元类

前言

本篇博客学习 python 中一种高级概念，元类。在《说文》中这样描述元：元，始也（ps：这也太简短了）。三个字，最后一个字还是语气词。。很形象的说明了元的意思，最开始的意思，在道教中元的意思是：开始的，最初。第一。为首的。主要，根本，整体的意思。那么很显然，元类是最开始的类的意思。我们都知道在 python 中一切皆为对象，而对象都继承与 object 类，那么元类与 object 的关系是什么呢？

可以看出元类也是继承自 object 类的。

那么元类和类的关系是什么呢？

简单来讲就是：类生成对象，元类生成自己本身同时实例化其他所有的类。

元类

类作为对象

之前已经说过 python 中一切皆对象，那么类同样也是对象，而且类是元类的对象。当使用关键词class定义一个类时，在代码执行阶段就会创建一个 空的object，并使用元类的__init__方法来出初始化一个类。这个对象（类）本身可以创建对象，因为它是一个类。

# 在内存中创建一个 Foo 对象
class ObjectCreator(object):
    pass

但是同样的它也是一个对象，一个元类的实例对象。

所以从对象层面将和它自己实例出来的对象没有什么不同，因此：

• 可以将类赋值给一个变量
• 可以复制它
• 可以为类添加其他的属性
• 可以将其作为参数来传递

例如：

>>> print(ObjectCreator) # you can print a class because it's an object
<class '__main__.ObjectCreator'>
>>> def echo(o):
...       print(o)
...
>>> echo(ObjectCreator) # you can pass a class as a parameter
<class '__main__.ObjectCreator'>
>>> print(hasattr(ObjectCreator, 'new_attribute'))
False
>>> ObjectCreator.new_attribute = 'foo' # you can add attributes to a class
>>> print(hasattr(ObjectCreator, 'new_attribute'))
True
>>> print(ObjectCreator.new_attribute)
foo
>>> ObjectCreatorMirror = ObjectCreator # you can assign a class to a variable
>>> print(ObjectCreatorMirror.new_attribute)
foo
>>> print(ObjectCreatorMirror())
<__main__.ObjectCreator object at 0x8997b4c>

动态创建类

由于类也是对象，因此可以像任何对象一样动态创建它们。 在python中，type 除了可以查看对象的类型，还有一个很强大的功能，type 可以动态的创建类。type 可以将类的描述作为参数并返回一个类。

使用 class关键词时，python 会自动的创建此对象，就像实例化一个对象时，调用的是类中的__init__方法，创建对象时同样的调用了元类中的__init__方法：

该函数有四个参数，第一个参数为 cls表示这是一个由类调用的初始化函数，python 在检测语法的时候发现 class则会把 class 后面的类名当做参数传给 what，bases 表示继承的父类是谁，是个元祖类型（因为会有多继承），dict 是个字典类型，是类的名称空间，可以通过__dict__查看，使用 type来创建一个类：

what = 'Music'
bases = (object,)
dict = {'music_name': '南山忆'}

这和我们使用 class关键词定义一个类没有什么不同：

之前在学习类的时候，我们知道创建一个对象是调用了类中__init__方法，同理在创建类的时候是调用了元类中也就是 type 中的__init__方法，所以我们可以通过改写 type 中的元类来自定义创建类，比如加些判断或者其他的属性：

可惜想象是美好的，这招根本行不通，那么有没有别的办法呢？当然有啦，哈哈哈哈哈

在学习类的三大特性的时候，从父类继承的属性可以改写（多态的思想），那么改写不了元类是因为元类很特殊，那我继承自元类的类肯定可以改写吧。这个到后面再讲，突然发现什么是元类还没讲清楚。。。

什么是元类

我把元类称之为 类的类。元类是创建类的‘’东西‘’，我们定义类来创建对象，类也是对象，所以定义了一个元类用来创建对象。type是 Python 用来创建所有类的元类（不包括 object 类）。其实这和用 str创建字符串对象，int创建整数对象一致的。type只是创建类对象的类。

