[python] 理解metaclass并实现一个简单ORM框架
metaclass
除了使用type()
动态创建类以外,要控制类的创建行为,还可以使用metaclass。
metaclass,直译为元类,简单的解释就是:
当我们定义了类以后,就可以根据这个类创建出实例,所以:先定义类,然后创建实例。
但是如果我们想创建出类呢?那就必须根据metaclass创建出类,所以:先定义metaclass,然后创建类。
连接起来就是:先定义metaclass,就可以创建类,最后创建实例。
所以,metaclass允许你创建类或者修改类。换句话说,你可以把类看成是metaclass创建出来的“实例”。
metaclass是Python面向对象里最难理解,也是最难使用的魔术代码。正常情况下,你不会碰到需要使用metaclass的情况,所以,以下内容看不懂也没关系,因为基本上你不会用到。
我们先看一个简单的例子,这个metaclass可以给我们自定义的MyList增加一个add
方法:
定义ListMetaclass
,按照默认习惯,metaclass的类名总是以Metaclass结尾,以便清楚地表示这是一个metaclass:
# metaclass是类的模板,所以必须从`type`类型派生: class ListMetaclass(type): def __new__(cls, name, bases, attrs): attrs['add'] = lambda self, value: self.append(value) return type.__new__(cls, name, bases, attrs)
有了ListMetaclass,我们在定义类的时候还要指示使用ListMetaclass来定制类,传入关键字参数metaclass
:
class MyList(list, metaclass=ListMetaclass): pass
当我们传入关键字参数metaclass
时,魔术就生效了,它指示Python解释器在创建MyList
时,要通过ListMetaclass.__new__()
来创建,在此,我们可以修改类的定义,比如,加上新的方法,然后,返回修改后的定义。
__new__()
方法接收到的参数依次是:
-
当前准备创建的类的对象;
-
类的名字;
-
类继承的父类集合;
-
类的方法集合。
测试一下MyList
是否可以调用add()
方法:
>>> L = MyList() >>> L.add(1) >> L [1]
而普通的list
没有add()
方法:
>>> L2 = list() >>> L2.add(1) Traceback (most recent call last): File "<stdin>", line 1, in <module> AttributeError: 'list' object has no attribute 'add'
动态修改有什么意义?直接在MyList
定义中写上add()
方法不是更简单吗?正常情况下,确实应该直接写,通过metaclass修改纯属变态。
但是,总会遇到需要通过metaclass修改类定义的。ORM就是一个典型的例子。
ORM全称“Object Relational Mapping”,即对象-关系映射,就是把关系数据库的一行映射为一个对象,也就是一个类对应一个表,这样,写代码更简单,不用直接操作SQL语句。
要编写一个ORM框架,所有的类都只能动态定义,因为只有使用者才能根据表的结构定义出对应的类来。
让我们来尝试编写一个ORM框架。
编写底层模块的第一步,就是先把调用接口写出来。比如,使用者如果使用这个ORM框架,想定义一个User
类来操作对应的数据库表User
,我们期待他写出这样的代码:
class User(Model): # 定义类的属性到列的映射: id = IntegerField('id') name = StringField('username') email = StringField('email') password = StringField('password') # 创建一个实例: u = User(id=12345, name='Michael', email='test@orm.org', password='my-pwd') # 保存到数据库: u.save()
其中,父类Model
和属性类型StringField
、IntegerField
是由ORM框架提供的,剩下的魔术方法比如save()
全部由metaclass自动完成。虽然metaclass的编写会比较复杂,但ORM的使用者用起来却异常简单。
现在,我们就按上面的接口来实现该ORM。
首先来定义Field
类,它负责保存数据库表的字段名和字段类型:
class Field(object): def __init__(self, name, column_type): self.name = name self.column_type = column_type def __str__(self): return '<%s:%s>' % (self.__class__.__name__, self.name)
在Field
的基础上,进一步定义各种类型的Field
,比如StringField
,IntegerField
等等:
class StringField(Field): def __init__(self, name): super(StringField, self).__init__(name, 'varchar(100)') class IntegerField(Field): def __init__(self, name): super(IntegerField, self).__init__(name, 'bigint')
下一步,就是编写最复杂的ModelMetaclass
了:
class ModelMetaclass(type): def __new__(cls, name, bases, attrs): if name=='Model': return type.__new__(cls, name, bases, attrs) print('Found model: %s' % name) mappings = dict() for k, v in attrs.items(): if isinstance(v, Field): print('Found mapping: %s ==> %s' % (k, v)) mappings[k] = v for k in mappings.keys(): attrs.pop(k) attrs['__mappings__'] = mappings # 保存属性和列的映射关系 attrs['__table__'] = name # 假设表名和类名一致 return type.__new__(cls, name, bases, attrs)
以及基类Model
:
class Model(dict, metaclass=ModelMetaclass): def __init__(self, **kw): super(Model, self).__init__(**kw) def __getattr__(self, key): try: return self[key] except KeyError: raise AttributeError(r"'Model' object has no attribute '%s'" % key) def __setattr__(self, key, value): self[key] = value def save(self): fields = [] params = [] args = [] for k, v in self.__mappings__.items(): fields.append(v.name) params.append('?') args.append(getattr(self, k, None)) sql = 'insert into %s (%s) values (%s)' % (self.__table__, ','.join(fields), ','.join(params)) print('SQL: %s' % sql) print('ARGS: %s' % str(args))
当用户定义一个class User(Model)
时,Python解释器首先在当前类User
的定义中查找metaclass
,如果没有找到,就继续在父类Model
中查找metaclass
,找到了,就使用Model
中定义的metaclass
的ModelMetaclass
来创建User
类,也就是说,metaclass可以隐式地继承到子类,但子类自己却感觉不到。
在ModelMetaclass
中,一共做了几件事情:
-
排除掉对
Model
类的修改; -
在当前类(比如
User
)中查找定义的类的所有属性,如果找到一个Field属性,就把它保存到一个__mappings__
的dict中,同时从类属性中删除该Field属性,否则,容易造成运行时错误(实例的属性会遮盖类的同名属性); -
把表名保存到
__table__
中,这里简化为表名默认为类名。
在Model
类中,就可以定义各种操作数据库的方法,比如save()
,delete()
,find()
,update
等等。
我们实现了save()
方法,把一个实例保存到数据库中。因为有表名,属性到字段的映射和属性值的集合,就可以构造出INSERT
语句。
编写代码试试:
u = User(id=12345, name='Michael', email='test@orm.org', password='my-pwd') u.save()
输出如下:
Found model: User Found mapping: email ==> <StringField:email> Found mapping: password ==> <StringField:password> Found mapping: id ==> <IntegerField:uid> Found mapping: name ==> <StringField:username> SQL: insert into User (password,email,username,id) values (?,?,?,?) ARGS: ['my-pwd', 'test@orm.org', 'Michael', 12345]
可以看到,save()
方法已经打印出了可执行的SQL语句,以及参数列表,只需要真正连接到数据库,执行该SQL语句,就可以完成真正的功能。
不到100行代码,我们就通过metaclass实现了一个精简的ORM框架。
搬自廖大神的官网,文章在哪里都有,关键是自己融会贯通。