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在Python中使用元類的教程

 更新時間:2015年04月28日 10:23:37   作者:廖雪峰  
這篇文章主要介紹了在Python中使用元類的教程,是Python當(dāng)中的基礎(chǔ)知識,代碼基于Python2.x版本,需要的朋友可以參考下

type()

動態(tài)語言和靜態(tài)語言最大的不同,就是函數(shù)和類的定義,不是編譯時定義的,而是運(yùn)行時動態(tài)創(chuàng)建的。

比方說我們要定義一個Hello的class,就寫一個hello.py模塊:

class Hello(object):
  def hello(self, name='world'):
    print('Hello, %s.' % name)

當(dāng)Python解釋器載入hello模塊時,就會依次執(zhí)行該模塊的所有語句,執(zhí)行結(jié)果就是動態(tài)創(chuàng)建出一個Hello的class對象,測試如下:

>>> from hello import Hello
>>> h = Hello()
>>> h.hello()
Hello, world.
>>> print(type(Hello))
<type 'type'>
>>> print(type(h))
<class 'hello.Hello'>

type()函數(shù)可以查看一個類型或變量的類型,Hello是一個class,它的類型就是type,而h是一個實(shí)例,它的類型就是class Hello。

我們說class的定義是運(yùn)行時動態(tài)創(chuàng)建的,而創(chuàng)建class的方法就是使用type()函數(shù)。

type()函數(shù)既可以返回一個對象的類型,又可以創(chuàng)建出新的類型,比如,我們可以通過type()函數(shù)創(chuàng)建出Hello類,而無需通過class Hello(object)...的定義:

>>> def fn(self, name='world'): # 先定義函數(shù)
...   print('Hello, %s.' % name)
...
>>> Hello = type('Hello', (object,), dict(hello=fn)) # 創(chuàng)建Hello class
>>> h = Hello()
>>> h.hello()
Hello, world.
>>> print(type(Hello))
<type 'type'>
>>> print(type(h))
<class '__main__.Hello'>

要創(chuàng)建一個class對象,type()函數(shù)依次傳入3個參數(shù):

  1.     class的名稱;
  2.     繼承的父類集合,注意Python支持多重繼承,如果只有一個父類,別忘了tuple的單元素寫法;
  3.     class的方法名稱與函數(shù)綁定,這里我們把函數(shù)fn綁定到方法名hello上。

通過type()函數(shù)創(chuàng)建的類和直接寫class是完全一樣的,因?yàn)镻ython解釋器遇到class定義時,僅僅是掃描一下class定義的語法,然后調(diào)用type()函數(shù)創(chuàng)建出class。

正常情況下,我們都用class Xxx...來定義類,但是,type()函數(shù)也允許我們動態(tài)創(chuàng)建出類來,也就是說,動態(tài)語言本身支持運(yùn)行期動態(tài)創(chuàng)建類,這和靜態(tài)語言有非常大的不同,要在靜態(tài)語言運(yùn)行期創(chuàng)建類,必須構(gòu)造源代碼字符串再調(diào)用編譯器,或者借助一些工具生成字節(jié)碼實(shí)現(xiàn),本質(zhì)上都是動態(tài)編譯,會非常復(fù)雜。
metaclass

除了使用type()動態(tài)創(chuàng)建類以外,要控制類的創(chuàng)建行為,還可以使用metaclass。

metaclass,直譯為元類,簡單的解釋就是:

當(dāng)我們定義了類以后,就可以根據(jù)這個類創(chuàng)建出實(shí)例,所以:先定義類,然后創(chuàng)建實(shí)例。

但是如果我們想創(chuàng)建出類呢?那就必須根據(jù)metaclass創(chuàng)建出類,所以:先定義metaclass,然后創(chuàng)建類。

連接起來就是:先定義metaclass,就可以創(chuàng)建類,最后創(chuàng)建實(shí)例。

所以,metaclass允許你創(chuàng)建類或者修改類。換句話說,你可以把類看成是metaclass創(chuàng)建出來的“實(shí)例”。

metaclass是Python面向?qū)ο罄镒铍y理解,也是最難使用的魔術(shù)代碼。正常情況下,你不會碰到需要使用metaclass的情況,所以,以下內(nèi)容看不懂也沒關(guān)系,因?yàn)榛旧夏悴粫玫健?/p>

我們先看一個簡單的例子,這個metaclass可以給我們自定義的MyList增加一個add方法:

