python中的元類是什么？怎么用？

在理解元類之前，需要了解Python的類， Python借用了Smalltalk語言的一些概念。 在Python中，類是對象，只要你使用關鍵字 class，Python執行它， 并創建一個對象。

1. 類也是對象

類的本質其實也是一個對象(類對象)

程序中第一次使用該類的時候被創建，在整個程序中只有一份。

此后每次使用都是這個類對象，它在程序運行時一直存在。

類對象是一種數據結構,存儲類的基本信息:類大小,類名稱,類的版本，繼承層次，以及消息與函數的映射表等

類對象代表類,Class類型,對象方法屬于類對象

如果消息的接收者是類名,則類名代表類對象

所有類的實例都由類對象生成,類對象會把實例的isa的值修改成自己的地址,每個實例的isa都指向該實例的類對象

在大多數編程語言中，類就是一組用來描述如何生成一個對象的代碼段。在Python中這一點仍然成立：

>>> class ObjectCreator(object):
…       pass
…
>>> my_object = ObjectCreator()
>>> print my_object
<__main__.ObjectCreator object at 0x8974f2c>

但是，Python中的類還遠不止如此。類同樣也是一種對象。是的，沒錯，就是對象。只要你使用關鍵字class，Python解釋器在執行的時候就會創建一個對象。

下面的代碼段：

>>> class ObjectCreator(object):
…       pass
…

將在內存中創建一個對象，名字就是ObjectCreator。這個對象（類對象ObjectCreator）擁有創建對象（實例對象）的能力。但是，它的本質仍然是一個對象，于是乎你可以對它做如下的操作：

• 你可以將它賦值給一個變量
• 你可以拷貝它
• 你可以為它增加屬性
• 你可以將它作為函數參數進行傳遞

下面是示例：

>>> print ObjectCreator     # 你可以打印一個類，因為它其實也是一個對象
<class '__main__.ObjectCreator'>
>>> def echo(o):
…       print o
…
>>> echo(ObjectCreator)                 # 你可以將類做為參數傳給函數
<class '__main__.ObjectCreator'>
>>> print hasattr(ObjectCreator, 'new_attribute')
Fasle
>>> ObjectCreator.new_attribute = 'foo' #  你可以為類增加屬性
>>> print hasattr(ObjectCreator, 'new_attribute')
True
>>> print ObjectCreator.new_attribute
foo
>>> ObjectCreatorMirror = ObjectCreator # 你可以將類賦值給一個變量
>>> print ObjectCreatorMirror()
<__main__.ObjectCreator object at 0x8997b4c>

2. 動態地創建類

因為類也是對象，你可以在運行時動態的創建它們，就像其他任何對象一樣。首先，你可以在函數中創建類，使用class關鍵字即可。

>>> def choose_class(name):
…       if name == 'foo':
…           class Foo(object):
…               pass
…           return Foo     # 返回的是類，不是類的實例
…       else:
…           class Bar(object):
…               pass
…           return Bar
…
>>> MyClass = choose_class('foo')
>>> print MyClass              # 函數返回的是類，不是類的實例
<class '__main__'.Foo>
>>> print MyClass()            # 你可以通過這個類創建類實例，也就是對象
<__main__.Foo object at 0x89c6d4c>

但這還不夠動態，因為你仍然需要自己編寫整個類的代碼。由于類也是對象，所以它們必須是通過什么東西來生成的才對。當你使用class關鍵字時，Python解釋器自動創建這個對象。但就和Python中的大多數事情一樣，Python仍然提供給你手動處理的方法。

還記得內建函數type嗎？這個古老但強大的函數能夠讓你知道一個對象的類型是什么，就像這樣：

'''
遇到問題沒人解答？小編創建了一個Python學習交流QQ群：579817333 
尋找有志同道合的小伙伴，互幫互助,群里還有不錯的視頻學習教程和PDF電子書！
'''
>>> print type(1) #數值的類型
<type 'int'>
>>> print type("1") #字符串的類型
<type 'str'>
>>> print type(ObjectCreator()) #實例對象的類型
<class '__main__.ObjectCreator'>
>>> print type(ObjectCreator) #類的類型
<type 'type'>

