元类

一、python中类也是对象

只要使用关键字class,python解释器在执行的时候就会创建一个对象

class objectCreator(object):
    pass

当程序再运行这段代码的时候，就会在内存中创建一个对象，名字就是objectCreator。这个对象（类）自身拥有创建对象（类实例）的能力，而这就是为什么它是一个类的原因。但是，它的本质仍然是一个对象，于是我们可以对它作如下的操作

class ObjectCreator(object):
    pass


def echo(ob):
    print(ob)


mObject = ObjectCreator()
print(mObject)

# 可以直接打印一个类，因为它其实也是一个对象
print(ObjectCreator)
# 可以直接把一个类作为参数传给函数（注意这里是类，是没有实例化的）
echo(ObjectCreator)
# 也可以直接把类赋值给一个变量
objectCreator = ObjectCreator
print(objectCreator)
"""

<__main__.ObjectCreator object at 0x000000000240E358>
<class '__main__.ObjectCreator'>
<class '__main__.ObjectCreator'>
<class '__main__.ObjectCreator'>

"""

二、使用type()动态创建类

因为类也是对象，所以我们可以在程序运行的时候创建类，python是动态语言，动态语言和静态语言最大的不同，就是函数和类的定义，不是编译时定义的，而是运行时动态创建的。在之前，我们先了解下type()函数

首先我们新建一个hello.py的模块，然后定义一个Hello的class

class Hello(object):
    def hello(self, name='Py'):
        print('Hello,', name)

然后在另一个模块中引用hello模块，并输出相应的信息，其中type()函数的作用是可以查看一个类型和变量的类型

from aaa.hello import Hello
h=Hello()
h.hello()
print(type(Hello))
print(type(h))

"""

Hello, Py
<class 'type'>
<class 'aaa.hello.Hello'>

"""

type（）函数可以查看一个类型或变量的类型，Hello是一个class,它的类型就是type

而h是一个实例，它的类型就是aaa.hello.Hello。前面的aaa是包名，hello模块在该包名下

上面的例子中，我们使用type()函数查看一个类型或者变量的类型。其中查看了Hello class类型，打印的结果是：<class 'type'>。其实type()函数不仅可以返回一个对象的类型，也可以创建出新的类型。class的定义是运行时动态创建的，而创建class的方法就是使用type()函数。比如我们可以通过type()函数创建出上面例子中的Hello类

def printHello(self,name='Py'):
    #定义一个打印Hello的函数
    print('Hello,',name)

#创建一个Hello类
Hello=type('Hello',(object,),dict(hello=printHello))

# 实例化 Hello 类
h = Hello()
# 调用 Hello 类的方法
h.hello()
# 查看 Hello class 的类型
print(type(Hello))
# 查看实例 h 的类型
print(type(h))
"""

Hello, Py
<class 'type'>
<class '__main__.Hello'>

"""

了解下通过type()函数创建class对象的参数说明

1.class名称，例子中的Hello

2.继承的父类集合，注意python支持多继承，如果只有一个父类，tuple要使用单元素写法，例子中继承object类，因为是单元素的tuple,所以写成（object，）

3。class的方法名称与函数绑定，例子中将函数printHello绑定在方法名hello中

具体如下：

type(类名，父类的元组（针对继承的情况，可以为空），包含属性的字典（名称和值））

我们看到通过type()函数创建的类和直接写class是完全一样的，因为python解释器遇到class定义时，仅仅是扫描一下class定义的语法，然后调用type()函数创建出class的

不过一般情况下，我们都是使用class的方法来定义类的，不过type()函数也可以让我们创建出类来。也就是说，动态语言本身支持运行期动态创建类，这和静态语言有非常大的不同，要在静态语言运行期创建类，必须构造源代码字符串再调用编译器，或者借助一些工具生成字节码实现，本质上都是动态编译，会非常复杂

可以看到，在python中，类也是对象，你可以动态的创建类。其实就是你使用关键字class时python在幕后做的事情，而这就是通过元类来实现的

三、什么是元类

我们创建类的时候，大多数是为了创建类的实例对象。那么元类呢？元类就是用来创建类的。也可以换个理解方式就是：元类就是类的类

通过上面type()函数的介绍，我们知道可以通过type()函数创建类：

MyClass = type('MyClass', (), {})