定義ListMetaclass,按照默認(rèn)習(xí)慣,metaclass的類名總是以Metaclass結(jié)尾,以便清楚地表示這是一個metaclass:

# metaclass是創(chuàng)建類,所以必須從`type`類型派生:
class ListMetaclass(type):
  def __new__(cls, name, bases, attrs):
    attrs['add'] = lambda self, value: self.append(value)
    return type.__new__(cls, name, bases, attrs)

 
class MyList(list):
  __metaclass__ = ListMetaclass # 指示使用ListMetaclass來定制類

當(dāng)我們寫下__metaclass__ = ListMetaclass語句時,魔術(shù)就生效了,它指示Python解釋器在創(chuàng)建MyList時,要通過ListMetaclass.__new__()來創(chuàng)建,在此,我們可以修改類的定義,比如,加上新的方法,然后,返回修改后的定義。

__new__()方法接收到的參數(shù)依次是:

  •     當(dāng)前準(zhǔn)備創(chuàng)建的類的對象;
  •     類的名字;
  •     類繼承的父類集合;
  •     類的方法集合。

測試一下MyList是否可以調(diào)用add()方法:

>>> L = MyList()
>>> L.add(1)
>>> L
[1]

而普通的list沒有add()方法:

>>> l = list()
>>> l.add(1)
Traceback (most recent call last):
 File "<stdin>", line 1, in <module>
AttributeError: 'list' object has no attribute 'add'

動態(tài)修改有什么意義?直接在MyList定義中寫上add()方法不是更簡單嗎?正常情況下,確實(shí)應(yīng)該直接寫,通過metaclass修改純屬變態(tài)。

但是,總會遇到需要通過metaclass修改類定義的。ORM就是一個典型的例子。

ORM全稱“Object Relational Mapping”,即對象-關(guān)系映射,就是把關(guān)系數(shù)據(jù)庫的一行映射為一個對象,也就是一個類對應(yīng)一個表,這樣,寫代碼更簡單,不用直接操作SQL語句。

要編寫一個ORM框架,所有的類都只能動態(tài)定義,因?yàn)橹挥惺褂谜卟拍芨鶕?jù)表的結(jié)構(gòu)定義出對應(yīng)的類來。

讓我們來嘗試編寫一個ORM框架。

編寫底層模塊的第一步,就是先把調(diào)用接口寫出來。比如,使用者如果使用這個ORM框架,想定義一個User類來操作對應(yīng)的數(shù)據(jù)庫表User,我們期待他寫出這樣的代碼:

class User(Model):
  # 定義類的屬性到列的映射:
  id = IntegerField('id')
  name = StringField('username')
  email = StringField('email')
  password = StringField('password')

 
# 創(chuàng)建一個實(shí)例:
u = User(id=12345, name='Michael', email='test@orm.org', password='my-pwd')
# 保存到數(shù)據(jù)庫:
u.save()

其中,父類Model和屬性類型StringField、IntegerField是由ORM框架提供的,剩下的魔術(shù)方法比如save()全部由metaclass自動完成。雖然metaclass的編寫會比較復(fù)雜,但ORM的使用者用起來卻異常簡單。

現(xiàn)在,我們就按上面的接口來實(shí)現(xiàn)該ORM。

首先來定義Field類,它負(fù)責(zé)保存數(shù)據(jù)庫表的字段名和字段類型:

class Field(object):
  def __init__(self, name, column_type):
    self.name = name
    self.column_type = column_type
  def __str__(self):
    return '<%s:%s>' % (self.__class__.__name__, self.name)

在Field的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步定義各種類型的Field,比如StringField,IntegerField等等:

class StringField(Field):
  def __init__(self, name):
    super(StringField, self).__init__(name, 'varchar(100)')

class IntegerField(Field):
  def __init__(self, name):
    super(IntegerField, self).__init__(name, 'bigint')

下一步,就是編寫最復(fù)雜的ModelMetaclass了:

class ModelMetaclass(type):
  def __new__(cls, name, bases, attrs):
    if name=='Model':
      return type.__new__(cls, name, bases, attrs)
    mappings = dict()
    for k, v in attrs.iteritems():
      if isinstance(v, Field):
        print('Found mapping: %s==>%s' % (k, v))
        mappings[k] = v
    for k in mappings.iterkeys():
      attrs.pop(k)
    attrs['__table__'] = name # 假設(shè)表名和類名一致
    attrs['__mappings__'] = mappings # 保存屬性和列的映射關(guān)系
    return type.__new__(cls, name, bases, attrs)

