Python 元类

印象中，是在创建单例模式时知道可以用到元类（metaclass），但始终对其了解的不是很透彻，很多人也都说元类是Python中较难理解的概念之一，于是找来几本书，希望可以找到答案，本文以Python3为例。

本文参考：

《人人都懂设计模式》

《Python Cookbook》

《 流畅的Python》

先来简单介绍下：元类（metaclass）是一个类，你也可以理解为类的类，因为Python中的类是在运行时动态创建的，那么通过元类便可以控制类属性和类实例的创建过程。

来看看用元类实现的单例模式：

class Singleton(type):
    """
    单例模式
    """
    def __init__(cls, *args, **kwargs):
        cls.__instance = None
        super().__init__(*args, **kwargs)

    def __call__(cls, *args, **kwargs):
        if cls.__instance is None:
            cls.__instance = super().__call__(*args, **kwargs)
        return cls.__instance


class Test(metaclass=Singleton):

    def __init__(self):
        pass


a = Test()
b = Test()
print(id(a))
print(id(b))

具体的实现是：创建类时显式的指定类的metaclass，而自定义的metaclass继承type，并重新实现__call__方法。

于是，有了两个问题：

• 为什么自定义的metaclass继承type？

因为，在Python中，type是默认的metaclass（内建元类），Python允许我们自定义metaclass，自定义的metaclass必须继承自type，也就是：元类从type类继承了构建类的能力。

我们通常用type来获取对象所属的类，就像这样：

In [10]: a = 10

In [11]: type(a)
Out[11]: int

然而，type还是一个类，你可以通过type来新建一个类，看type的源码，通过type(name, bases, dict)便可以生成一个新的类：

In [44]: test_class = type('Test', (), dict({'name': None}))

In [45]: a = test_class()

In [46]: a.name = 'Tony'

In [47]: a.name
Out[47]: 'Tony'

默认情况下，Python中类都是type类的实例:

In [12]: class A:
    ...:     pass
    ...:

In [13]: A.__class__
Out[13]: type

In [14]: int.__class__
Out[14]: type

当你使用class关键字时，Python在幕后做的事情，就是通过元类来实现的。

• 为什么重新定义__call__方法？

提出该问题是因为，与Python类创建相关的方法是：

__new__：类方法，负责对象的创建，在定义类时需要返回一个实例，在我们通过类名进行实例化对象时自动调用。
__init__：初始化函数，负责对new实例化的对象进行初始化，负责对象状态的更新和属性的设置，在每一次实例化对象之后调用。

而我们常用__call__方法只是为了声明这个类的对象是可调用的（callable）。

但是，在metaclass中__call__方法还负责对象的创建，这就是为什么要重新定义的原因了。

重定义了__call__方法之后，一个对象的创建过程大概如下图：

我们验证一下：

class TestMetaClass(type):

    def __init__(cls, what, bases=None, dict=None):
        print("metaclass init")
        super().__init__(what, bases, dict)

    def __call__(cls, *args, **kwargs):
        print("metaclass call")
        self = super(TestMetaClass, cls).__call__(*args, **kwargs)
        return self


class TestClass(metaclass=TestMetaClass):

    def __init__(self, *args, **kwargs):
        print("class init")
        super().__init__()

    def __new__(cls, *args, **kwargs):
        print("class new")
        self = super().__new__(cls)
        return self

a = TestClass()

返回：

metaclass init
metaclass call
class new
class init

可以看到，__call__方法在类执行__new__和__init__之前执行，这样就可以解释：

在Singleton中的__call__方法对类属性__instance进行判断：

1. 如果__instance为None，表明类还未进行实例化，那么给__instance赋值为元类的父类（type）的__call__方法。
2. 如果__instance不为None，说明类已经进行过实例化，直接返回cls.__instance中的类实例。

便实现了单例模式。

除了重新定义__call__以外，元类可以通过实现__init__方法来定制实例，元类的__init__方法可以做到类装饰器能做到的任务事情，并且作用更大。

如果想要进一步定制类，可以在元类中实现__new__方法。

另，编写元类时，通常会把self参数改为cls，这样能更清楚的表明要构建的实例是类。

元类的调用

上述例子中，都是通过metaclass=''来设置类的元类，还可以这样：

class TestClass():
    __metaclass__ = TestMetaClass

    def __init__(self, *args, **kwargs):
        print("class init")
        super().__init__()

在执行类定义时，解释器会先寻找这个类属性中的__metaclass__，如果此属性存在，就将这个属性赋值给此类作为它的元类，如果此属性没有定义的话，就会向上查找父类的__metaclass__，如果没有发现任何的父类，并且解释器中也没有名字为__metaclass__的全局变量，这个类就是传统类，会使用type.ClassType作为此类的元类。

以上。