python 之 面向对象进阶（元类）

元类是什么

元类是类的类，是类的模板

元类是用来控制如何创建类的，正如类是创建对象的模板一样，而元类的主要目的是为了控制类的创建行为

元类的实例化的结果为我们用class定义的类，正如类的实例为对象(f1对象是Foo类的一个实例，Foo类是 type 类的一个实例)

type是python的一个内建元类，用来直接控制生成类，python中任何class定义的类其实都是type类实例化的对象

理解一下exec的功能和用法

exec是python内置函数，和eval的功能一样，但是比exal要强大，在python之内置函数中，已经初步了解果它的功能

exec：共需要三个参数

参数一：字符串形式的命令

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()

exec的使用

#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}

一切皆对象，对象到底是什么

Python中，一切皆是对象，这个概念很模糊啊，既然一切皆对象，这个对象到底是什么样的呢？

一切皆对象，对象可以怎么用？
1、都可以被引用，x=obj
2、都可以当作函数的参数传入
3、都可以当作函数的返回值
4、都可以当作容器类的元素，l=[func,time,obj,1] 各种类型都可以放进来

反过来讲，但凡符合4项，就是对象

既然如此，那么我们在创建一个类的时候，当使用关键字class的时候，python解释器在加载class的时候就会创建一个对象(这里的对象指的是类而非类的实例)，因而我们可以将类当作一个对象去使用，同样满足第一类对象的概念，可以：

把类赋值给一个变量

把类作为函数参数进行传递

把类作为函数的返回值

在运行时动态地创建类

类也是一个对象，对象就是类实例化得来的，那么类肯定也是实例化一个什么得来的，该篇开头已经讲过了，这个是type

类都是由type生产的

产生类的类叫元类，默认所有用class定义的类，他们的元类是type

创建类的两种方式

一、直接用class关键字创建

class Chinese(object):
    country='China'
    def __init__(self,name,age):
        self.name=name
        self.age=age
    def talk(self):
        print('%s is talking' %self.name)

二、就是手动模拟class创建类的过程）：将创建类的步骤拆分开，使用type手动去创建

先找出造出一个class类需要哪些要素

定义类的三要素:类名，类的基类们，类的名称空间

#准备工作：

#创建类主要分为三部分
类名
类的父类
类体


#类名
class_name='Chinese'
#类的父类
class_bases=(object,)
#类体
class_body="""
country='China'
def __init__(self,name,age):
    self.name=name
    self.age=age
def talk(self):
    print('%s is talking' %self.name)
"""

使用exec函数处理类体，得到类的局部空间

class_dic={}
exec(class_body,globals(),class_dic)


print(class_dic)
#{'country': 'China', 'talk': <function talk at 0x101a560c8>, '__init__': <function __init__ at 0x101a56668>}

现在，我们已经有了类名（Chinese），类的基类们（object），类的名称空间（class_dic），可以使用type得到类

Chinese1 = type(class_name, class_bases, class_dic)
print(Chinese1)

# 实例化
obj1 = Chinese1('egon', 18)
print(obj1, obj1.name, obj1.age)

自定义元类控制类的行为

＝＝》 类 是由 type 类实例化产生

那么问题来了，类默认是由 type 类实例化产生，type类中如何实现的创建类？类又是如何创建对象？

答：类中有一个属性 __metaclass__，其用来表示该类由 谁 来实例化创建，所以，我们可以为 __metaclass__ 设置一个type类的派生类，从而查看 类 创建的过程。

class MyType(type):

    def __init__(self, what, bases=None, dict=None):
        super(MyType, self).__init__(what, bases, dict)

    def __call__(self, *args, **kwargs):
        obj = self.__new__(self, *args, **kwargs)

        self.__init__(obj)

class Foo(object):   __metaclass__ = MyType   # 等于class Foo(object,metaclass = M)


    def __init__(self, name):
        self.name = name

    def __new__(cls, *args, **kwargs):
        return object.__new__(cls, *args, **kwargs)

