一、引言
1，元类属于python面向对象编程的深层魔法，接下来，我们就一起来深度了解python元类的来龙去脉。
2，补充：exec 的用法：
# 储备知识 exec # 参数1：字符串形式的命令 # 参数2：全局作用域(字典形式)，如果不指定，默认就使用 globals() # 参数3：局部作用域(字典形式)，如果不指定，默认就使用 locals() """ exec 命令实际上就是相当于一个函数的执行，可以用 global 去引用，去操作全局作用域的名字， 也可以自己产生新的名字，但是是产生到局部作用域,会将执行期间产生的名字存放于局部名称空间中 """ g = { "x":1, "y":2, } l = {} # 可以把 exec 中的代码当成一个函数执行 exec(""" global x,m x = 10 m = 100 z = 3 """,g,l) print(g) # {'x': 10, 'y': 2, ...} print(g["m"]) # 100 print(l) # {'z': 3}
二、定义类的两种方式
1，方式一：
class Chinese: # Chinese = type(...) country = "China" def __init__(self,name,age): self.name = name self.age = age def talk(self): print("%s is talking" % self.name) print(Chinese) # <class '__main__.Chinese'> obj = Chinese("子系",18) print(obj,obj.name,obj.age) # <__main__.Chinese object at 0x000002BA9C87DBA8> 子系 18
2，方式二：type
# 定义类的三要素：类名，类的基类们（继承)，类的名称空间 class_name = "Chinese" class_bases = (object,) class_body = """ country = "China" def __init__(self,name,age): self.name = name self.age = age def talk(self): print("%s is talking" % self.name) """ class_dic = {} exec(class_body,globals(),class_dic) Chinese1 = type(class_name,class_bases,class_dic) print(Chinese1) # <class '__main__.Chinese'> obj1 = Chinese1("子系",18) print(obj1,obj1.name,obj1.age) # <__main__.Chinese object at 0x0000015EF9A8DB70> 子系 18
三、什么是元类
1，python 中一切皆对象，对象可以怎么用？
1）都可以被引用，x = obj(模块名，函数名，对象，数据类型)
2）都可以当作函数的参数传入
3）都可以当作函数的返回值（函数的返回值，没有类型的限制，返回什么都成）
4）都可以当作容器类型的元素 lis = [func, time, obj, 1]
但凡符合这四个用法的，就是对象。
# 类也是对象, Foo = type(....) , 类的类就是元类,这里就是 type 。 class Foo: pass obj = Foo() print(type(obj)) # <class '__main__.Foo'> print(type(Foo)) # <class 'type'> class Bar: pass print(type(Bar)) # <class 'type'>
2，结论：产生类的类就称之为元类，默认所有用 class 定义的类，它们的元类都是 type
3，其实一切都源自于一句话：python 中一切皆为对象。让我们先定义一个类，然后逐步分析。
class World(object): country = "china" def __init__(self,name,age): self.name = name self.age = age def say(self): print("%s says chinese." % self.name)
所有的对象都是实例化或者说调用类而得到的（调用类的过程称为类的实例化），比如对象 zx 是调用类 World 得到的。
zx = World("zixi",20) print(type(zx)) # 查看对象 zx 的类是 <class '__main__.World'>
如果一切皆为对象，那么类 World 本质也是一个对象，既然所有的对象都是调用类得到的，那么 World 必然也是调用了一个类得到的，这个类称为元类。
于是我们可以推导出 ===> 产生 World 的过程一定发生了：World = 元类(...)