一切，all thing都是 Python 中的一个对象。这包括整数、字符串、函数和类。所有这些都是对象，所有这些都是从一个类创建的。因此，元类是创建类对象的东西。

__metaclass__属性

除了使用 type 动态创建类以外，要控制类的创建行为，可以使用 metaclass，这也是自定义元类的方法。

metaclass 的意思就是元类：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。但是如果想创建出类呢？那就必须根据 metaclass 创建出类，所以：先定义元类（不自定义时，默认用 type），然后创建类。（大部分情况使用不到 metaclass，除非想自定义元类）。

默认情况下，类是使用 type 构造的。类主体在一个新的名称空间中执行，类名在本地绑定到类型的结果（名称，基，名称空间）。

可以通过类定义行中传递元类关键字参数来定制类的创建过程，或者从包含此类参数的现有类继承。

实例化对象的完整过程

class Foo(Bar):
    pass

当解释器执行这行代码时，执行以下操作：

Foo 有__metaclass__属性吗？如果有的话，python 会通过 __metaclass__在内存中创建一个名称为 Foo 的类对象。如果 Python 没有找到__metaclass__，它会继续在 Bar 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。如果还找不到__metaclass__，python 就会用内置的 type 来创建这个类对象。

那么在自定义类是，可以在__metaclass__中放置什么代码呢？

可以放用来创建一个类的东西，type 或者 type的子类都可以放。

以上面的代码为例，我们实例化一个对象obj=Foo()，会先执行 Foo 类中的__new__方法，没有则使用父类的__new__方法，创建一个空对象并返回，然后执行__init__方法（自己有就用自己的，没有就用父类的，这里分两种情况，如果是创建一个类的对象，那就是使用父类的，因为自己没有；如果是创建类，自己有就是用自己的，否则就是用父类的），为创建的对象进行初始化。

obj()会执行 Foo 类的__call__方法，没有则用父类的。现在已经知道。类同样也是对象，是元类的对象，即实例化一个对象（类）时，调用其父类（元类）的__call__方法。

元类处理过程：定义一个类时，使用声明或者默认的元类对该类进行创建，对元类求 type 运算，得到父元类（该类声明元类的父元类），调用父元类的__call__方法，在父元类的__call__方法中，调用该类声明的元类的__new__来创建一个空对象（该方法需要返回一个类对象实例），然后再调用该元类的__init__方法初始化该类对象，最终返回一个类。

1. 对象时类创建，创建对象时类的__init__方法自动执行，对象()则会执行类的__call__方法；
2. 类是由 type 创建的，class 定义的时候 type 的__init__方法自动执行，类()则会执行type 的__call__方法（类的__new__，类的__init__方法）

元类的__new__方法和__init__影响的是创建类的对象行为（不是创建类），父元类的__call__控制对子元类的__new__，__init__的调用，就是说控制类对象的创建和初始化。父元类的__new__和__init__由更上层的元类控制，一般来说，原始 type 是最初的父元类，其__new__和__init__是最具有普遍意义的，即应该是分配内存、初始化相关信息等。元类的__call__方法影响的是创建类的实例对象的行为，所以这时候自定义__call__就可以控制创建类对象的实例对象的行为了。比如单例模式的创建。

__new__和__init__影响的是创建对象的行为，当这些函数在元类中时，影响创建的是类；同理，当这两个函数在普通类中时，影响的是创建普通的对象实例行为。

__call__影响()调用行为，__call__是在创建类的时候调用，即：定义类时就是创建类，此时会调用元类的__call__，如果元类有继承，子元类定义时执行的是父元类的__call__。如果是普通类实例化，调用的是普通类的__call__。（昨晚上卡在这里了，其实实例化一个普通的对象时，都是调用其父类的__call__方法，除了元类，普通类中不会有__call__方法。）

自定义元类

元类的主要目的是在创建类时自动更改类，比如想要将创建的所有类都变成首字母大写的：

class MymetaClass(type):
    def __call__(cls, *args, **kwargs):

        if type(args[0]) != str:
            raise TypeError('参数必须为字符串类型')
        obj = object.__new__(cls)
        obj.__init__(*args, **kwargs)
        return obj


class Foo(metaclass=MymetaClass):
    def __init__(self, name):
        self.name = name


res = Foo(123)

