深入理解Python中的元類(metaclass)

注：本文原稿來自stackoverflow，原文鏈接，目前已收獲5k高贊。

 

一、類也是對象

在理解元類之前，你需要先掌握Python中的類。Python中類的概念借鑒於Smalltalk，這顯得有些奇特。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）自身擁有創建對象（類實例）的能力，而這就是為什么它是一個類的原因。但是，它的本質仍然是一個對象，於是乎你可以對它做如下的操作：

1)   你可以將它賦值給一個變量

2)   你可以拷貝它

3)   你可以為它增加屬性

4)   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>

 

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。由於類也是對象，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：

>>> print type(1)
<type 'int'>
>>> print type("1")
<type 'str'>
>>> print type(ObjectCreator)
<type 'type'>
>>> print type(ObjectCreator())
<class '__main__.ObjectCreator'>

這里，type有一種完全不同的能力，它也能動態的創建類。type可以接受一個類的描述作為參數，然后返回一個類。（我知道，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, 父類的元組（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：

>>> class MyShinyClass(object):
…       pass

 可以手動像這樣創建：

>>> MyShinyClass = type('MyShinyClass', (), {})  # 返回一個類對象
>>> print MyShinyClass
<class '__main__.MyShinyClass'>
>>> print MyShinyClass()  #  創建一個該類的實例
<__main__.MyShinyClass object at 0x8997cec>

你會發現我們使用“MyShinyClass”作為類名，並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。

type 接受一個字典來為類定義屬性，因此

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

 可以翻譯為：

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

 並且可以將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

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

>>> def echo_bar(self):
…       print self.bar
…
>>> FooChild = type('FooChild', (Foo,), {'echo_bar': echo_bar})
>>> hasattr(Foo, 'echo_bar')
False
>>> hasattr(FooChild, 'echo_bar')
True
>>> my_foo = FooChild()
>>> my_foo.echo_bar()
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。

 

二、到底什么是元類（終於到主題了）

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。好吧，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()
MyObject = MyClass()

 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。

>>> 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，對於任何一個__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。如果你喜歡的話，可以把元類稱為“類工廠”（不要和工廠類搞混了:D） type就是Python的內建元類，當然了，你也可以創建自己的元類。

 

三、__metaclass__屬性

你可以在寫一個類的時候為其添加__metaclass__屬性。

class Foo(object):
    __metaclass__ = something…
[…]

 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)，但是類對象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會在內存中通過__metaclass__創建一個名字為Foo的類對象（我說的是類對象，請緊跟我的思路）。如果Python沒有找到__metaclass__，它會繼續在Bar（父類）中尋找__metaclass__屬性，並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__，並嘗試做同樣的操作。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。

 

四、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，它並不需要是一個正式的類（我知道，某些名字里帶有‘class’的東西並不需要是一個class，畫畫圖理解下，這很有幫助）。所以，我們這里就先以一個簡單的函數作為例子開始。

# 元類會自動將你通常傳給‘type’的參數作為自己的參數傳入
def upper_attr(future_class_name, future_class_parents, future_class_attr):
    '''返回一個類對象，將屬性都轉為大寫形式'''
    #  選擇所有不以'__'開頭的屬性
    attrs = ((name, value) for name, value in future_class_attr.items() if not name.startswith('__'))

    # 將它們轉為大寫形式
    uppercase_attr = dict((name.upper(), value) for name, value in attrs)

    # 通過'type'來做類對象的創建
    return type(future_class_name, future_class_parents, uppercase_attr)

__metaclass__ = upper_attr  #  這會作用到這個模塊中的所有類

class Foo(object):
    # 我們也可以只在這里定義__metaclass__，這樣就只會作用於這個類中
    bar = 'bip'

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

f = Foo()
print f.BAR
# 輸出:'bip'

