元类与单例模式

 

什么是元类#

一切源自于一句话：python中一切皆为对象。让我们先定义一个类，然后逐步分析

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te1是调用类Teacher得到的

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te1=Teather('shahuhu',35)
print(type(te1))    #查看对象的类是<class '__main__.Teather'>

如果一切皆为对象，那么类Teacher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Teacher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Teacher的过程一定发生了：Teacher=元类(...)

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print(type(Teacher)) # 结果为<class 'type'>，证明是调用了type这个元类而产生的Teacher，即默认的元类为type　

class关键字创建类的流程分析#

上文我们基于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Teacher=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='Teacher'

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

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1拿到类名    2拿到类的基类们   3执行类体代码   4调用元类得到类

理解第三部要补充exec的用法

自定义元类控制类Teacher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

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Teacher=Mymeta('Teacher',(object),{...})，调用Mymeta会先产生一个空对象Teacher，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

自定义元类控制类Teacher的调用#

__call__#

复制代码
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obj的返回值就是__call__方法的返回值
res=obj(1,2,3,x=1,y=2)
View Code
复制代码

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Teacher也当做一个对象，那么在Teacher这个对象的类中也必然存在一个__call__方法

默认地，调用te1=Teacher('shahuhu',35)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，Teacher类中的__call__方法也应该做这三件事

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，将下述继承应该说成是：对象OldboyTeacher继承对象Foo，对象Foo继承对象Bar，对象Bar继承对象object

复制代码
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
    n=444

    def __call__(self, *args, **kwargs): #self=<class '__main__.OldboyTeacher'>
        obj=self.__new__(self)
        self.__init__(obj,*args,**kwargs)
        return obj

class Bar(object):
    n=333

class Foo(Bar):
    n=222

class OldboyTeacher(Foo,metaclass=Mymeta):
    n=111

    school='oldboy'

    def __init__(self,name,age):
        self.name=name
        self.age=age

    def say(self):
        print('%s says welcome to the oldboy to learn Python' %self.name)


print(OldboyTeacher.n) #自下而上依次注释各个类中的n=xxx，然后重新运行程序，发现n的查找顺序为OldboyTeacher->Foo->Bar->object->Mymeta->type
View Code
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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

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查找顺序：
1、先对象层：OldoyTeacher->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

复制代码
class Mymeta(type): 
    n=444

    def __call__(self, *args, **kwargs): #self=<class '__main__.OldboyTeacher'>
        obj=self.__new__(self)
        print(self.__new__ is object.__new__) #True


class Bar(object):
    n=333

    # def __new__(cls, *args, **kwargs):
    #     print('Bar.__new__')

class Foo(Bar):
    n=222

    # def __new__(cls, *args, **kwargs):
    #     print('Foo.__new__')

class OldboyTeacher(Foo,metaclass=Mymeta):
    n=111

    school='oldboy'

    def __init__(self,name,age):
        self.name=name
        self.age=age

    def say(self):
        print('%s says welcome to the oldboy to learn Python' %self.name)


    # def __new__(cls, *args, **kwargs):
    #     print('OldboyTeacher.__new__')


OldboyTeacher('egon',18) #触发OldboyTeacher的类中的__call__方法的执行，进而执行self.__new__开始查找
View Code
复制代码

总结，Mymeta下的__call__里的self.__new__在OldboyTeacher、Foo、Bar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、也根本没必要再去找元类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OldboyTeacher->Foo->Bar,而object.__new__则是直接跨过了他们三个

最后说明一点

复制代码
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
    n=444

    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__
        return 123

    def __init__(self,class_name,class_bases,class_dic):
        print('run。。。')


class OldboyTeacher(object,metaclass=Mymeta): #OldboyTeacher=Mymeta('OldboyTeacher',(object),{...})
    n=111

    school='oldboy'

    def __init__(self,name,age):
        self.name=name
        self.age=age

    def say(self):
        print('%s says welcome to the oldboy to learn Python' %self.name)


print(type(Mymeta)) #<class 'type'>
# 产生类OldboyTeacher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
View Code
复制代码

基于元类实现单例模式#

　　

　　

　　

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#实现方式三，元类的方式
class Mymeta(type):
    def __init__(self,class_name,class_bases,class_dic):
        if not class_name.istitle():
            raise TypeError('类名的首字母必须大写')
        if '__doc__' not in class_dic or not class_dic['__doc__'].strip():
            raise TypeError('必须有注释，且注释不能为空')
        super(Mymeta,self).__init__(class_name,class_bases,class_dic)
        self.__instance =None
    def __call__(self, *args, **kwargs):
        if not self.__instance:
            obj = object.__new__(self)
            self.__init__(obj)
            self.__instance = obj
        return self.__instance
  
class Mysql(object,metaclass=Mymeta):
    '''必须有注释'''
    def __init__(self):
        self.host = '127.0.0.1'
        self.port = 3306
    def conn(self):
        pass
    def execute(self):
        pass
  
obj1 =Mysql()
obj2 =Mysql()
obj3 =Mysql()
print(obj1 is obj2 is obj3)
# True

　　

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# 单例模式实现方式四:利用模块导入的知识，模块第一次导才会造名称空间，才会执行模块体代码
 
#singleton.py
import settings
 
class MySQL:
    print("run......")
    def __init__(self,ip,port):
        self.ip=ip
        self.port=port
 
instance=MySQL(settings.IP,settings.PORT)
 
#单例模式.py
def f1():
    from singleton import instance
    print(instance)
 
def f2():
    from singleton import instance,My
    SQL
    print(instance)
    obj=MySQL('1.1.1.3',3302)
    print(obj)
 
f1()
f2()
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#最简单的方法：
 
class singleton(object):
     pass
singleton=singleton()
 
# 将名字singleton绑定到实例上，singleton就是它自己类的唯一对象了。

应用场景#

单例优缺点#

单例模式注意事项#

练习#

在元类中控制把自定义类的数据属性都变成大写#

复制代码
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}
'''
View Code
复制代码

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

复制代码
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__)
View Code
复制代码

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#

复制代码
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__)
View Code
复制代码

 

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