關(guān)于Python 黑魔法 metaclass 的兩種極端觀點(diǎn)：

• 這種特性太牛逼了，是無(wú)所不能的阿拉丁神燈，必須找機(jī)會(huì)用上才能顯示自己的 Python 實(shí)力。
• 這個(gè)特性太危險(xiǎn)，會(huì)蠱惑人心去濫用，一旦打開(kāi)就會(huì)釋放惡魔，讓代碼難以維護(hù)。

今天我們就來(lái)看看，metaclass 到底是阿拉丁神燈，還是潘多拉魔盒。

一、什么是 metaclass

很多書(shū)都會(huì)翻譯成 元類(lèi)，僅從字面理解， meta 的確是元，本源，翻譯沒(méi)毛病。但理解時(shí)，應(yīng)該把元理解為描述數(shù)據(jù)的超越數(shù)據(jù)，事實(shí)上，metaclass 的 meta 起源于希臘詞匯 meta，包含兩種意思：

• “Beyond”，例如技術(shù)詞匯 metadata，意思是描述數(shù)據(jù)的超越數(shù)據(jù)。
• “Change”，例如技術(shù)詞匯 metamorphosis，意思是改變的形態(tài)。

因此可以理解為 metaclass 為描述類(lèi)的超類(lèi)，同時(shí)可以改變子類(lèi)的形態(tài)。你可能會(huì)問(wèn)了，這和元數(shù)據(jù)的定義差不多么，這種特性在編程中有什么用？

用處非常大。在沒(méi)有 metaclass 的情況下，子類(lèi)繼承父類(lèi)，父類(lèi)是無(wú)法對(duì)子類(lèi)執(zhí)行操作的，但有了 metaclass，就可以對(duì)子類(lèi)進(jìn)行操作，就像裝飾器那樣可以動(dòng)態(tài)定制和修改被裝飾的類(lèi)，metaclass 可以動(dòng)態(tài)的定制或修改繼承它的子類(lèi)。

二、metaclass 能解決什么問(wèn)題？

你已經(jīng)知道了 metaclass 可以像裝飾器那樣定制和修改繼承它的子類(lèi)，這里就說(shuō)下它能解決什么實(shí)際問(wèn)題。比方說(shuō)，在一個(gè)智能語(yǔ)音助手的大型項(xiàng)目中，我們有 1 萬(wàn)個(gè)語(yǔ)音對(duì)話場(chǎng)景，每一個(gè)場(chǎng)景都是不同團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的。作為智能語(yǔ)音助手的核心團(tuán)隊(duì)成員，你不可能去了解每個(gè)子場(chǎng)景的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。

在動(dòng)態(tài)配置實(shí)驗(yàn)不同場(chǎng)景時(shí)，經(jīng)常是今天要實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景 A 和 B 的配置，明天實(shí)驗(yàn) B 和 C 的配置，光配置文件就有幾萬(wàn)行量級(jí)，工作量不可謂不小。而應(yīng)用這樣的動(dòng)態(tài)配置理念，我就可以讓引擎根據(jù)我的文本配置文件，動(dòng)態(tài)加載所需要的 Python 類(lèi)。

如果你還不是很清楚，那么 YAML 你應(yīng)該知道，它是一個(gè)家喻戶曉的 Python 工具，可以方便地序列化和反序列化數(shù)據(jù)，YAMLObject 可以讓它的任意子類(lèi)支持序列化和反序列化（serialization & deserialization）。

序列化和反序列化：

• 序列化：當(dāng)程序運(yùn)行時(shí)，所有的變量或者對(duì)象都是存儲(chǔ)到內(nèi)存中的，一旦程序調(diào)用完成，這些變量或者對(duì)象所占有的內(nèi)存都會(huì)被回收。而為了實(shí)現(xiàn)變量和對(duì)象持久化的存儲(chǔ)到磁盤(pán)中或在網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行傳輸，我們需要將變量或者對(duì)象轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制流的方式。而將其轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制流的過(guò)程就是序列化。
• 反序列化：而反序列化就是說(shuō)程序運(yùn)行的時(shí)候不能從磁盤(pán)中進(jìn)行讀取，需要將序列化的對(duì)象或者變量從磁盤(pán)中轉(zhuǎn)移到內(nèi)存中，同時(shí)也會(huì)將二進(jìn)制流轉(zhuǎn)換為原來(lái)的數(shù)據(jù)格式。我們把這一過(guò)程叫做反序列化。