这就是自定义元类的好处，可以在__call__来对传入的参数进行一些判断来做一些自定义操作。

通过函数

# the metaclass will automatically get passed the same argument
# that you usually pass to `type`
def upper_attr(future_class_name, future_class_parents, future_class_attr):
    """
      Return a class object, with the list of its attribute turned
      into uppercase.
    """

    # pick up any attribute that doesn't start with '__' and uppercase it
    uppercase_attr = {}
    for name, val in future_class_attr.items():
        if not name.startswith('__'):
            uppercase_attr[name.upper()] = val
        else:
            uppercase_attr[name] = val

    # let `type` do the class creation
    return type(future_class_name, future_class_parents, uppercase_attr)

__metaclass__ = upper_attr # this will affect all classes in the module

class Foo(): # global __metaclass__ won't work with "object" though
    # but we can define __metaclass__ here instead to affect only this class
    # and this will work with "object" children
    bar = 'bip'

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

f = Foo()
print(f.BAR)
# Out: 'bip'

通过元类

# remember that `type` is actually a class like `str` and `int`
# so you can inherit from it
class UpperAttrMetaclass(type):
    # __new__ is the method called before __init__
    # it's the method that creates the object and returns it
    # while __init__ just initializes the object passed as parameter
    # you rarely use __new__, except when you want to control how the object
    # is created.
    # here the created object is the class, and we want to customize it
    # so we override __new__
    # you can do some stuff in __init__ too if you wish
    # some advanced use involves overriding __call__ as well, but we won't
    # see this
    def __new__(upperattr_metaclass, future_class_name,
                future_class_parents, future_class_attr):

        uppercase_attr = {}
        for name, val in future_class_attr.items():
            if not name.startswith('__'):
                uppercase_attr[name.upper()] = val
            else:
                uppercase_attr[name] = val

        return type(future_class_name, future_class_parents, uppercase_attr)

使用元类的__new__方法

因为 type 的__new__不会被覆盖，所以可以使用：

class UpperAttrMetaclass(type):

    def __new__(upperattr_metaclass, future_class_name,
                future_class_parents, future_class_attr):

        uppercase_attr = {}
        for name, val in future_class_attr.items():
            if not name.startswith('__'):
                uppercase_attr[name.upper()] = val
            else:
                uppercase_attr[name] = val

        # reuse the type.__new__ method
        # this is basic OOP, nothing magic in there
        return type.__new__(upperattr_metaclass, future_class_name,
                            future_class_parents, uppercase_attr)

使用 super 的__new__方法

class UpperAttrMetaclass(type):

    def __new__(cls, clsname, bases, dct):

        uppercase_attr = {}
        for name, val in dct.items():
            if not name.startswith('__'):
                uppercase_attr[name.upper()] = val
            else:
                uppercase_attr[name] = val

        return super(UpperAttrMetaclass, cls).__new__(cls, clsname, bases, uppercase_attr)

使用元类的代码复杂性背后的原因不是因为元类，而是因为你通常使用元类来依赖于内省，操纵继承，变量__dict__等等来做扭曲的东西。实际上，元类特别适用于制作黑魔法，因此也很复杂。但他们本身很简单：

• 拦截类的创建
• 自定义类
• 返回修改后的类

为什么要使用元类而不是函数？

既然__metaclass__可以接收任何调用，那么为什么要使用一个类，因为类显然比函数要复杂。

有几个原因：

• 目的很明确，你知道使用元类会发生什么；
• 可以使用 OOP。metaclass 可以从元类继承，覆盖父方法，元类甚至可以使用元类；
• 如果你指定了元类，但没有使用元类函数，则类的子类将其元类的实例；
• 可以更好地构建代码；
• 可以和__new__，__init__，__call__搭配使用，来使得创建一个类或者一个类实例变得更有创造性。

本文参考与一下两篇文章

https://stackoverflow.com/questions/100003/what-are-metaclasses-in-python
https://www.cnblogs.com/huchong/p/8260151.html
感谢