python中metaclass元類是什么

這篇文章主要介紹python中metaclass元類是什么，文中介紹的非常詳細，具有一定的參考價值，感興趣的小伙伴們一定要看完！

元編程，一個聽起來特別酷的詞，強大的Lisp在這方面是好手，對于Python，盡管沒有完善的元編程范式，一些天才的開發者還是創作了很多元編程的魔法。Django的ORM就是元編程的一個很好的例子。

一切都是對象

Python里一切都是對象（object），基本數據類型，如數字，字串，函數都是對象。對象可以由類（class）進行創建。既然一切都是對象，那么類是對象嗎？

是的，類也是對象，那么又是誰創造了類呢？答案也很簡單，也是類，一個能創作類的類，就像上帝一樣，開啟了萬物之始。這樣的類，稱之為元類（classmeta）。

類的定義

對象是通過類創建的，這個很好理解。例如下面的代碼：

class Bar(object):
  pass

bar = Bar()
print(bar, bar.__class__)  # <__main__.Bar object at 0x101eb4630> <class '__main__.Bar'>
print(Bar, Bar.__class__) # <class '__main__.Bar'> <class 'type'>

可以看見對象 bar 是類 Bar 創建的實例。然而 Bar，看起來卻是由一個叫 type 的類創建的實例。即 bar <-- Bar < -- type。

上面的例子，對象是動態創建的，類則是通過關鍵字 class 聲明定義的。class關鍵字背后的玄機是什么呢？

實際上，class Bar(object) 這樣的代碼，等價于 Bar = type('Bar', (objects, ), {})
即類 type 通過實例化創建了它的對象 Bar，而這個 Bar 恰恰是一個類。這樣能創建類的類，就是 Python 的元類。

從創建 Bar 的代碼上來看，元類 type 的 __init__ 方法有3個參數，

• 第一個是創建的類的名字
• 第二個是其繼承父類的元類列表，
• 最后就是一個屬性字典，即該類所具有的屬性。
   

type 元類

type是小寫，因而很容易誤以為它是一個函數。通過help(type)可以看到它的定義如下：

class type(object):
  """
  type(object_or_name, bases, dict)
  type(object) -> the object's type
  type(name, bases, dict) -> a new type
  """
  def __init__(cls, what, bases=None, dict=None): # known special case of type.__init__
    """
    type(object_or_name, bases, dict)
    type(object) -> the object's type
    type(name, bases, dict) -> a new type
    # (copied from class doc)
    """
    pass

   @staticmethod # known case of __new__
  def __new__(*args, **kwargs): # real signature unknown
    """ Create and return a new object. See help(type) for accurate signature. """
    pass

如前所述，__init__方法接受三個參數，type 實例化的過程，會創建一個新的類。創建類的代碼來自 __new__ 方法，它的參數其實和 __init__，一樣。至于它們之間有什么關系，后面再做介紹。目前只要知道，當調用 type 進行實例化的時候，會先自動調用 __new__ 方法，然后再接著調用 __init__方法，在類外面來看，最終會實例化一個對象，這個對象是一個類。

從 type 的定義來看，它繼承 object，Python3的所有類，都繼承來著 object，類type 也是 object 的實例，令人奇怪的是，object 既是類也是對象，它也是由 type實例化而來。有一種雞生蛋，蛋生雞的悖論。暫且先不管，只要知道所有類的頂級繼承來自 object 就好。

自定義元類

既然元類可以創建類，那么自定義元類就很簡單了，直接繼承類 type 即可。先看下面一個例子：

class MyType(type):
  pass


class Bar(object, metaclass=MyType):
  pass


print(MyType, MyType.__class__) # <class '__main__.MyType'> <class 'type'>
print(Bar, Bar.__class__) # <class '__main__.Bar'> <class '__main__.MyType'>

可以看到，Bar在聲明的時候，指定了其元類，此時的類 Bar 的__class__屬性不再是 type，而是 MyType。即之前定義 Bar 的代碼不再是 Bar = type('Bar', (objects, ), {}), 而是 Bar = MyType('Bar', (objects, ), {})。創建的元類的代碼是MyType = type('MyType', (objects, ), {})。