print(type(World)) # 输出 <class 'type'> ，证明是调用了 type 这个元类而产生的 World，即默认的元类为 type
四、class 关键字创建类的流程分析
上面我们基于 python 中一切皆为对象的概念分析出：我们用 class 关键字定义的类本身也是一个对象，负责产生该对象的类称之为元类（元类可以简称为类的类），内置的元类为 type。
class 关键字在帮我们创建类时，必然帮我们调用了元类 World = type(...)，那调用 type 时传入的参数是什么呢？必然是类的关键组成部分，一个类有三大组成部分，分别是：
1，类名 class_name = 'World'
2，基类们 class_bases = (object,)
3，类的名称空间 class_dic，类的名称空间是执行类体代码而得到的
调用 type 时会依次传入以上三个参数
综上，class 关键字帮我们创建一个类应该细分为以下四个过程：
五、自定义元类控制类 World 的创建
一个类没有声明自己的元类，默认他的元类就是 type，除了使用内置元类 type，我们也可以通过继承 type 来自定义元类，然后使用 metaclass 关键字参数为一个类指定元类。
class Mymeta(type): # 只有继承了 type 类才能称之为一个元类，否则就是一个普通的自定义类 pass class World(object, metaclass=Mymeta): # World = Mymeta("World", (object), {...}) country = "china" def __init__(self,name,age): self.name = name self.age = age def say(self): print("%s says chinese." % self.name)
自定义元类可以控制类的产生过程，类的产生过程其实就是元类的调用过程，
即 World = Mymeta('World ', (object), {...})，调用 Mymeta 会先产生一个空对象 World，
然后连同调用 Mymeta 括号内的参数一同传给 Mymeta 下的 __init__ 方法，完成初始化，于是我们可以：
class Mymeta(type): # 只有继承了 type 类才能称之为一个元类，否则就是一个普通的自定义类 def __init__(self,class_name,class_bases,class_dic): print(self) print(class_bases) print(class_dic) super(Mymeta,self).__init__(class_name,class_bases,class_dic) # 重用父类的功能 if class_name.islower(): raise TypeError("类名%s错误，请修改为驼峰体。" % class_name) if "__doc__" not in class_dic or len(class_dic["__doc__"].strip(" ")) == 0: raise TypeError("类中必须有文档注释，并且文档注释不能为空。") class World(object, metaclass=Mymeta): # World = Mymeta("World", (object), {...}) """类 World 的文档注释""" country = "china" def __init__(self,name,age): self.name = name self.age = age def say(self): print("%s says chinese." % self.name)
六、自定义元类控制类 World 的调用
1，__call__ 方法
class Foo: def __call__(self, *args, **kwargs): print(self) print(args) print(kwargs) obj = Foo() # 1、要想让 obj 这个对象变成一个可调用的对象，需要在该对象的类中定义一个方法 __call__ 方法，该方法会在调用对象时自动触发 # 2、调用o bj 的返回值就是 __call__ 方法的返回值 res = obj(1, 2, 3, x=1, y=2) """ <__main__.Foo object at 0x000001EE2B1AD908> (1, 2, 3) {'x': 1, 'y': 2} """
由上例得知，调用一个对象，就是触发对象所在类中的 __call__ 方法的执行，如果把 World 也当做一个对象，那么在 World 这个对象的类中也必然存在一个 __call__ 方法。
class Mymeta(type): # 只有继承了 type 类才能称之为一个元类，否则就是一个普通的自定义类 def __call__(self,*args,**kwargs): print(self) print(args) print(kwargs) return 777 class World(object, metaclass=Mymeta): country = "china" def __init__(self,name,age): self.name = name self.age = age def say(self): print("%s says chinese." % self.name) # 调用 World 就是在调用 World 类中的 __call__ 方法 # 然后将 World 传给 self，溢出的位置参数传给*args，溢出的关键字参数传给**kwargs # 调用 World 的返回值就是调用 __call__ 的返回值 zx = World("zixi",20) print(zx) """ <class '__main__.World'> ('zixi', 20) {} 777 """
默认地，调用 zx = World("zixi",20) 会做三件事
1，产生一个空对象 obj
2，调用 __init__ 方法初始化对象 obj
3，返回初始化好的 obj
对应着，World 类中的 __call__ 方法也应该做这三件事