現(xiàn)在你有 1 萬(wàn)個(gè)不同格式的 YAML 配置文件，本來(lái)你需要寫(xiě) 1 萬(wàn)個(gè)類(lèi)來(lái)加載這些配置文件，有了 metaclass，你只需要實(shí)現(xiàn)一個(gè) metaclass 超類(lèi)，然后再實(shí)現(xiàn)一個(gè)子類(lèi)繼承這個(gè) metaclass，就可以根據(jù)不同的配置文件自動(dòng)拉取不同的類(lèi)，這極大地提高了效率。

三、通過(guò)一個(gè)實(shí)例來(lái)理解 metaclass

請(qǐng)手動(dòng)在 ipython 中搞代碼，看看每一步都輸出了什么，這樣可以徹底的理解類(lèi)的創(chuàng)建和實(shí)例化步驟。

In[15]: class Mymeta(type):
   ...:     def __init__(self, name, bases, dic):
   ...:         super().__init__(name, bases, dic)
   ...:         print('===>Mymeta.__init__')
   ...:         print(self.__name__)
   ...:         print(dic)
   ...:         print(self.yaml_tag)
   ...: 
   ...:     def __new__(cls, *args, **kwargs):
   ...:         print('===>Mymeta.__new__')
   ...:         print(cls.__name__)
   ...:         return type.__new__(cls, *args, **kwargs)
   ...: 
   ...:     def __call__(cls, *args, **kwargs):
   ...:         print('===>Mymeta.__call__')
   ...:         obj = cls.__new__(cls)
   ...:         cls.__init__(cls, *args, **kwargs)
   ...:         return obj
   ...: 
In[16]: 
In[16]: 
In[16]: class Foo(metaclass=Mymeta):
   ...:     yaml_tag = '!Foo'
   ...: 
   ...:     def __init__(self, name):
   ...:         print('Foo.__init__')
   ...:         self.name = name
   ...: 
   ...:     def __new__(cls, *args, **kwargs):
   ...:         print('Foo.__new__')
   ...:         return object.__new__(cls)
   ...:     
===>Mymeta.__new__
Mymeta
===>Mymeta.__init__
Foo
{'__module__': '__main__', '__qualname__': 'Foo', 'yaml_tag': '!Foo', '__init__': <function Foo.__init__ at 0x0000000007EF3828>, '__new__': <function Foo.__new__ at 0x0000000007EF3558>}
!Foo

In[17]: foo = Foo('foo')
===>Mymeta.__call__
Foo.__new__
Foo.__init__

In[18]:

從上面的運(yùn)行結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)在定義 class Foo() 定義時(shí)，會(huì)依次調(diào)用 MyMeta 的 __new__ 和 __init__ 方法構(gòu)建 Foo 類(lèi)，然后在調(diào)用 foo = Foo() 創(chuàng)建類(lèi)的實(shí)例對(duì)象時(shí)，才會(huì)調(diào)用 MyMeta 的 __call__ 方法來(lái)調(diào)用 Foo 類(lèi)的 __new__ 和 __init__ 方法。

把上面的例子運(yùn)行完之后就會(huì)明白很多了，正常情況下我們?cè)诟割?lèi)中是不能對(duì)子類(lèi)的屬性進(jìn)行操作，但是元類(lèi)可以。換種方式理解：元類(lèi)、裝飾器、類(lèi)裝飾器都可以歸為元編程。

四、Python 底層語(yǔ)言設(shè)計(jì)層面是如何實(shí)現(xiàn) metaclass 的？

要理解 metaclass 的底層原理，你需要深入理解 Python 類(lèi)型模型。下面，將分三點(diǎn)來(lái)說(shuō)明。

1、所有的 Python 的用戶定義類(lèi)，都是 type 這個(gè)類(lèi)的實(shí)例。

可能會(huì)讓你驚訝，事實(shí)上，類(lèi)本身不過(guò)是一個(gè)名為 type 類(lèi)的實(shí)例。在 Python 的類(lèi)型世界里，type 這個(gè)類(lèi)就是造物的上帝。這可以在代碼中驗(yàn)證：

