元类(metaclass)
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一、引言
- 元类属于python面向对象编程的深层魔法，99%的人都不得要领，一些自以为搞明白元类的人其实也只是自圆其说、点到为止，从对元类的控制上来看就破绽百出、逻辑混乱，今天我就来带大家来深度了解python元类的来龙去脉。
- 笔者深入浅出的背后是对技术一日复一日的执念，希望可以大家可以尊重原创，为大家能因此文而解开对元类所有的疑惑而感到开心！！！
二、什么是元类
- 在python中一切皆对象，那么我们用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，即元类可以简称为类的类
class Foo: # Foo=元类()
pass
三、为什么用元类
- 元类是负责产生类的，所以我们学习元类或者自定义元类的目的：是为了控制类的产生过程，还可以控制对象的产生过程
四、内置函数exec(储备)
cmd = """
x=1
print('exec函数运行了')
def func(self):
pass
"""
class_dic = {}
# 执行cmd中的代码，然后把产生的名字丢入class_dic字典中
exec(cmd, {}, class_dic)
exec函数运行了
print(class_dic)
{'x': 1, 'func': <function func at 0x10a0bc048>}
五、class创建类
- 如果说类也是对象，那么用class关键字的去创建类的过程也是一个实例化的过程，该实例化的目的是为了得到一个类，调用的是元类
- 用class关键字创建一个类，用的默认的元类type，因此以前说不要用type作为类别判断
class People: # People=type(...)
country = 'China'
def __init__(self, name, age):
self.name = name
self.age = age
def eat(self):
print('%s is eating' % self.name)
print(type(People))
<class 'type'>
5.1 type实现
- 创建类的3个要素：类名，基类，类的名称空间
- People = type(类名，基类，类的名称空间)
class_name = 'People' # 类名
class_bases = (object, ) # 基类
# 类的名称空间
class_dic = {}
class_body = """
country='China'
def __init__(self,name,age):
self.name=name
self.age=age
def eat(self):
print('%s is eating' %self.name)
"""
exec(
class_body,
{},
class_dic,
)
print(class_name)
People
print(class_bases)
(<class 'object'>,)
print(class_dic) # 类的名称空间
{'country': 'China', '__init__': <function __init__ at 0x10a0bc048>, 'eat': <function eat at 0x10a0bcd08>}
- People = type(类名，基类，类的名称空间)
People1 = type(class_name, class_bases, class_dic)
print(People1)
<class '__main__.People'>
obj1 = People1(1, 2)
obj1.eat()
1 is eating
- class创建的类的调用
print(People)
<class '__main__.People'>
obj = People1(1, 2)
obj.eat()
1 is eating
六、自定义元类控制类的创建
- 使用自定义的元类
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
def __init__(self, class_name, class_bases, class_dic):
print('self:', self) # 现在是People
print('class_name:', class_name)
print('class_bases:', class_bases)
print('class_dic:', class_dic)
super(Mymeta, self).__init__(class_name, class_bases,
class_dic) # 重用父类type的功能
-
分析用class自定义类的运行原理（而非元类的的运行原理）：
- 拿到一个字符串格式的类名class_name='People'
- 拿到一个类的基类们class_bases=(obejct,)
- 执行类体代码，拿到一个类的名称空间class_dic=
- 调用People=type(class_name,class_bases,class_dic)
class People(object, metaclass=Mymeta): # People=Mymeta(类名,基类们,类的名称空间)
country = 'China'
def __init__(self, name, age):
self.name = name
self.age = age
def eat(self):
print('%s is eating' % self.name)
self: <class '__main__.People'>
class_name: People
class_bases: (<class 'object'>,)
class_dic: {'__module__': '__main__', '__qualname__': 'People', 'country': 'China', '__init__': <function People.__init__ at 0x10a0bcbf8>, 'eat': <function People.eat at 0x10a0bc2f0>}
6.1 应用
- 自定义元类控制类的产生过程，类的产生过程其实就是元类的调用过程
- 我们可以控制类必须有文档，可以使用如下的方式实现
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):
if class_dic.get('__doc__') is None or len(
class_dic.get('__doc__').strip()) == 0:
raise TypeError('类中必须有文档注释，并且文档注释不能为空')