仔細觀察上面的運行結果，發現使用type對ObjectCreator查看類型是，答案為type， 是不是有些驚訝。。。看下面

3. 使用type創建類

type還有一種完全不同的功能，動態的創建類。

type可以接受一個類的描述作為參數，然后返回一個類。（要知道，根據傳入參數的不同，同一個函數擁有兩種完全不同的用法是一件很傻的事情，但這在Python中是為了保持向后兼容性）

type可以像這樣工作：

type(類名, 由父類名稱組成的元組（針對繼承的情況，可以為空），包含屬性的字典（名稱和值）)

比如下面的代碼：

In [2]: class Test: #定義了一個Test類
   ...:     pass
   ...:
In [3]: Test() #創建了一個Test類的實例對象
Out[3]: <__main__.Test at 0x10d3f8438>

可以手動像這樣創建：

Test2 = type("Test2",(),{}) #定了一個Test2類
In [5]: Test2() #創建了一個Test2類的實例對象
Out[5]: <__main__.Test2 at 0x10d406b38>

我們使用"Test2"作為類名，并且也可以把它當做一個變量來作為類的引用。類和變量是不同的，這里沒有任何理由把事情弄的復雜。即type函數中第1個實參，也可以叫做其他的名字，這個名字表示類的名字

In [23]: MyDogClass = type('MyDog', (), {})

In [24]: print MyDogClass
<class '__main__.MyDog'>

使用help來測試這2個類

In [10]: help(Test) #用help查看Test類

Help on class Test in module __main__:

class Test(builtins.object)
 |  Data descriptors defined here:
 |
 |  __dict__
 |      dictionary for instance variables (if defined)
 |
 |  __weakref__
 |      list of weak references to the object (if defined)
In [8]: help(Test2) #用help查看Test2類

Help on class Test2 in module __main__:

class Test2(builtins.object)
 |  Data descriptors defined here:
 |
 |  __dict__
 |      dictionary for instance variables (if defined)
 |
 |  __weakref__
 |      list of weak references to the object (if defined)

4. 使用type創建帶有屬性的類

type 接受一個字典來為類定義屬性，因此

>>> Foo = type('Foo', (), {'bar':True})

可以翻譯為：

>>> class Foo(object):
…       bar = True

并且可以將Foo當成一個普通的類一樣使用：

>>> print Foo
<class '__main__.Foo'>
>>> print Foo.bar
True
>>> f = Foo()
>>> print f
<__main__.Foo object at 0x8a9b84c>
>>> print f.bar
True

當然，你可以向這個類繼承，所以，如下的代碼：

>>> class FooChild(Foo):
…       pass

就可以寫成：

>>> FooChild = type('FooChild', (Foo,),{})
>>> print FooChild
<class '__main__.FooChild'>
>>> print FooChild.bar   # bar屬性是由Foo繼承而來
True

注意：

type的第2個參數，元組中是父類的名字，而不是字符串
添加的屬性是類屬性，并不是實例屬性

5. 使用type創建帶有方法的類

最終你會希望為你的類增加方法。只需要定義一個有著恰當簽名的函數并將其作為屬性賦值就可以了。

添加實例方法

In [46]: def echo_bar(self): #定義了一個普通的函數
    ...:     print(self.bar)
    ...:

In [47]: FooChild = type('FooChild', (Foo,), {'echo_bar': echo_bar}) #讓FooChild類中的echo_bar屬性，指向了上面定義的函數

In [48]: hasattr(Foo, 'echo_bar') #判斷Foo類中，是否有echo_bar這個屬性
Out[48]: False

In [49]:

In [49]: hasattr(FooChild, 'echo_bar') #判斷FooChild類中，是否有echo_bar這個屬性
Out[49]: True

In [50]: my_foo = FooChild()

In [51]: my_foo.echo_bar()
True

添加靜態方法

In [36]: @staticmethod
    ...: def testStatic():
    ...:     print("static method ....")
    ...:

In [37]: Foochild = type('Foochild', (Foo,), {"echo_bar":echo_bar, "testStatic":
    ...: testStatic})

In [38]: fooclid = Foochild()

In [39]: fooclid.testStatic
Out[39]: <function __main__.testStatic>

In [40]: fooclid.testStatic()
static method ....

