详解Python元类

发表于:2017-11-10 15:27  作者:董伟明   来源:51Testing软件测试网采编

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  什么是元类?
  理解元类(metaclass)之前,我们先了解下Python中的OOP和类(Class)。
  面向对象全称 Object Oriented Programming 简称OOP,这种编程思想被大家所熟知。它是把对象作为一个程序的基本单元,把数据和功能封装在里面,能够实现很好的复用性,灵活性和扩展性。OOP中有2个基本概念:类和对象:
  类是描述如何创建一个对象的代码段,用来描述具有相同的属性和方法的对象的集合,它定义了该集合中每个对象所共有的属性和方法
  对象是类的实例(Instance)。
  我们举个例子:
  In : class ObjectCreator(object):
  ...:     pass
  ...:
  In : my_object = ObjectCreator()
  In : my_object
  Out: <__main__.ObjectCreator at 0x1082bbef0>
  而Python中的类并不是仅限于此:
  In : print(ObjectCreator)
  <class '__main__.ObjectCreator'>
  ObjectCreator竟然可以被print,所以它的类也是对象!既然类是对象,你就能动态地创建它们,就像创建任何对象那样。我在日常工作里面就会有这种动态创建类的需求,比如在mock数据的时候,现在有个函数func接收一个参数:
  In : def func(instance):
  ...:     print(instance.a, instance.b)
  ...:     print(instance.method_a(10))
  ...:
  正常使用起来传入的instance是符合需求的(有a、b属性和method_a方法),但是当我想单独调试func的时候,需要「造」一个,假如不用元类,应该是这样写:
  In : def generate_cls(a, b):
  ...:     class Fake(object):
  ...:         def method_a(self, n):
  ...:             return n
  ...:     Fake.a = a
  ...:     Fake.b = b
  ...:     return Fake
  ...:
  In : ins = generate_cls(1, 2)()
  In : ins.a, ins.b, ins.method_a(10)
  Out: (1, 2, 10)
  你会发现这不算是「动态创建」的:
  类名(Fake)不方便改变
  要创建的类需要的属性和方法越多,就要对应的加码,不灵活。
  我平时怎么做呢:
  In : def method_a(self, n):
  ...:     return n
  ...: 
  In : ins = type('Fake', (), {'a': 1, 'b': 2, 'method_a': method_a})()
  In : ins.a, ins.b, ins.method_a(10)
  Out: (1, 2, 10)
  到了这里,引出了type函数。本来它用来能让你了解一个对象的类型:
  In : type(1)
  Out: int
  In : type('1')
  Out: str
  In : type(ObjectCreator)
  Out: type
  In : type(ObjectCreator())
  Out: __main__.ObjectCreator
  另外,type如上所说还可以动态地创建类:type可以把对于类的描述作为参数,并返回一个类。
  用来创建类的东东就是「元类」,放张图吧:
  MyClass = type('MyClass', (), {})
  这种用法就是由于type实际上是一个元类,作为元类的type在Python中被用于在后台创建所有的类。在Python语言上有个说法「Everything is an object」。包括整数、字符串、函数和类... 所有这些都是对象。所有这些都是由一个类创建的:
  In : age = 35
  In : age.__class__
  Out: int
  In : name = 'bob'
  In : name.__class__
  Out: str
  ...
  现在,任何__class__中的__class__是什么?
  In : age.__class__.__class__
  Out: type
  In : name.__class__.__class__
  Out: type
  ...
  如果你愿意,你可以把type称为「类工厂」。type是Python中内建元类,当然,你也可以创建你自己的元类。
  创建自己的元类
  Python2创建类的时候,可以添加一个__metaclass__属性:
  class Foo(object):
      __metaclass__ = something...
      [...]
  如果你这样做,Python会使用元类来创建Foo这个类。Python会在类定义中寻找__metaclass__。如果找到它,Python会用它来创建对象类Foo。如果没有找到它,Python将使用type来创建这个类。
  在Python3中语法改变了一下:
  class Simple1(object, metaclass=something...):
      [...]
  本质上是一样的。拿一个4年前写分享的元类例子(就是为了推荐你来阅读 ??我的PPT:《Python高级编程》(https://github.com/dongweiming/Expert-Python) )吧:
  class HelloMeta(type):
      def __new__(cls, name, bases, attrs):
          def __init__(cls, func):
              cls.func = func
          def hello(cls):
              print 'hello world'
          t = type.__new__(cls, name, bases, attrs)
          t.__init__ = __init__
          t.hello = hello
          return t
  class New_Hello(object):
      __metaclass__ = HelloMeta
  New_Hello初始化需要添加一个参数,并包含一个叫做hello的方法:
  In : h = New_Hello(lambda x: x)
  In : h.func(10), h.hello()
  hello world
  Out: (10, None)
  PS: 这个例子只能运行于Python2。
  在Python里__new__方法创建实例,__init__负责初始化一个实例。对于type也是一样的效果,只不过针对的是「类」,在上面的HelloMeta中只使用了__new__创建类,我们再感受一个使用__init__的元类:
  In : class HelloMeta2(type):
  ...:     def __init__(cls, name, bases, attrs):
  ...:         super(HelloMeta2, cls).__init__(name, bases, attrs)
  ...:         attrs_ = {}
  ...:         for k, v in attrs.items():
  ...:             if not k.startswith('__'):
  ...:                 attrs_[k] = v
  ...:         setattr(cls, '_new_dict', attrs_)
  ...:
  ...:
  别往下看。思考下这样创建出来的类有什么特殊的地方?
  我揭晓一下(这次使用Python 3语法):
  In : class New_Hello2(metaclass=HelloMeta2):
  ...:     a = 1
  ...:     b = True
  In : New_Hello2._new_dict
  Out: {'a': 1, 'b': True}
  In : h2 = New_Hello2()
  In : h2._new_dict
  Out: {'a': 1, 'b': True}
  有点明白么?其实就是在创建类的时候把类的属性循环了一遍把不是__开头的属性最后存在了_new_dict上。
  什么时候需要用元类?
  日常的业务逻辑开发是不太需要使用到元类的,因为元类是用来拦截和修改类的创建的,用到的场景很少。我能想到最典型的场景就是 ORM。ORM就是「对象 关系 映射」的意思,简单的理解就是把关系数据库的一张表映射成一个类,一行记录映射为一个对象。ORM框架中的Model只能动态定义,因为这个模式下这些关系只能是由使用者来定义,元类再配合描述符就可以实现ORM了。
  在这里先做个预告,未来我会分享「如何写一个ORM」这个主题。

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