if not class_name.istitle():
raise TypeError('类名首字母必须大写')
super(Mymeta, self).__init__(class_name, class_bases,
class_dic) # 重用父类的功能
try:
class People(object, metaclass=Mymeta
): #People = Mymeta('People',(object,),{....})
# """这是People类"""
country = 'China'
def __init__(self, name, age):
self.name = name
self.age = age
def eat(self):
print('%s is eating' % self.name)
except Exception as e:
print(e)
类中必须有文档注释，并且文档注释不能为空
七、__call__(储备)
- 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
class Foo:
def __call__(self, *args, **kwargs):
print(args)
print(kwargs)
print('__call__实现了，实例化对象可以加括号调用了')
obj = Foo()
obj('nick', age=18)
('nick',)
{'age': 18}
__call__实现了，实例化对象可以加括号调用了
八、__new__(储备)
我们之前说类实例化第一个调用的是__init__，但__init__其实不是实例化一个类的时候第一个被调用 的方法。当使用 Persion(name, age) 这样的表达式来实例化一个类时，最先被调用的方法 其实是 __new__ 方法。
__new__方法接受的参数虽然也是和__init__一样，但__init__是在类实例创建之后调用，而 __new__方法正是创建这个类实例的方法。
注意：new() 函数只能用于从object继承的新式类。
class A:
pass
class B(A):
def __new__(cls):
print("__new__方法被执行")
return cls.__new__(cls)
def __init__(self):
print("__init__方法被执行")
b = B()
九、自定义元类控制类的实例化
class Mymeta(type):
def __call__(self, *args, **kwargs):
print(self) # self是People
print(args) # args = ('nick',)
print(kwargs) # kwargs = {'age':18}
# return 123
# 1. 先造出一个People的空对象，申请内存空间
# __new__方法接受的参数虽然也是和__init__一样，但__init__是在类实例创建之后调用，而 __new__方法正是创建这个类实例的方法。
obj = self.__new__(self) # 虽然和下面同样是People，但是People没有，找到的__new__是父类的
# 2. 为该对空对象初始化独有的属性
self.__init__(obj, *args, **kwargs)
# 3. 返回一个初始化好的对象
return obj
- People = Mymeta()，People()则会触发__call__
class People(object, metaclass=Mymeta):
country = 'China'
def __init__(self, name, age):
self.name = name
self.age = age
def eat(self):
print('%s is eating' % self.name)
# 在调用Mymeta的__call__的时候，首先会找自己（如下函数）的，自己的没有才会找父类的
# def __new__(cls, *args, **kwargs):
# # print(cls) # cls是People
# # cls.__new__(cls) # 错误，无限死循环，自己找自己的，会无限递归
# obj = super(People, cls).__new__(cls) # 使用父类的，则是去父类中找__new__
# return obj
-
类的调用，即类实例化就是元类的调用过程，可以通过元类Mymeta的__call__方法控制
-
分析：调用Pepole的目的
- 先造出一个People的空对象
- 为该对空对象初始化独有的属性
- 返回一个初始化好的对象
obj = People('nick', age=18)
<class '__main__.People'>
('nick',)
{'age': 18}
print(obj.__dict__)
{'name': 'nick', 'age': 18}
一十、自定义元类后类的继承顺序
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
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
111
print(OldboyTeacher.n)
111
-
查找顺序：
- 先对象层：OldoyTeacher->Foo->Bar->object
- 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__.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('nick',
18) # 触发OldboyTeacher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__
十一、练习
需求：使用元类修改属性为隐藏属性
class Mymeta(type):
def __init__(self, class_name, class_bases, class_dic):
# 加上逻辑，控制类Foo的创建
super(Mymeta, self).__init__(class_name, class_bases, class_dic)
def __call__(self, *args, **kwargs):
# 加上逻辑，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)
# 修改属性为隐藏属性
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('nick', 18, 'male')
print(obj.__dict__)
{'_Foo__name': 'egon', '_Foo__age': 18, '_Foo__sex': 'male'}