实际上type()函数是一个元类。type()就是python在背后用来创建所有类的元类

为什么type()函数是type而不是Type呢

这可能是为了和str保持一致性，str是用来创建字符串对象的类，而int是用来创建整数对象的类。type就是创建类对象的类，可以通过检查__class__属性来看到这一点。python中所有的东西，都是对象。包括整数、字符串、函数、以及类。他们全部都是对象，而且它们都是从一个类创建而来

type是一个函数来获取类的类型，而__class__是类的属性的方式来获取类的类型，不同的方法获取相同的东西

# 整形
age = 23
print(age.__class__)
# 字符串
name = '两点水'
print(name.__class__)


# 函数
def fu():
    pass


print(fu.__class__)


# 实例
class eat(object):
    pass


mEat = eat()

print(mEat.__class__)
"""
<class 'int'>
<class 'str'>
<class 'function'>
<class '__main__.eat'>
"""

上面的所有对象都是通过类来创建的，我们会想__class__的__class__会是什么，也就是创建这些类的类是什么

print(age.__class__.__class__)
print(name.__class__.__class__)
print(fu.__class__.__class__)
print(mEat.__class__.__class__)
"""

<class 'type'>
<class 'type'>
<class 'type'>
<class 'type'>

"""

上面输出的结果是我们把整型·age,字符串name,函数fu和对象实例mEat里的__class__的__class__打印出来的结果，也就是他们的类的类打印的结果，发现打印出来的class都是type

元类就是类的类，也就是说元类就是负责创建类的一种东西。元类就是负责生成类的。而type就是内建的元类。也就是python自带的元类

四、自定义元类

我们已经知道元类是什么了，但是我们还不知道元类到底有什么用

我们先来了解下自定义元类，因为只有了解了怎么自定义才能更好的理解它的作用

首先我们来了解下__metaclass__属性

 

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

class Myobject(object):
    __metaclass__=something

如果是这样的话，python就会用元类来创建类MyObject。当你写下class MyObject(object),但是类对象MyObject还没有在内存中创建。python会在类的定义中寻找__metaclass__属性，如果找到了，python就会用它来创建类MyObject,如果没有找到，就会用内建的type函数来创建这个类

再举个实例：

class Foo(Bar):
    pass

它的判断流程是怎样的呢？

首先判断Foo中是否有__metaclass__这个属性？如果有，python会在内存中通过__metaclass__创建一个名字为Foo的类对象（注意，这里是类对象），如果有python没有找到__metaclass__,它会继续在Bar（父类）中寻找__metaclass__属性，并尝试做和前面同样的操作。如果python在任何父类中都找不到__metaclass__,它就会在模块层次中去寻找__metaclass__,并尝试做同样的操作。如果还是找不到metaclass,python就会用内置的type来创建这个类对象

其实__metaclass__就是定义了class的行为。类似于class定义了instance的行为，metaclass则定义了class的行为。可以说，class是metaclass的instance

现在，我们基本了解了__metaclass__属性，但是，也没讲过如何使用这个属性，或者说这个属性可以放什么

答案就是：可以创建一个类的东西，那么什么可以用来创建一个类呢？type，或者任何使用到type或者子类化type的东东都可以

元类的主要目的就是为了当创建类时能够自动的改变类。通常，你会为API做这样的事情，你希望可以创建符合当前上下文的类。假想一个例子，你决定在你的模块里所有的类属性都应该是大写形式，有好几种方法可以办到，但其中一种就是通过在模块级别设定__metaclass__。采用这种方法，这个模块中的所有类都会通过这个元类来创建，我们只需要告诉元类把所有的属性都改成大写形式就万事大吉了

幸运的是，__metaclass__实际上可以被任意调用，它并不需要是一个正式的类。所以，我们这里就先以一个简单的函数作为例子开始

# 元类会自动将你通常传给‘type’的参数作为自己的参数传入
def upper_attr(future_class_name, future_class_parents, future_class_attr):
    '''返回一个类对象，将属性都转为大写形式'''
    #  选择所有不以'__'开头的属性
    attrs = ((name, value) for name, value in future_class_attr.items() if not name.startswith('__'))

 

# 将它们转为大写形式
uppercase_attr = dict((name.upper(), value) for name, value in attrs)

# 通过'type'来做类对象的创建
return type(future_class_name, future_class_parents, uppercase_attr)

__metaclass__ = upper_attr  
#  这会作用到这个模块中的所有类

class Foo(object):
    # 我们也可以只在这里定义__metaclass__，这样就只会作用于这个类中
    bar = 'bip'

