python中的元类_Python中的元类(metaclass)
提問者自稱已經掌握了有關Python OOP編程中的各種概念,但始終覺得元類(metaclass)難以理解。他知道這肯定和自身有關,但仍然覺得不太明白,希望大家可以給出一些實際的例子和代碼片段以幫助理解,以及在什么情況下需要進行元編程。
類也是對象
在理解元類之前,你需要先掌握Python中的類。Python中類的概念借鑒于Smalltalk,這顯得有些奇特。在大多數編程語言中,類就是一組用來描述如何生成一個對象的代碼段。
在Python中這一點仍然成立,例:
class ObjectCreator(object):
pass
my_object = ObjectCreator()
print my_object
上面代碼的執行結果:
<__main__.ObjectCreator object at 0x00000000033D0390>
Python中的類還遠不止如此。類同樣也是一種對象。是的,沒錯,就是對象。只要你使用關鍵字class,Python解釋器在執行的時候就會創建一個對象。
例:
class ObjectCreator(object):
pass
上面的的代碼段,將在內存中創建一個對象,名字就是ObjectCreator。這個對象(類)自身擁有創建對象(類實例)的能力,而這就是為什么它是一個類的原因。但是,它的本質仍然是一個對象,于是乎你可以對它做如下的操作:
你可以將它賦值給一個變量
你可以拷貝它
你可以為它增加屬性
你可以將它作為函數參數進行傳遞
示例:
>>> print ObjectCreator # 你可以打印一個類,因為它其實也是一個對象
>>> def echo(o):
… print o
…
>>> echo(ObjectCreator) # 你可以將類做為參數傳給函數
>>> print hasattr(ObjectCreator, 'new_attribute')
Fasle
>>> ObjectCreator.new_attribute = 'foo' # 你可以為類增加屬性
>>> print hasattr(ObjectCreator, 'new_attribute')
True
>>> print ObjectCreator.new_attribute
foo
>>> ObjectCreatorMirror = ObjectCreator # 你可以將類賦值給一個變量
>>> print ObjectCreatorMirror()
<__main__.ObjectCreator object at 0x000000000204D390>
動態地創建類
因為類也是對象,你可以在運行時動態的創建它們,就像其他任何對象一樣。
首先,你可以在函數中創建類,使用class關鍵字即可
>>> def choose_class(name):
… if name == 'foo':
… class Foo(object):
… pass
… return Foo # 返回的是類,不是類的實例
… else:
… class Bar(object):
… pass
… return Bar
…
>>> MyClass = choose_class('foo')
>>> print MyClass # 函數返回的是類,不是類的實例
>>> print MyClass() # 你可以通過這個類創建類實例,也就是對象
<__main__.Foo object at 0x89c6d4c>
但這還不夠動態,因為你仍然需要自己編寫整個類的代碼。由于類也是對象,所以它們必須是通過什么東西來生成的才對。當你使用class關鍵字時,Python解釋器自動創建這個對象。但就和Python中的大多數事情一樣,Python仍然提供給你手動處理的方法。還記得內建函數type嗎?這個古老但強大的函數能夠讓你知道一個對象的類型是什么,就像這樣:
>>> print type(1)
>>> print type("1")
>>> print type(ObjectCreator)
>>> print type(ObjectCreator())
這里,type有一種完全不同的能力,它也能動態的創建類。type可以接受一個類的描述作為參數,然后返回一個類。(我知道,根據傳入參數的不同,同一個函數擁有兩種完全不同的用法是一件很傻的事情,但這在Python中是為了保持向后兼容性)。
type可以像這樣工作:
type(類名, 父類的元組(針對繼承的情況,可以為空),包含屬性的字典(名稱和值))
代碼示例:
>>> class MyShinyClass(object):
… pass
可以手動像這樣創建:
>>> MyShinyClass = type('MyShinyClass', (), {}) # 返回一個類對象
>>> print MyShinyClass
>>> print MyShinyClass() # 創建一個該類的實例
<__main__.MyShinyClass object at 0x00000000034D8390>
你會發現我們使用“MyShinyClass”作為類名,并且也可以把它當做一個變量來作為類的引用。類和變量是不同的,這里沒有任何理由把事情弄的復雜。
type 接受一個字典來為類定義屬性,因此
>>> class Foo(object):
… bar = True
可以翻譯為:
>>> Foo = type('Foo', (), {'bar':True})
并且可以將Foo當成一個普通的類一樣使用:
class Foo(object):
bar = True
Foo = type('Foo', (), {'bar': True})
print Foo
print Foo()
print Foo.bar
f = Foo()
print f
print f.bar
執行結果
當然,你可以向這個類繼承,所以,如下的代碼:
>>> class FooChild(Foo):
… pass
就可以寫成:
>>> FooChild = type('FooChild', (Foo,),{})
>>> print FooChild
>>> print FooChild.bar # bar屬性是由Foo繼承而來
True
最終你會希望為你的類增加方法。只需要定義一個有著恰當簽名的函數并將其作為屬性賦值就可以了。
>>> 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
你可以在動態創建類之后添加更多的方法,就像向通常創建的類對象添加方法一樣。
>>> 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,在Python中,類也是對象,你可以動態的創建類。這就是當你使用關鍵字class時Python在幕后做的事情,而這就是通過元類來實現的。
什么是元類
元類就是用來創建類的“東西”。你創建類就是為了創建類的實例對象,不是嗎?但是我們已經學習了Python中的類也是對象這個概念。
所以,我們可以這樣理解,元類就是用來創建這些類(對象)的,元類就是類的類。
MyClass = MetaClass()
MyObject = MyClass()
你已經看到了type可以讓你像這樣做:
MyClass = type('MyClass', (), {})
這是因為函數type實際上是一個元類。type就是Python在背后用來創建所有類的元類。
那為什么type會全部采用小寫形式而不是Type呢?可能這是為了和str保持一致性,str是用來創建字符串對象的類,而int是用來創建整數對象的類。type就是創建類對象的類。我們可以通過檢查__class__屬性來看到這一點。
Python中所有的一切都是對象。這包括整數、字符串、函數以及類。它們全部都是對象,而且它們都是從一個類創建而來。
>>> age = 35
>>> age.__class__
>>> name = 'bob'
>>> name.__class__
>>> def foo(): pass
>>> foo.__class__
>>> class Bar(object): pass
>>> b = Bar()
>>> b.__class__
現在,對于任何一個__class__的__class__屬性又是什么呢?
>>> age.__class__.__class__
>>> name.__class__.__class__
>>> foo.__class__.__class__
>>> b.__class__.__class__
因此,元類只是創建類對象的東西。
如果你愿意,你可以稱之為“類工廠”。
type就是Python的內建元類,當然了,你也可以創建自己的元類。
__metaclass__屬性
你可以在創建一個類的時候為其添加__metaclass__屬性。
class Foo(object):
__metaclass__ = something...
[...]
如果按照上面的代碼,引入__metaclass__屬性,Python將使用元類創建類Foo。
你首先寫下class Foo(object),但是類對象Foo還沒有在內存中創建。Python會在類的定義中尋找__metaclass__屬性,如果找到了,Python就會用它來創建類Foo,如果沒有找到,就會用內建的type來創建這個類。
又一個例子:
class Foo(Bar):
pass
Python做了如下的操作:
Foo中有__metaclass__這個屬性嗎?
如果是,Python會在內存中通過__metaclass__創建一個名字為Foo的類對象。
如果Python沒有找到__metaclass__,它會繼續在Bar(父類)中尋找__metaclass__屬性,并嘗試做和前面同樣的操作。
如果Python在任何父類中都找不到__metaclass__,它就會在模塊層次中去尋找__metaclass__,并嘗試做同樣的操作。
如果還是找不到__metaclass__,Python就會用內置的type來創建這個類對象。
現在的問題就是,你可以在__metaclass__中放置些什么代碼呢?答案就是:可以創建一個類的東西。
那么什么可以用來創建一個類呢?type,或者任何使用到type或者子類化type的東東都可以。
自定義元類
元類的主要目的就是為了當創建類時能夠自動地改變類。通常,你會為API做這樣的事情,你希望可以創建符合當前上下文的類。
假想一個很簡單的例子,你決定在你的模塊里所有的類的屬性都應該是大寫形式。有好幾種方法可以辦到,但其中一種就是通過在模塊級別設定__metaclass__。采用這種方法,這個模塊中的所有類都會通過這個元類來創建,我們只需要告訴元類把所有的屬性都改成大寫形式就萬事大吉了。
幸運的是,__metaclass__實際上可以被任意調用,它并不需要是一個正式的類(某些名字里帶有‘class’的字符串,并不需要是一個class)。所以,我們這里就先以一個簡單的函數作為例子開始。
def upper_attr(future_class_name, future_class_parents, future_class_attr):
"""
返回一個類對象,將屬性都轉為大寫形式
"""
# 選擇所有不以'__'開頭的屬性
uppercase_attr = {}
for name, val in future_class_attr.items():
if not name.startswith('__'):
uppercase_attr[name.upper()] = val
else:
uppercase_attr[name] = val
# 通過'type'來做類對象的創建
return type(future_class_name, future_class_parents, uppercase_attr)
__metaclass__ = upper_attr # 它會作用到這個模塊中的所有類
class Foo():