class Mymeta(type): # 只有继承了 type 类才能称之为一个元类，否则就是一个普通的自定义类 def __call__(self,*args,**kwargs): # self = <class '__main__.World'> # 1.调用 __new__ 产生一个空对象 obj obj = self.__new__(self) # 此处的 self 是类 World，必须传参，代表创建一个 World 的对象 obj # 2.调用 __init__ 初始化空对象 obj self.__init__(obj,*args,**kwargs) # 3.返回初始化好的对象 obj return obj class World(object, metaclass=Mymeta): country = "china" def __init__(self,name,age): self.name = name self.age = age def say(self): print("%s says chinese." % self.name) zx = World("zixi",20) print(zx.__dict__) # {'name': 'zixi', 'age': 20}
上例的 __call__ 相当于一个模板，我们可以在该基础上改写 __call__ 的逻辑从而控制调用 World 的过程，比如将 World 的对象的所有属性都变成私有的。
class Mymeta(type): # 只有继承了 type 类才能称之为一个元类，否则就是一个普通的自定义类 def __call__(self,*args,**kwargs): # self = <class '__main__.World'> # 1.调用 __new__ 产生一个空对象 obj obj = self.__new__(self) # 此处的 self 是类 World，必须传参，代表创建一个 World 的对象 obj # 2.调用 __init__ 初始化空对象 obj self.__init__(obj,*args,**kwargs) # 在初始化之后，obj.__dict__ 里就有值了 obj.__dict__ = {"_%s__%s" % (self.__name__,k):v for k,v in obj.__dict__.items()} # 3.返回初始化好的对象 obj return obj class World(object, metaclass=Mymeta): country = "china" def __init__(self,name,age): self.name = name self.age = age def say(self): print("%s says chinese." % self.name) zx = World("zixi",20) print(zx.__dict__) # {'_World__name': 'zixi', '_World__age': 20}
上例中涉及到查找属性的问题，比如 self.__new__，请看下面
七、再看属性查找
结合 python 继承的实现原理+元类，重新看属性的查找应该是什么样子呢？？？
在学习完元类后，其实我们用 class 自定义的类也全都是对象（包括 object 类本身也是元类 type 的一个实例，可以用 type(object) 查看），我们学习过继承的实现原理，如果把类当成对象去看，那么下述继承应该说成是：对象 World 继承对象Foo，对象 Foo 继承对象 Bar，对象 Bar 继承对象 object。
class Mymeta(type): # 只有继承了 type 类才能称之为一个元类，否则就是一个普通的自定义类 x = 777 def __call__(self,*args,**kwargs): # self = <class '__main__.World'> obj = self.__new__(self) self.__init__(obj,*args,**kwargs) return obj class Bar(object): # x = 333 pass class Foo(Bar): # x = 999 pass class World(Foo, metaclass=Mymeta): # x = 666 country = "china" def __init__(self,name,age): self.name = name self.age = age def say(self): print("%s says chinese." % self.name) print(World.x) # 666,999,333,777 # 发现 x World-->Foo-->Bar-->object-->Mymeta-->type # 找到类 type 中，没有这个属性，就报错了
于是属性查找应该分成两层，一层是对象层（基于 c3 算法的 MRO）的查找，另外一个层则是类层（即元类层）的查找。
# 查找顺序： # 1，先对象层：World --> Foo --> Bar --> Object # 2，然后元类层：Mymeta --> type
依据上述总结，我们来分析下元类 Mymeta 中 __call__ 里的 self.__new__ 的查找
class Mymeta(type): x = 777 def __call__(self,*args,**kwargs): # self = <class '__main__.World'> obj = self.__new__(self) print(self.__new__ is object.__new__) # False class Bar(object): x = 333 def __new__(cls,*args,**kwargs): print("Bar.__new__") class Foo(Bar): x = 999 def __new__(cls,*args,**kwargs): print("Foo.__new__") class World(Foo, metaclass=Mymeta): x = 666 country = "china" def __init__(self,name,age): self.name = name self.age = age def say(self): print("%s says chinese." % self.name) def __new__(cls,*args,**kwargs): print("World.__new__") World("zixi",20) # 触发 World 的类中的__call__方法的执行，进而执行 self.__new__ 开始查找 """ World.__new__ False """