# 第一阶段：解释器从上到下执行代码创建Foo类
# 第二阶段：通过Foo类创建obj对象
obj = Foo()

Egon 5步带你学会元类-----源代码

__new__详解

两句话掌握python最难知识点--元类

name='alex'
age=18
sex='female'



# egon@5565487

#知识储备：
    #产生的新对象 = object.__new__(继承object类的子类)

"""
__new__()是在新式类中新出现的方法，它作用在构造方法建造实例之前，可以这么理解，
在Python 中 存在于类里面的构造方法__init__()负责将类的实例化，
而在__init__()启动之前，__new__()决定是否 要使用该__init__()方法，
因为__new__()可以调用其他类的构造方法或者直接返回别的对象来作为本类 的实例。

"""



#步骤一：如果说People=type(类名,类的父类们,类的名称空间)，那么我们定义元类如下，来控制类的创建行为

class Mymeta(type):  # 继承默认元类的一堆属性
    def __init__(self, class_name, class_bases, class_dic):
        if '__doc__' not in class_dic or not class_dic.get('__doc__').strip():
            raise TypeError('必须为类指定文档注释')

        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)


class People(object, metaclass=Mymeta):
    country = 'China'

    def __init__(self, name, age):
        self.name = name
        self.age = age

    def talk(self):
        print('%s is talking' % self.name)








#步骤二：如果我们想控制类实例化的行为，那么需要先储备知识__call__方法的使用
#调用对象会自动触发__call__



class People(object,metaclass=type):
    def __init__(self,name,age):
        self.name=name
        self.age=age

    def __call__(self, *args, **kwargs):
        print(self,args,kwargs)


# 调用类People，并不会出发__call__
obj=People('egon',18)

# 调用对象obj(1,2,3,a=1,b=2,c=3)，才会出发对象的绑定方法obj.__call__(1,2,3,a=1,b=2,c=3)
obj(1,2,3,a=1,b=2,c=3) #打印：<__main__.People object at 0x10076dd30> (1, 2, 3) {'a': 1, 'b': 2, 'c': 3}

#总结：如果说类People是元类type的实例，那么在元类type内肯定也有一个__call__，会在调用People('egon',18)时触发执行，然后返回一个初始化好了的对象obj



#步骤三：自定义元类，控制类的调用（即实例化）的过程
class Mymeta(type): #继承默认元类的一堆属性
    def __init__(self,class_name,class_bases,class_dic):
        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)

    def __call__(self, *args, **kwargs):
        #self=People
        print(self,args,kwargs) #<class '__main__.People'> ('egon', 18) {}

        #1、实例化People，产生空对象obj
        obj=object.__new__(self)


        #2、调用People下的函数__init__，初始化obj
        self.__init__(obj,*args,**kwargs)


        #3、返回初始化好了的obj
        return obj

class People(object,metaclass=Mymeta):
    country='China'

    def __init__(self,name,age):
        self.name=name
        self.age=age

    def talk(self):
        print('%s is talking' %self.name)



obj=People('egon',18)
print(obj.__dict__) #{'name': 'egon', 'age': 18}







#步骤四：
class Mymeta(type): #继承默认元类的一堆属性
    def __init__(self,class_name,class_bases,class_dic):
        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)

    def __call__(self, *args, **kwargs):
        #self=People
        print(self,args,kwargs) #<class '__main__.People'> ('egon', 18) {}

        #1、调用self，即People下的函数__new__，在该函数内完成：1、产生空对象obj 2、初始化 3、返回obj
        obj=self.__new__(self,*args,**kwargs)