In [41]: fooclid.echo_bar()
True

添加類方法

In [42]: @classmethod
    ...: def testClass(cls):
    ...:     print(cls.bar)
    ...:

In [43]:

In [43]: Foochild = type('Foochild', (Foo,), {"echo_bar":echo_bar, "testStatic":
    ...: testStatic, "testClass":testClass})

In [44]:

In [44]: fooclid = Foochild()

In [45]: fooclid.testClass()
True

你可以看到，在Python中，類也是對象，你可以動態的創建類。這就是當你使用關鍵字class時Python在幕后做的事情，而這就是通過元類來實現的。

6. 到底什么是元類（終于到主題了）

元類就是用來創建類的“東西”。你創建類就是為了創建類的實例對象，不是嗎？但是我們已經學習到了Python中的類也是對象。

元類就是用來創建這些類（對象）的，元類就是類的類，你可以這樣理解為：

MyClass = MetaClass() #使用元類創建出一個對象，這個對象稱為“類”
MyObject = MyClass() #使用“類”來創建出實例對象

你已經看到了type可以讓你像這樣做：

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

這是因為函數type實際上是一個元類。type就是Python在背后用來創建所有類的元類。現在你想知道那為什么type會全部采用小寫形式而不是Type呢？

好吧，我猜這是為了和str保持一致性，str是用來創建字符串對象的類，而int是用來創建整數對象的類。type就是創建類對象的類。你可以通過檢查class屬性來看到這一點。Python中所有的東西，注意，我是指所有的東西——都是對象。這包括整數、字符串、函數以及類。它們全部都是對象，而且它們都是從一個類創建而來，這個類就是type。

>>> age = 35
>>> age.__class__
<type 'int'>
>>> name = 'bob'
>>> name.__class__
<type 'str'>
>>> def foo(): pass
>>>foo.__class__
<type 'function'>
>>> class Bar(object): pass
>>> b = Bar()
>>> b.__class__
<class '__main__.Bar'>

現在，對于任何一個class的class屬性又是什么呢？

>>> a.__class__.__class__
<type 'type'>
>>> age.__class__.__class__
<type 'type'>
>>> foo.__class__.__class__
<type 'type'>
>>> b.__class__.__class__
<type 'type'>

因此，元類就是創建類這種對象的東西。type就是Python的內建元類，當然了，你也可以創建自己的元類。

7. metaclass屬性

你可以在定義一個類的時候為其添加metaclass屬性。

class Foo(object):
    __metaclass__ = something…
    ...省略...

如果你這么做了，Python就會用元類來創建類Foo。小心點，這里面有些技巧。你首先寫下class Foo(object)，但是類Foo還沒有在內存中創建。Python會在類的定義中尋找metaclass屬性，如果找到了，Python就會用它來創建類Foo，如果沒有找到，就會用內建的type來創建這個類。把下面這段話反復讀幾次。當你寫如下代碼時 :

class Foo(Bar):
    pass

Python做了如下的操作：

Foo中有metaclass這個屬性嗎？如果是，Python會通過metaclass創建一個名字為Foo的類(對象)
如果Python沒有找到metaclass，它會繼續在Bar（父類）中尋找metaclass屬性，并嘗試做和前面同樣的操作。

如果Python在任何父類中都找不到metaclass，它就會在模塊層次中去尋找metaclass，并嘗試做同樣的操作。

如果還是找不到metaclass,Python就會用內置的type來創建這個類對象。

現在的問題就是，你可以在metaclass中放置些什么代碼呢？答案就是：可以創建一個類的東西。那么什么可以用來創建一個類呢？type，或者任何使用到type或者子類化type的東東都可以。