总结，Mymeta 下的 __call__ 里的 self.__new__ 在 World、Foo、Ba r里都没有找到 __new__ 的情况下，会去找object 里的__new__，而 object 下默认就有一个__new__，所以即便是之前的类均未实现 __new__，也一定会在object 中找到一个，根本不会，也根本没必要再去元类 Mymeta->type 中查找 __new__。
我们在元类的 __call__ 中也可以用 object.__new__(self) 去造对象。
但我们还是推荐在 __call__ 中使用 self.__new__（self）去创造空对象，因为这种方式会检索三个类World->Foo->Bar，而 object.__new__ 则是直接跨过了他们三个。
最后说明一点：
class Mymeta(type): x = 777 def __new__(cls,*args,**kwargs): obj = type.__new__(cls,*args,**kwargs) # 必须按照这种传值方式 print(obj.__dict__) # return obj # 只有在返回值是 type 的对象时，才会触发下面的 __init__ 方法 return 517 def __init__(self,class_name,class_bases,class_dic): print("run...") class World(object, metaclass=Mymeta): x = 666 country = "china" def __init__(self,name,age): self.name = name self.age = age def say(self): print("%s says chinese." % self.name) def __new__(cls,*args,**kwargs): print("World.__new__") print(type(Mymeta)) # <class 'type'> # 输出：{'__module__': '__main__', 'x': 666, 'country': 'china', '__init__': <function World.__init__ at 0x00000276513FFC80>, 'say': <function World.say at 0x00000276513FFD08>, '__new__': <staticmethod object at 0x0000027651402710>, '__dict__': <attribute '__dict__' of 'World' objects>, '__weakref__': <attribute '__weakref__' of 'World' objects>, '__doc__': None} """ 产生类 World 的过程就是在调用 Mymeta，而 Mymeta 也是 type 类的一个对象，那么 Mymeta 之所以可以调用，一定是在元类 type 中有一个__call__方法 该方法中同样需要做至少三件事： class type: def __call__(self, *args, **kwargs): # self=<class '__main__.Mymeta'> obj = self.__new__(self,*args,**kwargs) # 产生Mymeta的一个对象 self.__init__(obj,*args,**kwargs) return obj """
八、练习题
1，练习一：在元类中控制把自定义类的数据属性都变成大写
class Mymetaclass(type): def __new__(cls,name,bases,attrs): update_attrs={} for k,v in attrs.items(): if not callable(v) and not k.startswith('__'): update_attrs[k.upper()]=v else: update_attrs[k]=v return type.__new__(cls,name,bases,update_attrs) class Chinese(metaclass=Mymetaclass): country='China' tag='Legend of the Dragon' #龙的传人 def walk(self): print('%s is walking' %self.name) print(Chinese.__dict__) ''' {'__module__': '__main__', 'COUNTRY': 'China', 'TAG': 'Legend of the Dragon', 'walk': <function Chinese.walk at 0x0000000001E7B950>, '__dict__': <attribute '__dict__' of 'Chinese' objects>, '__weakref__': <attribute '__weakref__' of 'Chinese' objects>, '__doc__': None} '''
2，练习二：在元类中控制自定义的类无需__init__方法
1）元类帮其完成创建对象，以及初始化操作
2）要求实例化时传参必须为关键字形式，否则抛出异常TypeError: must use keyword argument
3）key作为用户自定义类产生对象的属性，且所有属性变成大写
