【七】面向对象编程之元类
【一】元类介绍
- 什么是元类呢?
- 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
class StanfordTeacher(object):
school='Stanford'
def __init__(self,name,age):
self.name=name
self.age=age
def say(self):
print('%s says welcome to the Stanford to learn Python' %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t1是调用类
StanfordTeacher
得到的
- 比如对象t1是调用类
t1=StanfordTeacher('lili',18)
print(type(t1))
#查看对象t1的类是<class '__main__.StanfordTeacher'>
- 如果一切皆为对象
- 那么类
StanfordTeacher
本质也是一个对象
- 那么类
- 既然所有的对象都是调用类得到的
- 那么
StanfordTeacher
必然也是调用了一个类得到的,这个类称为元类
- 那么
于是我们可以推导出===>产生
StanfordTeacher
的过程一定发生了:
StanfordTeacher
=元类(...)
print(type(StanfordTeacher))
# 结果为<class 'type'>,证明是调用了type这个元类而产生的StanfordTeacher,即默认的元类为type
【二】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
StanfordTeacher = 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='StanfordTeacher'
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
【三】自定义元类控制类StanfordTeacher
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
# StanfordTeacher=Mymeta('StanfordTeacher',(object),{...})
class StanfordTeacher(object,metaclass=Mymeta):
school='Stanford'
def __init__(self,name,age):
self.name=name
self.age=age
def say(self):
print('%s says welcome to the Stanford to learn Python' %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
StanfordTeacher = Mymeta('StanfordTeacher',(object),{...})
- 调用
Mymeta
会先产生一个空对象StanfordTeacher
- 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
- 即
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) # <class '__main__.StanfordTeacher'>
# print(class_bases) # (<class 'object'>,)
# print(class_dic) # {'__module__': '__main__', '__qualname__': 'StanfordTeacher', 'school': 'Stanford', '__init__': <function StanfordTeacher.__init__ at 0x102b95ae8>, 'say': <function StanfordTeacher.say at 0x10621c6a8>}
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请修改为驼峰体' %class_name)
if '__doc__' not in class_dic or len(class_dic['__doc__'].strip(' \n')) == 0:
raise TypeError('类中必须有文档注释,并且文档注释不能为空')
# StanfordTeacher=Mymeta('StanfordTeacher',(object),{...})
class StanfordTeacher(object,metaclass=Mymeta):
"""
类StanfordTeacher的文档注释
"""
school='Stanford'
def __init__(self,name,age):
self.name=name
self.age=age
def say(self):
print('%s says welcome to the Stanford to learn Python' %self.name)
【四】自定义元类控制类StanfordTeacher
的调用
基于
__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obj的返回值就是__call__方法的返回值
res=obj(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
StanfordTeacher
也当做一个对象 - 那么在
StanfordTeacher
这个对象的类中也必然存在一个__call__
方法
- 调用一个对象,就是触发对象所在类中的
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):
print(self) # <class '__main__.StanfordTeacher'>
print(args) # ('lili', 18)
print(kwargs) #{}
return 123
class StanfordTeacher(object,metaclass=Mymeta):
school='Stanford'
def __init__(self,name,age):
self.name=name
self.age=age
def say(self):
print('%s says welcome to the Stanford to learn Python' %self.name)
# 调用StanfordTeacher就是在调用StanfordTeacher类中的__call__方法
# 然后将StanfordTeacher传给self,溢出的位置参数传给*,溢出的关键字参数传给**
# 调用StanfordTeacher的返回值就是调用__call__的返回值
t1=StanfordTeacher('lili',18)
print(t1) #123
- 默认地,调用
t1 = StanfordTeacher('lili',18)
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,
StanfordTeacher
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__.StanfordTeacher'>
#1、调用__new__产生一个空对象obj
obj=self.__new__(self) # 此处的self是类OldoyTeacher,必须传参,代表创建一个StanfordTeacher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 StanfordTeacher(object,metaclass=Mymeta):
school='Stanford'
def __init__(self,name,age):
self.name=name
self.age=age
def say(self):
print('%s says welcome to the Stanford to learn Python' %self.name)
t1=StanfordTeacher('lili',18)
print(t1.__dict__) #{'name': 'lili', 'age': 18}
- 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StanfordTeacher
的过程 - 比如将
StanfordTeacher
的对象的所有属性都变成私有的
- 我们可以在该基础上改写
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__.StanfordTeacher'>
#1、调用__new__产生一个空对象obj
obj=self.__new__(self) # 此处的self是类StanfordTeacher,必须传参,代表创建一个StanfordTeacher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 StanfordTeacher(object,metaclass=Mymeta):
school='Stanford'
def __init__(self,name,age):
self.name=name
self.age=age
def say(self):
print('%s says welcome to the Stanford to learn Python' %self.name)
t1=StanfordTeacher('lili',18)
print(t1.__dict__) #{'_StanfordTeacher__name': 'lili', '_StanfordTeacher__age': 18}
上例中涉及到查找属性的问题,比如
self.__new__
,请看下一小节
【五】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
StanfordTeacher
继承对象Foo
- 对象
Foo
继承对象Bar
- 对象
Bar
继承对象object
- 对象
- 如果把类当成对象去看,将下述继承应该说成是:
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__.StanfordTeacher'>
obj=self.__new__(self)
self.__init__(obj,*args,**kwargs)
return obj
class Bar(object):
n=333
class Foo(Bar):
n=222
class StanfordTeacher(Foo,metaclass=Mymeta):
n=111
school='Stanford'
def __init__(self,name,age):
self.name=name
self.age=age
def say(self):
print('%s says welcome to the Stanford to learn Python' %self.name)
print(StanfordTeacher.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StanfordTeacher->Foo->Bar->object->Mymeta->type
- 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:StanfordTeacher->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):
n=444
def __call__(self, *args, **kwargs): #self=<class '__main__.StanfordTeacher'>
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 StanfordTeacher(Foo,metaclass=Mymeta):
n=111
school='Stanford'
def __init__(self,name,age):
self.name=name
self.age=age
def say(self):
print('%s says welcome to the Stanford to learn Python' %self.name)
# def __new__(cls, *args, **kwargs):
# print('StanfordTeacher.__new__')
StanfordTeacher('lili',18) #触发StanfordTeacher的类中的__call__方法的执行,进而执行self.__new__开始查找
总结
Mymeta下的
__call__
里的self.__new__
在StanfordTeacher、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StanfordTeacher->Foo->Bar,而object.__new__则是直接跨过了他们三个
【补充】
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 StanfordTeacher(object,metaclass=Mymeta): #StanfordTeacher=Mymeta('StanfordTeacher',(object),{...})
n=111
school='Stanford'
def __init__(self,name,age):
self.name=name
self.age=age
def say(self):
print('%s says welcome to the Stanford to learn Python' %self.name)
print(type(Mymeta)) #<class 'type'>
# 产生类StanfordTeacher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
【作业】
1、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、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='lili',age=18,sex='male')
print(p.__dict__)
3、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('lili',18,'male')
print(obj.__dict__)
4、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
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