
  
  
class Person(models.Model): 
  
  
  
    # 注意: name 和 age 是類(lèi)屬性 
  
  
  
    name = models.CharField(max_length=30) 
  
  
  
    age = models.IntegerField()     
  
  
  
person = Person(name='zhangsan', age=20) 
  
  
  
print person.name   # zhangsan 
  
  
  
print person.age    # 20
 
 
 

仔細(xì)看在這段代碼中，我們定義了一個(gè) Person 類(lèi)，然后在類(lèi)中定義了類(lèi)屬性 name 和 age，它們的類(lèi)型分別是 CharField 和 IntegerField，之后我們初始化 Person 實(shí)例，然后通過(guò)實(shí)例獲取 name 和 age 屬性，輸出的卻是 str 和 int，而不再是 CharField 和 IntegerField。

能做到這樣的秘密就在于，Person 類(lèi)在創(chuàng)建時(shí)，它的邏輯交給了另一個(gè)類(lèi)，這個(gè)類(lèi)針對(duì)類(lèi)屬性進(jìn)行了轉(zhuǎn)換，最終變成對(duì)象與數(shù)據(jù)表的映射，通過(guò)轉(zhuǎn)換映射，我們就可以通過(guò)實(shí)例屬性的方式，友好地訪問(wèn)表中對(duì)應(yīng)的字段值了。

總結(jié)

總結(jié)一下，這篇文章我們講了元類(lèi)的實(shí)現(xiàn)原理，了解到元類(lèi)是創(chuàng)建所有類(lèi)的根源，我們可以通過(guò) type 方法，或者在類(lèi)中定義 __metaclass__ 的方式，把創(chuàng)建類(lèi)的過(guò)程交給外部。

當(dāng)使用 __metaclass__ 創(chuàng)建類(lèi)時(shí)，它可以是一個(gè)方法，也可以是一個(gè)類(lèi)。我們通常會(huì)使用類(lèi)的方式去實(shí)現(xiàn)一個(gè)元類(lèi)，這樣做更方便我們組織代碼，實(shí)現(xiàn)面向?qū)ο蟆?/p>

在使用元類(lèi)創(chuàng)建一個(gè)類(lèi)時(shí)，我們可以修改創(chuàng)建類(lèi)的細(xì)節(jié)，例如對(duì)屬性做統(tǒng)一的轉(zhuǎn)換，或者增加新的方法等等，這對(duì)于我們開(kāi)發(fā)一個(gè)復(fù)雜功能的類(lèi)很友好，它可以把創(chuàng)建類(lèi)的細(xì)節(jié)屏蔽在元類(lèi)中，所以元類(lèi)常常用在優(yōu)秀的開(kāi)源框架中。、

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