class Mymetaclass(type): # def __new__(cls,name,bases,attrs): # update_attrs={} # for k,v in attrs.items(): # if not callable(v) and not k.startswith('__'): # update_attrs[k.upper()]=v # else: # update_attrs[k]=v # return type.__new__(cls,name,bases,update_attrs) def __call__(self, *args, **kwargs): if args: raise TypeError('must use keyword argument for key function') obj = object.__new__(self) #创建对象，self为类Foo for k,v in kwargs.items(): obj.__dict__[k.upper()]=v return obj class Chinese(metaclass=Mymetaclass): country='China' tag='Legend of the Dragon' #龙的传人 def walk(self): print('%s is walking' %self.name) p=Chinese(name='egon',age=18,sex='male') print(p.__dict__)
3，练习三：在元类中控制自定义的类产生的对象相关的属性全部为隐藏属性
class Mymeta(type): def __init__(self,class_name,class_bases,class_dic): #控制类Foo的创建 super(Mymeta,self).__init__(class_name,class_bases,class_dic) def __call__(self, *args, **kwargs): #控制Foo的调用过程，即Foo对象的产生过程 obj = self.__new__(self) self.__init__(obj, *args, **kwargs) obj.__dict__={'_%s__%s' %(self.__name__,k):v for k,v in obj.__dict__.items()} return obj class Foo(object,metaclass=Mymeta): # Foo=Mymeta(...) def __init__(self, name, age,sex): self.name=name self.age=age self.sex=sex obj=Foo('egon',18,'male') print(obj.__dict__)
4，练习四：基于元类实现单例模式
#步骤五：基于元类实现单例模式 # 单例：即单个实例，指的是同一个类实例化多次的结果指向同一个对象，用于节省内存空间 # 如果我们从配置文件中读取配置来进行实例化，在配置相同的情况下，就没必要重复产生对象浪费内存了 #settings.py文件内容如下 HOST='1.1.1.1' PORT=3306 #方式一:定义一个类方法实现单例模式 import settings class Mysql: __instance=None def __init__(self,host,port): self.host=host self.port=port @classmethod def singleton(cls): if not cls.__instance: cls.__instance=cls(settings.HOST,settings.PORT) return cls.__instance obj1=Mysql('1.1.1.2',3306) obj2=Mysql('1.1.1.3',3307) print(obj1 is obj2) #False obj3=Mysql.singleton() obj4=Mysql.singleton() print(obj3 is obj4) #True #方式二：定制元类实现单例模式 import settings class Mymeta(type): def __init__(self,name,bases,dic): #定义类Mysql时就触发 # 事先先从配置文件中取配置来造一个Mysql的实例出来 self.__instance = object.__new__(self) # 产生对象 self.__init__(self.__instance, settings.HOST, settings.PORT) # 初始化对象 # 上述两步可以合成下面一步 # self.__instance=super().__call__(*args,**kwargs) super().__init__(name,bases,dic) def __call__(self, *args, **kwargs): #Mysql(...)时触发 if args or kwargs: # args或kwargs内有值 obj=object.__new__(self) self.__init__(obj,*args,**kwargs) return obj return self.__instance class Mysql(metaclass=Mymeta): def __init__(self,host,port): self.host=host self.port=port obj1=Mysql() # 没有传值则默认从配置文件中读配置来实例化，所有的实例应该指向一个内存地址 obj2=Mysql() obj3=Mysql() print(obj1 is obj2 is obj3) obj4=Mysql('1.1.1.4',3307) #方式三:定义一个装饰器实现单例模式 import settings def singleton(cls): #cls=Mysql _instance=cls(settings.HOST,settings.PORT) def wrapper(*args,**kwargs): if args or kwargs: obj=cls(*args,**kwargs) return obj return _instance return wrapper @singleton # Mysql=singleton(Mysql) class Mysql: def __init__(self,host,port): self.host=host self.port=port obj1=Mysql() obj2=Mysql() obj3=Mysql() print(obj1 is obj2 is obj3) #True obj4=Mysql('1.1.1.3',3307) obj5=Mysql('1.1.1.4',3308) print(obj3 is obj4) #False