        #2、一定记得返回obj，因为实例化People(...)取得就是__call__的返回值
        return obj

class People(object,metaclass=Mymeta):
    country='China'

    def __init__(self,name,age):
        self.name=name
        self.age=age

    def talk(self):
        print('%s is talking' %self.name)


    def __new__(cls, *args, **kwargs):
        obj=object.__new__(cls)
        cls.__init__(obj,*args,**kwargs)
        return obj


obj=People('egon',18)
print(obj.__dict__) #{'name': 'egon', 'age': 18}






#步骤五：基于元类实现单例模式
# 单例：即单个实例，指的是同一个类实例化多次的结果指向同一个对象，用于节省内存空间
# 如果我们从配置文件中读取配置来进行实例化，在配置相同的情况下，就没必要重复产生对象浪费内存了
#settings.py文件内容如下
HOST='1.1.1.1'
PORT=3306

#方式一:定义一个类方法实现单例模式
import settings

class Mysql:
    __instance=None
    def __init__(self,host,port):
        self.host=host
        self.port=port

    @classmethod
    def singleton(cls):
        if not cls.__instance:
            cls.__instance=cls(settings.HOST,settings.PORT)
        return cls.__instance


obj1=Mysql('1.1.1.2',3306)
obj2=Mysql('1.1.1.3',3307)
print(obj1 is obj2) #False

obj3=Mysql.singleton()
obj4=Mysql.singleton()
print(obj3 is obj4) #True



#方式二：定制元类实现单例模式
import settings

class Mymeta(type):
    def __init__(self,name,bases,dic): #定义类Mysql时就触发

        # 事先先从配置文件中取配置来造一个Mysql的实例出来
        self.__instance = object.__new__(self)  # 产生对象
        self.__init__(self.__instance, settings.HOST, settings.PORT)  # 初始化对象
        # 上述两步可以合成下面一步
        # self.__instance=super().__call__(*args,**kwargs)


        super().__init__(name,bases,dic)

    def __call__(self, *args, **kwargs): #Mysql(...)时触发
        if args or kwargs: # args或kwargs内有值
            obj=object.__new__(self)
            self.__init__(obj,*args,**kwargs)
            return obj

        return self.__instance




class Mysql(metaclass=Mymeta):
    def __init__(self,host,port):
        self.host=host
        self.port=port



obj1=Mysql() # 没有传值则默认从配置文件中读配置来实例化，所有的实例应该指向一个内存地址
obj2=Mysql()
obj3=Mysql()

print(obj1 is obj2 is obj3)

obj4=Mysql('1.1.1.4',3307)



#方式三:定义一个装饰器实现单例模式

import settings

def singleton(cls): #cls=Mysql
    _instance=cls(settings.HOST,settings.PORT)

    def wrapper(*args,**kwargs):
        if args or kwargs:
            obj=cls(*args,**kwargs)
            return obj
        return _instance

    return wrapper


@singleton # Mysql=singleton(Mysql)
class Mysql:
    def __init__(self,host,port):
        self.host=host
        self.port=port

obj1=Mysql()
obj2=Mysql()
obj3=Mysql()
print(obj1 is obj2 is obj3) #True

obj4=Mysql('1.1.1.3',3307)
obj5=Mysql('1.1.1.4',3308)
print(obj3 is obj4) #False

练习题

练习一：在元类中控制把自定义类的数据属性都变成大写


练习二：在元类中控制自定义的类无需__init__方法

　　1.元类帮其完成创建对象，以及初始化操作；

　　2.要求实例化时传参必须为关键字形式，否则抛出异常TypeError: must use keyword argument

　　3.key作为用户自定义类产生对象的属性，且所有属性变成大写

练习三：定义MySQL类

要求：

1.对象有id、host、port三个属性

2.定义工具create_id，在实例化时为每个对象随机生成id，保证id唯一

3.提供两种实例化方式，方式一：用户传入host和port 方式二：从配置文件中读取host和port进行实例化

4.为对象定制方法，save和get_obj_by_id，save能自动将对象序列化到文件中，文件路径为配置文件中DB_PATH,文件名为id号，

保存之前验证对象是否已经存在，若存在则抛出异常，;get_obj_by_id方法用来从文件中反序列化出对象