如果一個類沒有顯示的指定其元類，那么會沿著繼承鏈尋找父類的元類，如果一直找不到，那么就使用默認的 type 元類。

元類沖突

每個類都可以指定元類，但是父類和子類的元類要是一條繼承關系上的，否則會出現元類沖突。并且這個繼承關系中，以繼承最后面的元類為其元類。

元類的查找順序大致為，先查看其繼承的父類，找到父類的元類即停止。若直接父類沒有元類，直到頂級父類 object ，此時父類（object）的元類是 type（basemetaclass），再看其自身有沒有指定元類（submetaclass），如果指定了元類（submetaclass），再對比這個子元類（submetaclass）和父元類（basemetaclass），如果它們毫無繼承關系，那么將會拋出元類沖突的錯誤。如果指定的子元類是父元類的父類，那么將會使用父元類，否則將使用期指定的子元類。

即 submetaclass <- basemetaclass使用 submetaclass 作為最終元類，
若 basemetaclass <- submetaclass, 使用 basemetaclass 作為最終元類,
兩者無繼承關系，拋出沖突。

有點像繞口令，且看代碼例子

class MyType(type):
  pass

# 等價于 MyType = type('MyType', (object, ), {})

class Bar(object, metaclass=MyType):
  pass

# 等價于 Bar = MyType('Bar', (object, ), {})

class Foo(Bar):
  pass

# 等價于 Foo = MyType('Foo', (Foo, object, ), {})

print(Bar, Bar.__class__)  # <class '__main__.Bar'> <class '__main__.MyType'>
print(Foo, Foo.__class__) # <class '__main__.Foo'> <class '__main__.MyType'>

Bar的父元類（basemetaclass）type，指定子元類（submetaclass）是 MyType， MyType 繼承自 type，所以Bar的元類是 MyType。

又如：

class MyType(type):
  pass


class Bar(object, metaclass=MyType):
  pass


class Foo(Bar, metaclass=type):
  pass


print(Bar, Bar.__class__)  # <class '__main__.Bar'> <class '__main__.MyType'>
print(Foo, Foo.__class__) # <class '__main__.Foo'> <class '__main__.MyType'>

盡管 Foo 也指定了元類(submetaclass) type，可是其父類的元類（basemetaclass）是 MyType， MyType
是 type的子類，因此 Foo的元類拋棄了指定的(submetaclass) type，而是沿用了其父類的MyType。

當 submetaclass 和 basemetaclass 沒有繼承關系的時候，將會元類沖突

class MyType(type):
  pass

class MyOtherType(type):
  pass

class Bar(object, metaclass=MyType):
  pass


class Foo(Bar, metaclass=MyOtherType):
  pass

運行代碼，當定義的時候就會出現TypeError: metaclass conflict: the metaclass of a derived class must be a (non-strict)元類沖突的錯誤。

修改代碼如下：

class MyType(type):
  pass

class MyOtherType(MyType):
  pass

class Bar(object, metaclass=MyType):
  pass


class Foo(Bar, metaclass=MyOtherType):
  pass


print(Bar, Bar.__class__) # <class '__main__.Bar'> <class '__main__.MyType'>
print(Foo, Foo.__class__) # <class '__main__.Foo'> <class '__main__.MyOtherType'>

可以看到 Bar 和 Foo 分別有自己的元類，并且都符合繼承關系中尋找。再調換一下元類看看：

class MyType(type):
  pass

class MyOtherType(MyType):
  pass

class Bar(object, metaclass=MyOtherType):
  pass


class Foo(Bar, metaclass=MyType):
  pass


print(Bar, Bar.__class__) # <class '__main__.Bar'> <class '__main__.MyOtherType'>
print(Foo, Foo.__class__) # <class '__main__.Foo'> <class '__main__.MyOtherType'>

