python元类

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一 前言

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

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 OldboyTeacher(object):
    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)

 

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OldboyTeacher得到的

t1=OldboyTeacher('egon',18)
print(type(t1)) #查看对象t1的类是<class '__main__.OldboyTeacher'>

 

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

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

 

三 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OldboyTeacher=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='OldboyTeacher'

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

补充：exec的用法

#exec：三个参数

#参数一：包含一系列python代码的字符串

#参数二：全局作用域（字典形式），如果不指定，默认为globals()

#参数三：局部作用域（字典形式），如果不指定，默认为locals()

#可以把exec命令的执行当成是一个函数的执行，会将执行期间产生的名字存放于局部名称空间中
g={
    'x':1,
    'y':2
}
l={}

exec('''
global x,z
x=100
z=200

m=300
''',g,l)

print(g) #{'x': 100, 'y': 2,'z':200,......}
print(l) #{'m': 300}

五 自定义元类控制类OldboyTeacher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

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

 

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

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__.OldboyTeacher'>
        # print(class_bases) #(<class 'object'>,)
        # print(class_dic) #{'__module__': '__main__', '__qualname__': 'OldboyTeacher', 'school': 'oldboy', '__init__': <function OldboyTeacher.__init__ at 0x102b95ae8>, 'say': <function OldboyTeacher.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')

class OldboyTeacher(object,metaclass=Mymeta): # OldboyTeacher=Mymeta('OldboyTeacher',(object),{...})
    """
    类OldboyTeacher的文档注释
    """
    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)

六 自定义元类控制类OldboyTeacher的调用

储备知识：__call__

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

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__.OldboyTeacher'>
        print(args) #('egon', 18)
        print(kwargs) #{}
        return 123

class OldboyTeacher(object,metaclass=Mymeta):
    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)



# 调用OldboyTeacher就是在调用OldboyTeacher类中的__call__方法
# 然后将OldboyTeacher传给self,溢出的位置参数传给*，溢出的关键字参数传给**
# 调用OldboyTeacher的返回值就是调用__call__的返回值
t1=OldboyTeacher('egon',18)
print(t1) #123

 

默认地，调用t1=OldboyTeacher('egon',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，OldboyTeacher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__.OldboyTeacher'>
        #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OldboyTeacher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 OldboyTeacher(object,metaclass=Mymeta):
    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)

t1=OldboyTeacher('egon',18)
print(t1.__dict__) #{'name': 'egon', '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OldboyTeacher的过程，比如将OldboyTeacher的对象的所有属性都变成私有的

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): #self=<class '__main__.OldboyTeacher'>
        #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OldboyTeacher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 OldboyTeacher(object,metaclass=Mymeta):
    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)

t1=OldboyTeacher('egon',18)
print(t1.__dict__) #{'_OldboyTeacher__name': 'egon', '_OldboyTeacher__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

六 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

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

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：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

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 

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

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