Python 中的元类到底是什么?这篇恐怕是最清楚的了

Stella981
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类作为对象

在理解元类之前,您需要掌握 Python 的类。Python 从 Smalltalk 语言中借用了一个非常特殊的类概念。

在大多数语言中,类只是描述如何产生对象的代码段。在 Python 中也是如此:

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

>>> my_object = ObjectCreator()
>>> print(my_object)
<__main__.ObjectCreator object at 0x8974f2c>

但是Python的类更甚。在Python中,Python的类也是对象。

对的,也是对象。

一旦使用关键字class,Python 就会执行它并创建一个对象。示例代码:

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

如上代码在内存中创建一个名称为 “ObjectCreator” 的对象。

这个对象(类)本身具有创建对象(实例)的能力,这就是为什么它也是一个类

但是,它仍然是一个对象,因为:

  • 您可以将其分配给变量
  • 你可以复制它
  • 您可以为其添加属性
  • 您可以将其作为函数参数传递

例如:

>>> print(ObjectCreator) # 你可以打印一个类,因为它是一个对象
<class '__main__.ObjectCreator'>
>>> def echo(o):
...       print(o)
...
>>> echo(ObjectCreator) # 可以将类作为参数传递
<class '__main__.ObjectCreator'>
>>> print(hasattr(ObjectCreator, 'new_attribute'))
False
>>> ObjectCreator.new_attribute = 'foo' # 可以向类添加属性
>>> print(hasattr(ObjectCreator, 'new_attribute'))
True
>>> print(ObjectCreator.new_attribute)
foo
>>> ObjectCreatorMirror = ObjectCreator # 可以为变量指定类
>>> print(ObjectCreatorMirror.new_attribute)
foo
>>> print(ObjectCreatorMirror())
<__main__.ObjectCreator object at 0x8997b4c>

动态创建类

由于类是对象,因此您可以像创建任何对象一样即时创建它们。

首先,您可以使用class以下方法在函数中创建一个类:

>>> def choose_class(name):
...     if name == 'foo':
...         class Foo(object):
...             pass
...         return Foo # 返回类,而不是一个实例
...     else:
...         class Bar(object):
...             pass
...         return Bar
...
>>> MyClass = choose_class('foo')
>>> print(MyClass) # 函数返回一个类,而不是一个实例
<class '__main__.Foo'>
>>> print(MyClass()) # 你可以从这个类创建一个对象
<__main__.Foo object at 0x89c6d4c>

但这并不是那么动态,因为您仍然必须自己编写整个类。

由于类是对象,因此它们必须由某种东西生成。

使用class关键字时,Python 会自动创建此对象。但是,与 Python 中的大多数事情一样,它为您提供了一种手动进行操作的方法。

还记得功能type吗?这个函数可以让您知道对象的类型:

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

嗯,type具有完全不同的功能,它也可以动态创建类。type可以将类的描述作为参数,并返回一个类。

(我知道,根据传递给它的参数,同一个函数可以有两种完全不同的用法是很愚蠢的。由于 Python 中的向后兼容性,这是一个问题)

type 用法:

type(name, bases, attrs)

参数:

  • **name**:Class名称
  • **bases**:父类的元组(对于继承,可以为空)
  • **attrs**:包含属性名称和值的字典

例如:

>>> class MyShinyClass(object):
...       pass

可以通过以下方式手动创建:

>>> MyShinyClass = type('MyShinyClass', (), {}) # 返回一个类对象
>>> print(MyShinyClass)
<class '__main__.MyShinyClass'>
>>> print(MyShinyClass()) # 创建类的实例
<__main__.MyShinyClass object at 0x8997cec>

您会注意到,我们使用 “MyShinyClass” 作为类的名称和变量来保存类引用。

type接受字典来定义类的属性。所以:

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

可以转化为:

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

并用作普通类:

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

当然,您可以从中继承,因此:

>>>   class FooChild(Foo):
...         pass

将是:

>>> FooChild = type('FooChild', (Foo,), {})
>>> print(FooChild)
<class '__main__.FooChild'>
>>> print(FooChild.bar) # bar is inherited from Foo
True

最终,您需要向类中添加方法。只需定义具有适当签名的函数并将其分配为属性即可。

>>> 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

在动态创建类之后,您可以添加更多方法,就像将方法添加到正常创建的类对象中一样。

>>> def echo_bar_more(self):
...       print('yet another method')
...
>>> FooChild.echo_bar_more = echo_bar_more
>>> hasattr(FooChild, 'echo_bar_more')
True

最终您会看到我们要表达的内容:在 Python 中,类是对象,您可以动态动态地创建一个类。

这是 Python 在使用关键字class时所做的,并且是通过使用元类来完成的。

什么是元类(最终)

元类是创建类的 “东西”。

您定义类是为了创建对象,对吗?