# 我們也可以只在這里定義__metaclass__,這樣就只會作用于這個類中
bar = 'bip'
print hasattr(Foo, 'bar')
# 輸出: False
print hasattr(Foo, 'BAR')
# 輸出:True
f = Foo()
print f.BAR
# 輸出:'bip'
現在讓我們再做一次,這一次用一個真正的class來當做元類
class UpperAttrMetaClass(type):
"""
# 'type'實際上是一個類,就像'str'和'int'一樣 , 所以,你可以從type繼承
# __new__ 是在__init__之前被調用的特殊方法
# __new__是用來創建對象并返回之的方法
# 而__init__只是用來將傳入的參數初始化給對象
# 你很少用到__new__,除非你希望能夠控制對象的創建
# 這里,創建的對象是類,我們希望能夠自定義它,所以我們這里改寫__new__
# 如果你希望的話,你也可以在__init__中做些事情
# 還有一些高級的用法會涉及到改寫__call__特殊方法,但是我們這里不用
"""
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)
但是,這種方式其實不是OOP。我們直接調用了type,而且我們沒有改寫父類的__new__方法。現在讓我們這樣去處理:
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
# 復用type.__new__方法
# 這就是基本的OOP編程,沒什么魔法
return type.__new__(upperattr_metaclass, future_class_name, future_class_parents, uppercase_attr)
你可能已經注意到了有個額外的參數upperattr_metaclass,這并沒有什么特別的。類方法的第一個參數總是表示當前的實例,就像在普通的類方法中的self參數一樣。
當然,為了清晰起見,這里的名字我起的比較長。但是就像self一樣,所有的參數都有它們的傳統名稱。
真實的產品代碼中一個元類應該是像這樣的:
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)
如果使用super方法的話,我們還可以使它變得更清晰一些,這會緩解繼承(是的,你可以擁有元類,從元類繼承,從type繼承)
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)
就是這樣,除此之外,關于元類真的沒有別的可說的了。使用到元類的代碼比較復雜,這背后的原因倒并不是因為元類本身,而是因為你通常會使用元類去做一些晦澀的事情,依賴于自省,控制繼承等等。
確實,用元類來搞些“黑暗魔法”是特別有用的,因而會搞出些復雜的東西來。但就元類本身而言,它們其實是很簡單的:
攔截類的創建
修改類
返回修改之后的類
為什么要用metaclass類而不是函數?
由于__metaclass__可以接受任何可調用的對象,那為何還要使用類呢,因為很顯然使用類會更加復雜啊?這里有好幾個原因:
意圖會更加清晰。當你讀到UpperAttrMetaclass(type)時,你知道接下來要發生什么。
你可以使用OOP編程。元類可以從元類中繼承而來,改寫父類的方法。元類甚至還可以使用元類。
你可以把代碼組織的更好。當你使用元類的時候肯定不會是像我上面舉的這種簡單場景,通常都是針對比較復雜的問題。將多個方法歸總到一個類中會很有幫助,也會使得代碼更容易閱讀。
你可以使用__new__, __init__以及__call__這樣的特殊方法。它們能幫你處理不同的任務。就算通常你可以把所有的東西都在__new__里處理掉,有些人還是覺得用__init__更舒服些。
究竟為什么要使用元類?
“元類就是深度的魔法,99%的用戶應該根本不必為此操心。如果你想搞清楚究竟是否需要用到元類,那么你就不需要它。那些實際用到元類的人都非常清楚地知道他們需要做什么,而且根本不需要解釋為什么要用元類。” —— Python界的領袖 Tim Peters
元類的主要用途是創建API。一個典型的例子是Django ORM。它允許你像這樣定義:
class Person(models.Model):
name = models.CharField(max_length=30)
age = models.IntegerField()
但是如果你像這樣做:
guy = Person(name='bob', age='35')
print(guy.age)
這并不會返回一個IntegerField對象,而是會返回一個int,甚至可以直接從數據庫中取出數據。這是有可能的,因為models.Model定義了__metaclass__, 并且使用了一些魔法能夠將你剛剛定義的簡單的Person類轉變成對數據庫的一個復雜hook。Django框架將這些看起來很復雜的東西通過暴露出一個簡單的使用元類的API將其化簡,通過這個API重新創建代碼,在背后完成真正的工作。
結語
首先,你知道了類其實是能夠創建出類實例的對象。事實上,類本身也是實例,當然,它們是元類的實例。
>>> class Foo(object):
>>> pass
>>> print id(Foo)
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Python中的一切都是對象,它們要么是類的實例,要么是元類的實例,除了type。
type實際上是它自己的元類,在純Python環境中這可不是你能夠做到的,這是通過在實現層面耍一些小手段做到的。
總結
以上是生活随笔為你收集整理的python中的元类_Python中的元类(metaclass)的全部內容,希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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