提問者自稱已經掌握了有關Python OOP編程中的各種概念，但始終覺得元類(metaclass)難以理解。他知道這肯定和自身有關，但仍然覺得不太明白，希望大家可以給出一些實際的例子和代碼片段以幫助理解，以及在什么情況下需要進行元編程。

類也是對象

在理解元類之前，你需要先掌握Python中的類。Python中類的概念借鑒于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，例：

class ObjectCreator(object):

pass

my_object = ObjectCreator()

print my_object

上面代碼的執行結果：

<__main__.ObjectCreator object at 0x00000000033D0390>

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。

例：

class ObjectCreator(object):

pass

上面的的代碼段，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，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

示例：

>>> print ObjectCreator # 你可以打印一個類，因為它其實也是一個對象

>>> def echo(o):

… print o

…

>>> echo(ObjectCreator) # 你可以將類做為參數傳給函數

>>> 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 0x000000000204D390>

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

>>> 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：

>>> print type(1)

>>> print type("1")

>>> print type(ObjectCreator)

>>> print type(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）)

代碼示例：

>>> 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

>>> print MyShinyClass() # 創建一個該類的實例

<__main__.MyShinyClass object at 0x00000000034D8390>

你會發現我們使用“MyShinyClass”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。

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})

并且可以將Foo當成一個普通的類一樣使用：

class Foo(object):

bar = True

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

print Foo

print Foo()

print Foo.bar

f = Foo()

print f

print f.bar

執行結果

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

>>> 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。只需要定義一個有著恰當簽名的函數并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

你可以在動態創建類之后添加更多的方法，就像向通常創建的類對象添加方法一樣。

>>> def echo_bar_more(self):

... print('yet another method')

...

>>> FooChild.echo_bar_more = echo_bar_more

>>> hasattr(FooChild, 'echo_bar_more')

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。

什么是元類

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？但是我們已經學習了Python中的類也是對象這個概念。

所以，我們可以這樣理解，元類就是用來創建這些類（對象）的，元類就是類的類。

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。

那為什么type會全部采用小寫形式而不是Type呢？可能這是為了和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。我們可以通過檢查__class__屬性來看到這一點。

Python中所有的一切都是對象。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__

>>> name = 'bob'

>>> name.__class__

>>> def foo(): pass

>>> foo.__class__

>>> class Bar(object): pass

>>> b = Bar()

>>> b.__class__

現在，對于任何一個__class__的__class__屬性又是什么呢？

>>> age.__class__.__class__

>>> name.__class__.__class__

>>> foo.__class__.__class__

>>> b.__class__.__class__

因此，元類只是創建類對象的東西。

如果你愿意，你可以稱之為“類工廠”。

type就是Python的內建元類，當然了，你也可以創建自己的元類。

__metaclass__屬性

你可以在創建一個類的時候為其添加__metaclass__屬性。

class Foo(object):

__metaclass__ = something...

[...]

如果按照上面的代碼，引入__metaclass__屬性，Python將使用元類創建類Foo。

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。

又一個例子：

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。

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。

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。

假想一個很簡單的例子，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（某些名字里帶有‘class’的字符串，并不需要是一個class）。所以，我們這里就先以一個簡單的函數作為例子開始。

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

uppercase_attr = {}

for name, val in future_class_attr.items():

if not name.startswith('__'):

uppercase_attr[name.upper()] = val

else:

uppercase_attr[name] = val

# 通過'type'來做類對象的創建

return type(future_class_name, future_class_parents, uppercase_attr)

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

class Foo():

# 我們也可以只在這里定義__metaclass__，這樣就只會作用于這個類中

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

class UpperAttrMetaClass(type):

"""

# 'type'實際上是一個類，就像'str'和'int'一樣 , 所以，你可以從type繼承

# __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__(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)

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):

uppercase_attr = {}

for name, val in future_class_attr.items():

if not name.startswith('__'):

uppercase_attr[name.upper()] = val

else:

uppercase_attr[name] = val

# 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，這并沒有什么特別的。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，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。

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, 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 type.__new__(cls, clsname, 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, 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)

就是這樣，除此之外，關于元類真的沒有別的可說的了。使用到元類的代碼比較復雜，這背后的原因倒并不是因為元類本身，而是因為你通常會使用元類去做一些晦澀的事情，依賴于自省，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：

攔截類的創建

修改類

返回修改之后的類

為什么要用metaclass類而不是函數?

由于__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：

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。

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。

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。

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。

究竟為什么要使用元類？

“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：

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

print(guy.age)

這并不會返回一個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__， 并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。事實上，類本身也是實例，當然，它們是元類的實例。

>>> class Foo(object):

>>> pass

>>> print id(Foo)

54677896

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。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的python中的元类_Python中的元类(metaclass)的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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