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Python 類與元類的深度挖掘 II【經(jīng)驗(yàn)】

更新時(shí)間：2016年05月06日 11:54:32 作者：rainyear

元類在 Python 中屬于比較深層的黑魔法，在一般的日常應(yīng)用中可能并不常用，但理解其背后的原理對(duì)于理解 Python 面向?qū)ο缶幊桃约耙磺薪詾閷?duì)象的理念很有幫助；如果你需要對(duì)類進(jìn)行深度改造，至少要知道從何入手。

　　上一篇解決了通過(guò)調(diào)用類對(duì)象生成實(shí)例對(duì)象過(guò)程中可能遇到的命名空間相關(guān)的一些問(wèn)題，這次我們向上回溯一層，看看類對(duì)象本身是如何產(chǎn)生的。

　　我們知道 type() 方法可以查看一個(gè)對(duì)象的類型，或者說(shuō)判斷這個(gè)對(duì)象是由那個(gè)類產(chǎn)生的：

　　print(type(12))

　　print(type('python'))

　　class A:

　　pass

　　print(type(A))

　　通過(guò)這段代碼可以看出，類對(duì)象 A 是由type() 產(chǎn)生的，也就是說(shuō) type 也可以用來(lái)產(chǎn)生新的對(duì)象，而且產(chǎn)生的是類對(duì)象，因此它是所有類對(duì)象的類：

　　print(type.__doc__)

　　type(object_or_name, bases, dict)

　　type(object) -> the object's type

　　type(name, bases, dict) -> a new type

　　class 定義類的語(yǔ)法實(shí)際上轉(zhuǎn)化為 type(name, bases, dict)，其中 name 參數(shù)為類的名字，bases 為繼承父類的元組，dict 為類的屬性和方法：

class A:
  pass
# 實(shí)際上等于
B = type('A', (), {})

print(A.__name__ == B.__name__)
True

　　理論上說(shuō)這就是元類的意義，但從實(shí)際的角度出發(fā)顯然使用 class 語(yǔ)法更方便、合理，而元類的實(shí)際意義則是通過(guò)繼承 type 類來(lái)構(gòu)造一個(gè)新的元類，并進(jìn)行特定的操作以產(chǎn)生具有特定行為的類對(duì)象。這樣看來(lái)它的本質(zhì)與普通的類對(duì)象沒(méi)有差異，只不過(guò)繼承的是 type 類。

　　在生成實(shí)例時(shí)是通過(guò)調(diào)用 __init__ 方法進(jìn)行初始化的，而實(shí)際上在此之前會(huì)先調(diào)用 __new__ 方法用于創(chuàng)建實(shí)例，再通過(guò) __init__ 初始化，就好像 __new__ 負(fù)責(zé)聲明變量，而 __init__ 負(fù)責(zé)對(duì)聲明的變量進(jìn)行初始化一樣。這里有一個(gè)規(guī)則是 __new__(cls,) 的返回值必須是 cls 參數(shù)的實(shí)例，否則 __init__ 將不會(huì)觸發(fā)，例如在 enum.Enum 的定義中，由于枚舉類型是單例模式，因此在定義 __new__ 的時(shí)候沒(méi)有返回其實(shí)例，也就不會(huì)進(jìn)行初始化：

class Enum:

　　def __new__(cls, value):

　　print(cls, value)

　　return value

　　def __init__(self):

　　print("Will not be called!")

　　e = Enum(1)

　　 <class '__main__.Enum'> 1

　　通常情況下自己定義 __new__ 需要通過(guò)調(diào)用父類的 __new__ 方法創(chuàng)建一個(gè) cls 的實(shí)例，同樣在定義元類的時(shí)候則是調(diào)用上面提到的 type 的用法(因?yàn)樵惱^承自 type)：

class MetaEnum(type):

　　def __new__(metaclass, name, base, attrs):

　　print("Metaclass: {}\nName: {}\nParents: {}\nAttributes: {}".format(metaclass, name, base, attrs))

　　return super().__new__(metaclass, name, base, attrs)

　　class Enum(metaclass=MetaEnum):

　　# Python 2.7 中定義元類的方法是使用 __metaclass__ 變量

　　# [PEP 3115](https://www.python.org/dev/peps/pep-3115/)

　　# 將 Python 3.0 以后語(yǔ)法改為 class Cls(metaclass=Meta)

　　test = 0

　　Metaclass: 

　　Name: Enum

　　Parents: ()

　　Attributes: {'__qualname__': 'Enum', '__module__': '__main__', 'test': 0}

　　此時(shí)我們?cè)賮?lái)看 Enum 的類，已經(jīng)不再是 type 而是其元類 MetaEnum：

　　type(Enum)

　　__main__.MetaEnum

　　除了 __new__ 方法之外，PEP 3115 還定義了 __prepare__ 屬性，用于設(shè)定初始化的命名空間(即 type 的第 3 個(gè)參數(shù))，還是以 enum.Enum 為例，我們需要限制枚舉類型中屬性名稱不得重復(fù)使用，則可以通過(guò)元類限制類的行為：

　　# 定義新的字典類，在賦值新的 dict[k] = v 時(shí)

　　# 檢查 k 是否重復(fù)

　class _EnumDict(dict):

　　def __init__(self):

　　super().__init__()

　　self.members = []

　　def __setitem__(self, k, v):

　　if k in self.members:

　　raise TypeError("Attempted to reuse key: '{}'".format(k))

　　else:

　　self.members.append(k)

　　super().__setitem__(k, v)

　　class MetaEnum(type):

　　@classmethod

　　def __prepare__(metaclass, cls, bases):

　　return _EnumDict()

　　def __new__(metaclass, name, base, attrs):

　　return super().__new__(metaclass, name, base, attrs)

　　class Enum(metaclass=MetaEnum):

　　pass

　　class Color(Enum):

　　try:

　　red = 1

　　red = 2

　　except TypeError:# 這里沒(méi)有使用 as err: 的原因是?

　　print("TypeError catched")

　　TypeError catched

　　Python 中一切皆為對(duì)象，所有的對(duì)象都是某一類的實(shí)例，或是某一元類的實(shí)例，type 是自己的元類也是自己的實(shí)例

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