都使用了Foo還是使用了元子類作為元類。究其原因，其實也很好理解。定義父類的時候，使用了元類MyOtherType 。定義子類的時候，通過繼承，找到了創建父類的元類，那么父類就是 MyOtherType 的實例。

如果使用 MyType 做為元類，那么他就是 MyType 的實例，MyType的實例會比MyOtherType具有的屬性少，那么在繼承鏈上，它又是 Bar的子類，這樣看就是子類比父類還狹窄了，顯然不是一個好的關系。即變成了下面的關系

Bar     <-  MyOtherType
 
  |           ↑
  |           |
  ↓           |

Foo     <-  MyType

因此當 MyType 是 MyOtherType的父類的時候，即使 Foo 指定了 MyType作為元類，還是會被忽略，使用其父元類MyOtherType。

上面的線的箭頭要一直，才能使用各自指定的元類，否則使用箭頭指向的那個類作為元類。元類沒有繼承關系，元類沖突。

對象（類）實例化

目前為止，我們了解了類的定義，即類是如何被元類創建出來的，但是創建的細節尚未涉及。即元類是如何通過實例化創建類的過程。這也是對象創建的過程。

前文介紹了一個對象是通過類創建的，類對象是通過元類創建的。創建類中，會先調用元類的__new__方法，設置其名稱，繼承關系和屬性，返回一個實例。然后再調用實例的__init__方法進行初始化實例對象。

class MyType(type):

  def __init__(self, *args, **kwargs):
    print('init ', id(self), args, kwargs)

  def __new__(cls, *args, **kwargs):
    print('new', id(cls), args, kwargs)
    instance = super(MyType, cls).__new__(cls, *args, **kwargs)
    print(id(instance))
    return instance


class Bar(object, metaclass=MyType):
  pass

運行代碼可以看見輸出：

new 4323381304 ('Bar', (<class 'object'>,), {'__module__': '__main__', '__qualname__': 'Bar'}) {}
4323382232
init  4323382232 ('Bar', (<class 'object'>,), {'__module__': '__main__', '__qualname__': 'Bar'}) {}

注意，上面代碼僅關注 Bar 類的創建，即 Bar =MyType('Bar', (object, ), {})這個定義代碼。MyType進行實例化創建 Bar的過程中，會先用 其 __new__ 方法，后者調用了父類 type的 __new__方法，并返回了元類的實例, 同時調用這個實例的__init__方法，后者對改實例對象進行初始化。這也就是為什么方法名為 __init__。

通常我們會在 __init__方法初始化一些實例對象的屬性如果 __new__ 方法什么也不返回，那么 __init__ 方法是不會被調用的。

instance = super(MyType, cls).__new__(cls, *args, **kwargs)， 有的地方也喜歡寫成 type.__new__或者 type，前者是python中如何調用父類方法的問題，后者是直接使用type創建類的過程。比較推薦的寫法還是使用 super 調用其父類的方法的方式。

類是元類的對象，普通類創建對象的過程，也是一樣。因此，只要重寫 __new__方法，還可以實現一個類還可以創建另外一個類的實例的魔法。

移花接木

重寫 __new__ 方法，讓其創建另外一個類的實例。

class Bar:
  def __init__(self, name):
    self.name = name
    print('Bar init')

  def say(self):
    print('say: Bar {}'.format(self.name))


class Foo(object):

  def __init__(self):
    print('self {}'.format(self))

  def __new__(cls, *args, **kwargs):
    instance = super(Foo, cls).__new__(Bar, *args, **kwargs)
    print('instance {}'.format(instance))
    instance.__init__('a class')
    return instance

  def say(self):
    print('say: Foo')


m = Foo()
print('m {}'.format(m))
m.say()

輸出

instance <__main__.Bar object at 0x104033240>
Bar init
m <__main__.Bar object at 0x104033240>
say: Bar a class

在類 Foo 中，通過重寫 __new__返回了一個 Bar 類的實例對象，然后調用 Bar 實例的 __inti__ 方法初始化，由于返回了 bar 實例，因此 Foo 的實例沒有被創建，因此也不會調用它的實例方法 __inti__ 。這樣就把 移花（Bar）接木（Foo）上了。