 現在讓我們再做一次，這一次用一個真正的class來當做元類。

# 請記住，'type'實際上是一個類，就像'str'和'int'一樣
# 所以，你可以從type繼承
class UpperAttrMetaClass(type):
    # __new__ 是在__init__之前被調用的特殊方法
    # __new__是用來創建對象並返回之的方法
    # 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__(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，這種方式其實不是OOP。我們直接調用了type，而且我們沒有改寫父類的__new__方法。現在讓我們這樣去處理:

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)

        # 復用type.__new__方法
        # 這就是基本的OOP編程，沒什么魔法
        return type.__new__(upperattr_metaclass, future_class_name, future_class_parents, uppercase_attr)

 你可能已經注意到了有個額外的參數upperattr_metaclass，這並沒有什么特別的。類方法的第一個參數總是表示當前的實例，就像在普通的類方法中的self參數一樣。當然了，為了清晰起見，這里的名字我起的比較長。但是就像self一樣，所有的參數都有它們的傳統名稱。因此，在真實的產品代碼中一個元類應該是像這樣的：

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方法的話，我們還可以使它變得更清晰一些，這會緩解繼承（是的，你可以擁有元類，從元類繼承，從type繼承）

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)

就是這樣，除此之外，關於元類真的沒有別的可說的了。使用到元類的代碼比較復雜，這背后的原因倒並不是因為元類本身，而是因為你通常會使用元類去做一些晦澀的事情，依賴於自省，控制繼承等等。確實，用元類來搞些“黑暗魔法”是特別有用的，因而會搞出些復雜的東西來。但就元類本身而言，它們其實是很簡單的：

1)   攔截類的創建

2)   修改類

3)   返回修改之后的類

 

五、為什么要用metaclass類而不是函數?

由於__metaclass__可以接受任何可調用的對象，那為何還要使用類呢，因為很顯然使用類會更加復雜啊？這里有好幾個原因：

1）  意圖會更加清晰。當你讀到UpperAttrMetaclass(type)時，你知道接下來要發生什么。

2） 你可以使用OOP編程。元類可以從元類中繼承而來，改寫父類的方法。元類甚至還可以使用元類。

3）  你可以把代碼組織的更好。當你使用元類的時候肯定不會是像我上面舉的這種簡單場景，通常都是針對比較復雜的問題。將多個方法歸總到一個類中會很有幫助，也會使得代碼更容易閱讀。

4） 你可以使用__new__, __init__以及__call__這樣的特殊方法。它們能幫你處理不同的任務。就算通常你可以把所有的東西都在__new__里處理掉，有些人還是覺得用__init__更舒服些。

5） 哇哦，這東西的名字是metaclass，肯定非善類，我要小心！

 

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

元類的主要用途是創建API。一個典型的例子是Django ORM。它允許你像這樣定義：

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

 但是如果你像這樣做的話

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

這並不會返回一個IntegerField對象，而是會返回一個int，甚至可以直接從數據庫中取出數據。這是有可能的，因為models.Model定義了__metaclass__， 並且使用了一些魔法能夠將你剛剛定義的簡單的Person類轉變成對數據庫的一個復雜hook。Django框架將這些看起來很復雜的東西通過暴露出一個簡單的使用元類的API將其化簡，通過這個API重新創建代碼，在背后完成真正的工作。

 

結語

首先，你知道了類其實是能夠創建出類實例的對象。好吧，事實上，類本身也是實例，當然，它們是元類的實例。

>>>class Foo(object): pass
>>> id(Foo)
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Python中的一切都是對象，它們要么是類的實例，要么是元類的實例，除了type。type實際上是它自己的元類，在純Python環境中這可不是你能夠做到的，這是通過在實現層面耍一些小手段做到的。其次，元類是很復雜的。對於非常簡單的類，你可能不希望通過使用元類來對類做修改。你可以通過其他兩種技術來修改類：

1） Monkey patching

2)   class decorators

當你需要動態修改類時，99%的時間里你最好使用上面這兩種技術。當然了，其實在99%的時間里你根本就不需要動態修改類 :D