以及基類Model:

class Model(dict):
  __metaclass__ = ModelMetaclass

  def __init__(self, **kw):
    super(Model, self).__init__(**kw)

  def __getattr__(self, key):
    try:
      return self[key]
    except KeyError:
      raise AttributeError(r"'Model' object has no attribute '%s'" % key)

  def __setattr__(self, key, value):
    self[key] = value

  def save(self):
    fields = []
    params = []
    args = []
    for k, v in self.__mappings__.iteritems():
      fields.append(v.name)
      params.append('?')
      args.append(getattr(self, k, None))
    sql = 'insert into %s (%s) values (%s)' % (self.__table__, ','.join(fields), ','.join(params))
    print('SQL: %s' % sql)
    print('ARGS: %s' % str(args))

當(dāng)用戶定義一個class User(Model)時,Python解釋器首先在當(dāng)前類User的定義中查找__metaclass__,如果沒有找到,就繼續(xù)在父類Model中查找__metaclass__,找到了,就使用Model中定義的__metaclass__的ModelMetaclass來創(chuàng)建User類,也就是說,metaclass可以隱式地繼承到子類,但子類自己卻感覺不到。

在ModelMetaclass中,一共做了幾件事情:

  •     排除掉對Model類的修改;
  •     在當(dāng)前類(比如User)中查找定義的類的所有屬性,如果找到一個Field屬性,就把它保存到一個__mappings__的dict中,同時從類屬性中刪除該Field屬性,否則,容易造成運(yùn)行時錯誤;
  •     把表名保存到__table__中,這里簡化為表名默認(rèn)為類名。

在Model類中,就可以定義各種操作數(shù)據(jù)庫的方法,比如save(),delete(),find(),update等等。

我們實(shí)現(xiàn)了save()方法,把一個實(shí)例保存到數(shù)據(jù)庫中。因?yàn)橛斜砻?,屬性到字段的映射和屬性值的集合,就可以?gòu)造出INSERT語句。

編寫代碼試試:

u = User(id=12345, name='Michael', email='test@orm.org', password='my-pwd')
u.save()

輸出如下:

Found model: User
Found mapping: email ==> <StringField:email>
Found mapping: password ==> <StringField:password>
Found mapping: id ==> <IntegerField:uid>
Found mapping: name ==> <StringField:username>
SQL: insert into User (password,email,username,uid) values (?,?,?,?)
ARGS: ['my-pwd', 'test@orm.org', 'Michael', 12345]

可以看到,save()方法已經(jīng)打印出了可執(zhí)行的SQL語句,以及參數(shù)列表,只需要真正連接到數(shù)據(jù)庫,執(zhí)行該SQL語句,就可以完成真正的功能。

不到100行代碼,我們就通過metaclass實(shí)現(xiàn)了一個精簡的ORM框架,完整的代碼從這里下載:

https://github.com/michaelliao/learn-python/blob/master/metaclass/simple_orm.py

最后解釋一下類屬性和實(shí)例屬性。直接在class中定義的是類屬性:

class Student(object):
  name = 'Student'

實(shí)例屬性必須通過實(shí)例來綁定,比如self.name = 'xxx'。來測試一下:

>>> # 創(chuàng)建實(shí)例s:
>>> s = Student()
>>> # 打印name屬性,因?yàn)閷?shí)例并沒有name屬性,所以會繼續(xù)查找class的name屬性:
>>> print(s.name)
Student
>>> # 這和調(diào)用Student.name是一樣的:
>>> print(Student.name)
Student
>>> # 給實(shí)例綁定name屬性:
>>> s.name = 'Michael'
>>> # 由于實(shí)例屬性優(yōu)先級比類屬性高,因此,它會屏蔽掉類的name屬性:
>>> print(s.name)
Michael
>>> # 但是類屬性并未消失,用Student.name仍然可以訪問:
>>> print(Student.name)
Student
>>> # 如果刪除實(shí)例的name屬性:
>>> del s.name
>>> # 再次調(diào)用s.name,由于實(shí)例的name屬性沒有找到,類的name屬性就顯示出來了:
>>> print(s.name)
Student

因此,在編寫程序的時候,千萬不要把實(shí)例屬性和類屬性使用相同的名字。

在我們編寫的ORM中,ModelMetaclass會刪除掉User類的所有類屬性,目的就是避免造成混淆。

 

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