也許有人會覺得這樣的詭異魔法有什么用呢？實際上，Tornado框架使用了這樣的技術實現了一個叫 Configurable 的工廠類，用于創建不同網絡IO下的epoll還是select模型。有興趣可以參考其實現方式。

元類的應用

討論了那么多原理的東西，最后肯定是要應用到實際中才有意義。既然類可以被動態的創建，那么很多定義在類的方法，豈不是也可以被動態的創建了呢。這樣就省去了很多重復工作，也能實現酷酷的元編程。

元類可以創建單例模式，也可以用來實現 ORM，下面介紹的是Django使用元類實現的查找方式。更經典的model定義網上有很多例子，就不再介紹了。下面介紹一個model通過manger管理器實現查詢方法的例子

import inspect


class QuerySet:

  def get(self, *args, **kwargs):
    print('get method')
    return self

  def filter(self, *args, **kwargs):
    print('filter method')
    return self


class BaseManager:

  def __init__(self):
    pass

  @classmethod
  def from_queryset(cls, queryset_class, class_name=None):
    if class_name is None:
      class_name = '%sFrom%s' % (cls.__name__, queryset_class.__name__)
    class_dict = {
      '_queryset_class': queryset_class,
    }
    class_dict.update(cls._get_queryset_methods(queryset_class))
    return type(class_name, (cls,), class_dict)

  def get_queryset(self):
    return self._queryset_class()

  @classmethod
  def _get_queryset_methods(cls, queryset_class):
    def create_method(name, method):
      def manager_method(self, *args, **kwargs):
        return getattr(self.get_queryset(), name)(*args, **kwargs)

      manager_method.__name__ = method.__name__
      manager_method.__doc__ = method.__doc__
      return manager_method

    new_methods = {}
    for name, method in inspect.getmembers(queryset_class, predicate=inspect.isfunction):
      if hasattr(cls, name):
        continue
      queryset_only = getattr(method, 'queryset_only', None)
      if queryset_only or (queryset_only is None and name.startswith('_')):
        continue
      new_methods[name] = create_method(name, method)
    return new_methods


class Manager(BaseManager.from_queryset(QuerySet)):
  pass


class ModelMetaClass(type):

  def __new__(cls, *args, **kwargs):
    name, bases, attrs = args
    attrs['objects'] = Manager()
    return super(ModelMetaClass, cls).__new__(cls, name, bases, attrs)


class Model(object, metaclass=ModelMetaClass):
  pass


class User(Model):
  pass


User.objects.get()
User.objects.filter()
User.objects.filter().get()

這樣model就用使用期管理器Manger 下的方法了。通過model的元類ModelMetaClass，定義model的時候，就初始化了一個 Manger對象掛載到Model下面，而定義Manger的時候，也通過元類將QuerySet下的查詢方法掛載到Manger下了。

總結

Python里一切都是對象，對象都是由類進行創建實例化而來。既然一切是對象，那么類也是對象，而類這種對象又是由一種更高級類創建而來，即所謂的元類。

元類可以創建類，Python默認的元類是 type。通過繼承type，可以自定義元類，在自定義元類的時候定義或者重載 __new__，可以創建該類的實例對象，同時也可以修改類創建對象的行為。類通過 __new__創建實例對象，然后調用實例對象的 __init__初始化實例對象。

在使用自定義元類的時候，子類的的元類和父類的元類有關系，前者指定的元類必須和父類的元類是一個繼承關系上的，否則會出現元類沖突。子類選取元類的取決于指定的元類和父元類的繼承關系，子元類若是父元類的子類，則指定的元類為子元類，否則將會被忽略，使用父元類為其元類。

元類是元編程的一種技術手段，常用于實現工廠模式的策略。通過定義元類動態創建類和展開，可以實現很多設計精妙的應用。ORM 正式其中一種常用的方法。

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