但是我们了解到 Python 类是对象。

好吧,元类就是创建这些对象的原因。它们是类的类,您可以通过以下方式描绘它们:

MyClass = MetaClass()
my_object = MyClass()

您已经看到,type您可以执行以下操作:

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

这是因为该函数type实际上是一个元类。typePython 用于在幕后创建所有类的元类

现在,您想知道为什么用小写而不是小写Type

好吧,我想这与str创建字符串对象int的类和创建整数对象的类的一致性有关。type只是创建类对象的类。

您可以通过检查__class__属性来看到。

一切,我的意思是一切,都是 Python 中的对象。其中包括整数,字符串,函数和类。它们都是对象。所有这些都是从一个类创建的:

>>> 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'>

现在,什么是__class__任何__class__

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

因此,元类只是创建类对象的东西。

如果愿意,可以将其称为 “类工厂”。

type 是 Python 使用的内置元类,但是您当然可以创建自己的元类。

__metaclass__属性

在 Python 2 中,您可以__metaclass__在编写类时添加属性(有关 Python 3 语法,请参见下一部分):

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

如果这样做,Python 将使用元类创建类Foo

小心点,这很棘手。

class Foo(object)先编写,但Foo尚未在内存中创建类对象。

Python 将__metaclass__在类定义中寻找。如果找到它,它将使用它来创建对象类Foo。如果没有,它将 type用于创建类。

读几次。

当您这样做时:

class Foo(Bar):
    pass

Python 执行以下操作:

中有__metaclass__属性Foo吗?

如果是的话,在内存中创建一个类对象(我说的是类对象,陪在我身边在这里),名称Foo使用是什么__metaclass__

如果 Python 找不到__metaclass__,它将__metaclass__在 MODULE 级别上查找,并尝试执行相同的操作(但仅适用于不继承任何内容的类,基本上是老式的类)。

然后,如果根本找不到任何对象__metaclass__,它将使用Bar的(第一个父对象)自己的元类(可能是默认值type)创建类对象。

请注意,该__metaclass__属性将不会被继承,父(Bar.__class__)的元类将被继承。如果Bar使用通过(而不是)__metaclass__创建的属性,则子类将不会继承该行为。Bar``type()``type.__new__()

现在最大的问题是,您可以输入__metaclass__什么?

答案是:可以创建类的东西。

什么可以创建一个类?type,或任何继承或使用它的内容。

Python 3 中的元类

设置元类的语法在 Python 3 中已更改:

class Foo(object, metaclass=something):
    ...

__metaclass__不再使用该属性,而在基类列表中使用关键字参数。

但是,元类的行为基本保持不变

在 python 3 中添加到元类的一件事是,您还可以将属性作为关键字参数传递给元类,如下所示:

class Foo(object, metaclass=something, kwarg1=value1, kwarg2=value2):
    ...

为什么要使用元类?

现在是个大问题。为什么要使用一些晦涩的易错功能?

好吧,通常您不会:

元类是更深层的魔术,99%的用户永远不必担心。如果您想知道是否需要它们,则不需要(实际上需要它们的人肯定会知道他们需要它们,并且不需要解释原因)。

Python 大师 Tim Peters

元类的主要用例是创建 API。一个典型的例子是 Django ORM。它允许您定义如下内容:

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

但是,如果您这样做:

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

它不会返回IntegerField对象。它将返回int,甚至可以直接从数据库中获取它。

这是可能的,因为models.Modeldefine __metaclass__并使用了一些魔术,这些魔术将使Person您使用简单语句定义的对象变成与数据库字段的复杂挂钩。

Django 通过公开一个简单的 API 并使用元类,从该 API 重新创建代码来完成幕后的实际工作,使看起来复杂的事情变得简单。

最后一点

首先,您知道类是可以创建实例的对象。

实际上,类本身就是元类的实例。

>>> class Foo(object): pass
>>> id(Foo)

一切都是 Python 中的对象,它们都是类的实例或元类的实例。

除了type

type实际上是它自己的元类。

其次,元类很复杂。您可能不希望将它们用于非常简单的类更改。您可以使用两种不同的技术来更改类:

99%的时间,您需要更改类,最好使用这些。

但是 98%的时间根本不需要更改类。

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