8. 自定義元類

元類的主要目的就是為了當創建類時能夠自動地改變類。通常，你會為API做這樣的事情，你希望可以創建符合當前上下文的類。

假想一個很傻的例子，你決定在你的模塊里所有的類的屬性都應該是大寫形式。有好幾種方法可以辦到，但其中一種就是通過在模塊級別設定metaclass。采用這種方法，這個模塊中的所有類都會通過這個元類來創建，我們只需要告訴元類把所有的屬性都改成大寫形式就萬事大吉了。

幸運的是，metaclass實際上可以被任意調用，它并不需要是一個正式的類。所以，我們這里就先以一個簡單的函數作為例子開始。

python2中

#-*- coding:utf-8 -*-
def upper_attr(future_class_name, future_class_parents, future_class_attr):

    #遍歷屬性字典，把不是__開頭的屬性名字變為大寫
    newAttr = {}
    for name,value in future_class_attr.items():
        if not name.startswith("__"):
            newAttr[name.upper()] = value

    #調用type來創建一個類
    return type(future_class_name, future_class_parents, newAttr)

class Foo(object):
    __metaclass__ = upper_attr #設置Foo類的元類為upper_attr
    bar = 'bip'

print(hasattr(Foo, 'bar'))
print(hasattr(Foo, 'BAR'))

f = Foo()
print(f.BAR)

python3中

#-*- coding:utf-8 -*-
def upper_attr(future_class_name, future_class_parents, future_class_attr):

    #遍歷屬性字典，把不是__開頭的屬性名字變為大寫
    newAttr = {}
    for name,value in future_class_attr.items():
        if not name.startswith("__"):
            newAttr[name.upper()] = value

    #調用type來創建一個類
    return type(future_class_name, future_class_parents, newAttr)

class Foo(object, metaclass=upper_attr):
    bar = 'bip'

print(hasattr(Foo, 'bar'))
print(hasattr(Foo, 'BAR'))

f = Foo()
print(f.BAR)

現在讓我們再做一次，這一次用一個真正的class來當做元類。

#coding=utf-8

class UpperAttrMetaClass(type):
    # __new__ 是在__init__之前被調用的特殊方法
    # __new__是用來創建對象并返回之的方法
    # 而__init__只是用來將傳入的參數初始化給對象
    # 你很少用到__new__，除非你希望能夠控制對象的創建
    # 這里，創建的對象是類，我們希望能夠自定義它，所以我們這里改寫__new__
    # 如果你希望的話，你也可以在__init__中做些事情
    # 還有一些高級的用法會涉及到改寫__call__特殊方法，但是我們這里不用
    def __new__(cls, future_class_name, future_class_parents, future_class_attr):
        #遍歷屬性字典，把不是__開頭的屬性名字變為大寫
        newAttr = {}
        for name,value in future_class_attr.items():
            if not name.startswith("__"):
                newAttr[name.upper()] = value

        # 方法1：通過'type'來做類對象的創建
        # return type(future_class_name, future_class_parents, newAttr)

        # 方法2：復用type.__new__方法
        # 這就是基本的OOP編程，沒什么魔法
        # return type.__new__(cls, future_class_name, future_class_parents, newAttr)

        # 方法3：使用super方法
        return super(UpperAttrMetaClass, cls).__new__(cls, future_class_name, future_class_parents, newAttr)

#python2的用法
class Foo(object):
    __metaclass__ = UpperAttrMetaClass
    bar = 'bip'

# python3的用法
# class Foo(object, metaclass = UpperAttrMetaClass):
#     bar = 'bip'

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

f = Foo()
print(f.BAR)
# 輸出:'bip'

就是這樣，除此之外，關于元類真的沒有別的可說的了。但就元類本身而言，它們其實是很簡單的：

• 攔截類的創建
• 修改類
• 返回修改之后的類
• 究竟為什么要使用元類？

現在回到我們的大主題上來，究竟是為什么你會去使用這樣一種容易出錯且晦澀的特性？好吧，一般來說，你根本就用不上它：

“元類就是深度的魔法，99%的用戶應該根本不必為此操心。如果你想搞清楚究竟是否需要用到元類，那么你就不需要它。那些實際用到元類的人都非常清楚地知道他們需要做什么，而且根本不需要解釋為什么要用元類。” —— Python界的領袖 Tim Peters