 

print hasattr(Foo, 'bar')
# 输出: False
print hasattr(Foo, 'BAR')
# 输出:True

f = Foo()
print f.BAR
# 输出:'bip'

 

用class当做元类的做法：

# 请记住，'type'实际上是一个类，就像'str'和'int'一样
# 所以，你可以从type继承
class UpperAttrMetaClass(type):
    # __new__ 是在__init__之前被调用的特殊方法
    # __new__是用来创建对象并返回之的方法
    # 而__init__只是用来将传入的参数初始化给对象
    # 你很少用到__new__，除非你希望能够控制对象的创建
    # 这里，创建的对象是类，我们希望能够自定义它，所以我们这里改写__new__
    # 如果你希望的话，你也可以在__init__中做些事情
    # 还有一些高级的用法会涉及到改写__call__特殊方法，但是我们这里不用
    def __new__(upperattr_metaclass, future_class_name, future_class_parents, future_class_attr):
        attrs = ((name, value) for name, value in future_class_attr.items() if not name.startswith('__'))
        uppercase_attr = dict((name.upper(), value) for name, value in attrs)
        return type(future_class_name, future_class_parents, uppercase_attr)

但是，这种方式其实不是oop，我们直接调用了type，而且我们没有改写父类的__new__方法。现在让我们这样去处理

 

class UpperAttrMetaclass(type):
    def __new__(upperattr_metaclass, future_class_name, future_class_parents, future_class_attr):
        attrs = ((name, value) for name, value in future_class_attr.items() if not name.startswith('__'))
        uppercase_attr = dict((name.upper(), value) for name, value in attrs)

        # 复用type.__new__方法
        # 这就是基本的OOP编程，没什么魔法
        return type.__new__(upperattr_metaclass, future_class_name, future_class_parents, uppercase_attr)

你可能已经注意到了有个额外的参数upperattr_metaclass,这并没有什么特别的。类方法的第一个参数总是表示当前的实例，就像在普通的类方法中的self参数一样。当然为了清晰起见，这里的名字起的比较长，就像self一样，所有的参数都有它们的传统名称。因此，在真实的产品代码中一个元类应该是这样的

class UpperAttrMetaclass(type):
    def __new__(cls, name, bases, dct):
        attrs = ((name, value) for name, value in dct.items() if not name.startswith('__')
        uppercase_attr  = dict((name.upper(), value) for name, value in attrs)
        return type.__new__(cls, name, bases, uppercase_attr)

如果使用super方法的话，我们还可以使它变得更清晰一些，这会缓解继承（你可以拥有元类，从元类继承，从type继承）

class UpperAttrMetaclass(type):
    def __new__(cls, name, bases, dct):
        attrs = ((name, value) for name, value in dct.items() if not name.startswith('__'))
        uppercase_attr = dict((name.upper(), value) for name, value in attrs)
        return super(UpperAttrMetaclass, cls).__new__(cls, name, bases, uppercase_attr)

通常我们都会使用元类去做一些晦涩的事情，依赖于自省，控制继承。用元类来搞些“黑暗魔法”是特别有用的，因而会搞出些复杂的东西来。但就元类本身而言，它们其实是很简单的：

　　拦截类的创建

　　修改类

　　返回修改之后的类

五、使用元类

元类的主要用途是创建API。一个典型的例子是Django ORM。

class Person(models.Model):
    name = models.CharField(max_length=30)
    age = models.IntegerField()

 

guy  = Person(name='bob', age='35')
print guy.age

这并不会返回一个IntegerField对象，而是会返回一个int,甚至可以直接从数据库中取出数据。这是有可能的，因为models.Model定义了__metaclass__,并且使用了一些魔法能够将你刚刚定义的简单的Person类转变成对数据库的一个复杂hook。Django框架将这些看起来复杂的东西通过暴露出一个简单的使用元类的API将其化简，通过这个API重新创建代码，在背后完成真正的工作

Python 中的一切都是对象，它们要么是类的实例，要么是元类的实例，除了 type。type 实际上是它自己的元类，在纯 Python 环境中这可不是你能够做到的，这是通过在实现层面耍一些小手段做到的。