深入理解Python中的元類(metaclass)
譯注：這是一篇在Stack overflow上很熱的帖子。提問者自稱已經(jīng)掌握了有關(guān)Python OOP編程中的各種概念，但始終覺得元類(metaclass)難以理解。他知道這肯定和自省有關(guān)，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(jìn)行元編程。于是e-satis同學(xué)給出了神一般的回復(fù)，該回復(fù)獲得了985點的贊同點數(shù)，更有人評論說這段回復(fù)應(yīng)該加入到Python的官方文檔中去。而e-satis同學(xué)本人在Stack Overflow中的聲望積分也高達(dá)64271分。以下就是這篇精彩的回復(fù)（提示：非常長）
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(shù)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(yuǎn)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(guān)鍵字class，Python解釋器在執(zhí)行的時候就會創(chuàng)建一個對象。下面的代碼段：
>>> class ObjectCreator(object):
… pass
…
將在內(nèi)存中創(chuàng)建一個對象，名字就是ObjectCreator。這個對象（類）自身擁有創(chuàng)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(zhì)仍然是一個對象，于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(shù)參數(shù)進(jìn)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(shù)傳給函數(shù)
<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(tài)地創(chuàng)建類
因為類也是對象，你可以在運行時動態(tài)的創(chuàng)建它們，就像其他任何對象一樣。首先，你可以在函數(shù)中創(chuàng)建類，使用class關(guān)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(shù)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(chuàng)建類實例，也就是對象
<__main__.Foo object at 0x89c6d4c>
但這還不夠動態(tài)，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(dāng)你使用class關(guān)鍵字時，Python解釋器自動創(chuàng)建這個對象。但就和Python中的大多數(shù)事情一樣，Python仍然提供給你手動處理的方法。還記得內(nèi)建函數(shù)type嗎？這個古老但強大的函數(shù)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(tài)的創(chuàng)建類。type可以接受一個類的描述作為參數(shù)，然后返回一個類。（我知道，根據(jù)傳入?yún)?shù)的不同，同一個函數(shù)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(chuàng)建：
>>> MyShinyClass = type('MyShinyClass', (), {}) # 返回一個類對象
>>> print MyShinyClass
<class '__main__.MyShinyClass'>
>>> print MyShinyClass() # 創(chuàng)建一個該類的實例
<__main__.MyShinyClass object at 0x8997cec>
會發(fā)現(xiàn)我們使用“MyShinyClass”作為類名，并且也可以把它當(dāng)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(fù)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(dāng)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(dāng)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。只需要定義一個有著恰當(dāng)簽名的函數(shù)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
你可以看到，在Python中，類也是對象，你可以動態(tài)的創(chuàng)建類。這就是當(dāng)你使用關(guān)鍵字class時Python在幕后做的事情，而這就是通過元類來實現(xiàn)的。
到底什么是元類
元類就是用來創(chuàng)建類的“東西”。你創(chuàng)建類就是為了創(chuàng)建類的實例對象，不是嗎？但是我們已經(jīng)學(xué)習(xí)到了Python中的類也是對象。好吧，元類就是用來創(chuàng)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(jīng)看到了type可以讓你像這樣做：
MyClass = type('MyClass', (), {})
這是因為函數(shù)type實際上是一個元類。type就是Python在背后用來創(chuàng)建所有類的元類?，F(xiàn)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(chuàng)建字符串對象的類，而int是用來創(chuàng)建整數(shù)對象的類。type就是創(chuàng)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(shù)、字符串、函數(shù)以及類。它們?nèi)慷际菍ο?，而且它們都是從一個類創(chuàng)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(xiàn)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(chuàng)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(nèi)建元類，當(dāng)然了，你也可以創(chuàng)建自己的元類。
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(chuàng)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(nèi)存中創(chuàng)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(chuàng)建類Foo，如果沒有找到，就會用內(nèi)建的type來創(chuàng)建這個類。把下面這段話反復(fù)讀幾次。當(dāng)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(nèi)存中通過metaclass創(chuàng)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(xù)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(nèi)置的type來創(chuàng)建這個類對象。
現(xiàn)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(chuàng)建一個類的東西。那么什么可以用來創(chuàng)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(dāng)創(chuàng)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(chuàng)建符合當(dāng)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(yīng)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(shè)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(chuàng)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(diào)用，它并不需要是一個正式的類（我知道，某些名字里帶有‘class'的東西并不需要是一個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(shù)作為例子開始。
# 元類會自動將你通常傳給‘type'的參數(shù)作為自己的參數(shù)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(chuàng)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(xiàn)在讓我們再做一次，這一次用一個真正的class來當(dāng)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(diào)用的特殊方法
# __new__是用來創(chuàng)建對象并返回之的方法
# 而__init__只是用來將傳入的參數(shù)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(chuàng)建
# 這里，創(chuàng)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(diào)用了type，而且我們沒有改寫父類的new方法?，F(xiàn)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(fù)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(jīng)注意到了有個額外的參數(shù)upperattr_metaclass，這并沒有什么特別的。類方法的第一個參數(shù)總是表示當(dāng)前的實例，就像在普通的類方法中的self參數(shù)一樣。當(dāng)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(shù)都有它們的傳統(tǒng)名稱。因此，在真實的產(chǎn)品代碼中一個元類應(yīng)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(guān)于元類真的沒有別的可說的了。使用到元類的代碼比較復(fù)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(fù)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(chuàng)建
2.修改類
3.返回修改之后的類
為什么要用metaclass類而不是函數(shù)?
由于metaclass可以接受任何可調(diào)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(fù)雜啊？這里有好幾個原因：
1.意圖會更加清晰。當(dāng)你讀到UpperAttrMetaclass(type)時，你知道接下來要發(fā)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(dāng)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(fù)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(wù)。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(xiàn)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(yīng)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(lǐng)袖 Tim Peters
元類的主要用途是創(chuàng)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(shù)據(jù)庫中取出數(shù)據(jù)。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?qū)⒛銊倓偠x的簡單的Person類轉(zhuǎn)變成對數(shù)據(jù)庫的一個復(fù)雜hook。Django框架將這些看起來很復(fù)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(chuàng)建代碼，在背后完成真正的工作。
結(jié)語
首先，你知道了類其實是能夠創(chuàng)建出類實例的對象。好吧，事實上，類本身也是實例，當(dāng)然，它們是元類的實例。
>>>class Foo(object): pass
>>> id(Foo)
142630324
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(huán)境中這可不是你能夠做到的，這是通過在實現(xiàn)層面耍一些小手段做到的。其次，元類是很復(fù)雜的。對于非常簡單的類，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(shù)來修改類：
Monkey patching
class decorators
當(dāng)你需要動態(tài)修改類時，99%的時間里你最好使用上面這兩種技術(shù)。當(dāng)然了，其實在99%的時間里你根本就不需要動態(tài)修改類。
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