元类与面向切面编程

元类

在 Python中，实例对象是由类生成的，而类本身也是可以被传递和自省的对象。那么类对象是用什么创建和生成的呢？答案是元类，元类就是一种知道如何创建和管理类的对象。

让我们回顾一个内置函数type()，type不仅可以返回对象的类型，而且可以使用类名称、基类元组、类主体定义的字典作为参数来创建一个新类对象：

>>> Foo = type('Foo',(object,),{'foo':lambda self:'foo'})
>>> Foo
<class '__main__.Foo'>
>>> type(Foo)
<type 'type'>

实际上，新型类的默认元类就是type，类可以用__metaclass__类变量显示的指定元类，上述代码功能与下述相同：

class Foo():
    __metaclass__ = type

    def foo(self):
        return 'foo'

如果没有显式的指定元类，class语句会检查基类元组中的第一个基类的元类，比如新型类都是继承object类的，所以新型类与object类的元类相同，为type，继承object而不显式的指定元类：

class Foo(object):
    def foo(self):
        return 'foo'

如果没有指定基类，class语句会检查全局变量__metaclass__，如果没有找到__metaclass__值，Python会使用默认的元类。

在python 2中，默认的元类是types.ClassType，就是所谓的旧样式类。python2.2以后已不提倡使用，比如不指定元类并且不继承object基类：

class Foo():
    def foo(self):
        return 'foo'

>>> import types
>>> isinstance(Foo, types.ClassType)
True

python 3以后，默认的元类皆为type了，显式定义元类的时候需要在基类元组中提供metaclass关键字，class Foo(metaclass=type)如此定义。

 使用元类的时候，一般会自定义一个继承自type的子类，并重新实现__init__()与__new__()方法：

class ExampleType(type):
    def __new__(cls, name, bases, dct):
        print 'create class %s'%name
        return type.__new__(cls, name, bases, dct)

    def __init__(cls, name, bases, dct):
        print 'Init class %s'%name
        type.__init__(cls, name, bases, dct)

class Foo(object):
    __metaclass__ = ExampleType

>>> 
create class Foo
Init class Foo
>>> Foo
<class '__main__.Foo'>

可见，使用class语句定义类后，元类就使用传递给元类的类名称、基类元组和类方法字典创建类。

因为元类创建的实例是类对象，所以__init__方法的第一个参数按惯例写为cls，其实与self功能相同。

面向切面编程

在运行时，动态地将代码切入到类的指定方法、指定位置上的编程称为面向切面的编程(AOP)。

简单地说，如果不同的类要实现相同的功能，可以将其中相同的代码提取到一个切片中，等到需要时再切入到对象中去。这些相同的代码片段称为切面，而切入到哪些类、哪些方法则叫切入点。

比如，要为每个类方法记录日志，在python中一个可行的方法是使用装饰器：

def trace(func):
    def callfunc(self, *args, **kwargs):
        debug_log = open('debug_log.txt', 'a')
        debug_log.write('Calling %s: %s ,%s\n'%(func.__name__, args, kwargs))
        result = func(self, *args, **kwargs)
        debug_log.write('%s returned %s\n'%(func.__name__, result))
        debug_log.close()
        return result
    return callfunc

def logcls(cls):
    for k, v in cls.__dict__.items():
        if k.startswith('__'):
            continue
        if not callable(v):
            continue
        setattr(cls, k, trace(v))
    return cls

@logcls
class Foo(object):
    num = 0

    def spam(self):
        Foo.num += 1
        return Foo.num

另外一个可行的方法就是使用元类了：

def trace(func):
    def callfunc(self, *args, **kwargs):
        debug_log = open('debug_log.txt', 'a')
        debug_log.write('Calling %s: %s ,%s\n'%(func.__name__, args, kwargs))
        result = func(self, *args, **kwargs)
        debug_log.write('%s returned %s\n'%(func.__name__, result))
        debug_log.close()
        return result
    return callfunc


class LogMeta(type):
    def __new__(cls, name, bases, dct):
        for k, v in dct.items():
            if k.startswith('__'):
                continue
            if not callable(v):
                continue
            dct[k] = trace(v)
        return type.__new__(cls, name, bases, dct)


class Foo(object):
    __metaclass__ = LogMeta
    num = 0

    def spam(self):
        Foo.num += 1
        return Foo.num

元类的一个主要用途就是检查收集或者更改类定义的内容，包括类属性、类方法、描述符等等。

元类与基类

元类中除了可以定义__init__和__new__方法外，还可以定义其它的属性和方法：

class ExaMeta(type):
    name = 'ExaMeta'
    def get_cls_name(cls):
        print cls.__name__


class Foo(object):
    __metaclass__ = ExaMeta

那么，类可不可以访问元类定义的方法和属性呢？

>>> Foo.get_cls_name()
Foo
>>> Foo.name
'ExaMeta'

这很好理解，类Foo是元类的一个实例，在实例的__dict__中查找不到要查询的属性时，就会到实例所属的类字典中去查找，而元类正是定义类Foo的类。

可以再尝试下使用类Foo的实例去访问元类的属性或者方法：

>>> Foo().get_cls_name()
AttributeError: 'Foo' object has no attribute 'get_cls_name'
>>> Foo().name
AttributeError: 'Foo' object has no attribute 'name'

显然不能访问。

查找一个不与实例关联的属性时，即先在实例的类中查找，然后再在从所有的基类中查找，查找的顺序可以用__mro__属性查看：

>>> Foo.__mro__
(<class '__main__.Foo'>, <type 'object'>)

元类并不在其中，毕竟，类与元类不是继承关系，而是实例与类的创造关系。

元类属性的可用性是不会传递的，也就是说，元类的属性是对它的类实例是可用的，但是对它的类实例的实例是不可用的，这正是元类与基类的主要不同。

有时候，一个类会同时有元类和基类：

class M(type):
    name = 'M'

class B(object):
    name = 'B'

class A(B):
    __metaclass__ = M

属性访问是这样的：

>>> A.name
'B'
>>> A().name
'B'

可见类会先到继承的基类中去查找属性。

元类冲突

假如有两个不同元类的类，要生成一个继承这两个类的子类，会产生什么情况呢？

class MA(type):
    pass

class A(object):
    __metaclass__ = MA

class MB(type):
    pass

class B(object):
    __metaclass__ = MB

class C(A, B):
    pass

结果会报错，提示元类冲突：

TypeError: Error when calling the metaclass bases
    metaclass conflict: the metaclass of a derived class must be a (non-strict) subclass of the metaclasses of all its bases

我们需要手动构造新子类的元类，让新子类的元类继承自A和B的元类：

class MC(MA, MB):
    pass

class C(A, B):
    __metaclass__ = MC