In [2]: # Python 3和Python 2類(lèi)似
   ...: class MyClass:
   ...:   pass
   ...:
   ...: instance = MyClass()
   ...:
in [3]: type(instance)
   ...:
Out[2]: __main__.MyClass
In [4]: type(MyClass)
   ...:
Out[4]: type
In [5]:

你可以看到，instance 是 MyClass 的實(shí)例，而 MyClass 不過(guò)是“上帝” type 的實(shí)例。

2、用戶自定義類(lèi)，只不過(guò)是 type 類(lèi)的 __call__ 運(yùn)算符重載

當(dāng)我們定義一個(gè)類(lèi)的語(yǔ)句結(jié)束時(shí)，真正發(fā)生的情況，是 Python 調(diào)用 type 的 __call__ 運(yùn)算符。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，當(dāng)你定義一個(gè)類(lèi)時(shí)，寫(xiě)成下面這樣時(shí)：

class MyClass:
    data = 1

Python 真正執(zhí)行的是下面這段代碼：

class = type(classname, superclasses, attributedict)

這里等號(hào)右邊的 type(classname, superclasses, attributedict)，就是 type 的 __call__ 運(yùn)算符重載，它會(huì)進(jìn)一步調(diào)用：

type.__new__(typeclass, classname, superclasses, attributedict)
type.__init__(class, classname, superclasses, attributedict)

當(dāng)然，這一切都可以通過(guò)代碼驗(yàn)證，比如

In [5]: class MyClass:
   ...:     data = 1
   ...:
   ...: instance = MyClass()
   ...:

In [6]: MyClass, instance
   ...:
Out[6]: (__main__.MyClass, <__main__.MyClass at 0x4ef5188>)

In [7]: instance.data
   ...:
Out[7]: 1

In [8]: MyClass = type('MyClass', (), {'data': 1})
   ...: instance = MyClass()
   ...:

In [9]: MyClass, instance
   ...:
Out[9]: (__main__.MyClass, <__main__.MyClass at 0x4f40748>)

In [10]: instance.data
    ...:
Out[10]: 1

In [11]:

由此可見(jiàn)，正常的 MyClass 定義，和你手工去調(diào)用 type 運(yùn)算符的結(jié)果是完全一樣的。

3、，“超越變形”正常的類(lèi)

metaclass 是 type 的子類(lèi)，通過(guò)替換 type 的 __call__ 運(yùn)算符重載機(jī)制，“超越變形”正常的類(lèi)

其實(shí)，理解了以上幾點(diǎn)，我們就會(huì)明白，正是 Python 的類(lèi)創(chuàng)建機(jī)制，給了 metaclass 大展身手的機(jī)會(huì)。

一旦你把一個(gè)類(lèi)型 MyClass 的 metaclass 設(shè)置成 MyMeta，MyClass 就不再由原生的 type 創(chuàng)建，而是會(huì)調(diào)用 MyMeta 的 __call__ 運(yùn)算符重載。

class = type(classname, superclasses, attributedict) 
# 變?yōu)榱?
class = MyMeta(classname, superclasses, attributedict)

四、使用 metaclass 的風(fēng)險(xiǎn)

不過(guò)，凡事有利必有弊，尤其是 metaclass 這樣“逆天”的存在。正如你所看到的那樣，metaclass 會(huì)"扭曲變形"正常的 Python 類(lèi)型模型。所以，如果使用不慎，對(duì)于整個(gè)代碼庫(kù)造成的風(fēng)險(xiǎn)是不可估量的。

換句話說(shuō)，metaclass 僅僅是給小部分 Python 開(kāi)發(fā)者，在開(kāi)發(fā)框架層面的 Python 庫(kù)時(shí)使用的。而在應(yīng)用層，metaclass 往往不是很好的選擇。

總結(jié)：

本文從 Python 類(lèi)創(chuàng)建的過(guò)程，幫助你理解 metaclass 的作用。

metaclass 是黑魔法，使用得當(dāng)就是天堂，反之就是地獄。

到此這篇關(guān)于Python黑魔法之metaclass詳情的文章就介紹到這了,更多相關(guān)Python黑魔法之metaclass內(nèi)容請(qǐng)搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！

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