python中的metaclass

首先看下面的代码：

# coding: utf-8

class Test(object):
    pass


print Test.__class__  # type
print Test.__base__   # object

t = Test()
print t.__class__     # Test
print t.__class__.__class__  # type

print Test.__class__.__class__.__class__  # type

a = type('Foo', (), {})
print a  # class Foo

t = a()
print type(t)  # Foo
print t.__class__  # Foo
print t.__class__.__class__  # type

从代码中可以看出：

1. t的__class__，为Test，这是它所属的类
2. Test.class 为type，也就是说，Test这个类也是个对象，他是type这个类的对象。

在Python中，一切都是对象，所以类本身也是对象，类对象所属的类是type类。

那么，Python中的类都是type类的对象，而type类实现了__call__调用，实现__call__的类的对象都可以当做函数一样调用，所以所有的type对象都是函数，也就是说，所有的类都是函数。

以前一直以为type是个函数，但实际上，type本身是个类。

所以，Python中的类型体系可以看成：

type -> Test -> t

而Python中对象的类型可以这样追溯:

t -> Test -> type -> type -> ...

metaclass

我们使用类来创建对象，而Python中可以通过元类来动态创建类。
metaclass可以是一切可以执行的东西，也就是说，可以是函数，也可以是类。

# coding: utf-8

def upper_attrs(class_name, class_parents, class_attrs):

    attrs = {}
    for key in class_attrs:
        if not key.startswith('__'):
            attrs[key.upper()] = class_attrs[key]

    return type(class_name, class_parents, attrs)

class Foo:
    __metaclass__ = upper_attrs
    bar = 'haha'

if __name__ == '__main__':
    print hasattr(Foo, 'bar')
    print hasattr(Foo, 'BAR')

    print type(Foo)

这里我们将upper_attrs当做一个元类，它的作用是将类的属性改为大写。所以Foo中的bar属性改为BAR属性。

metaclass的作用主要是：

1. 拦截类的创建
2. 修改类
3. 返回被修改的类

使用类实现metaclass

# coding: utf-8


class UpperAttrsMeta(object):

    def __new__(metaclass, class_name, class_parents, class_attrs):
        print metaclass
        attrs = {}
        for key in class_attrs:
            if not key.startswith('__'):
                attrs[key.upper()] = class_attrs[key]

        return type(class_name, class_parents, attrs)

class Test:
    __metaclass__ = UpperAttrsMeta

    foo = 'bar'

if __name__ == '__main__':
    print hasattr(Test, 'foo')
    print hasattr(Test, 'FOO')
    t = Test
    print t.FOO
    print type(t)
    print type(Test)
    print type(UpperAttrsMeta)

使用metaclass实现一个简易的ORM

假设我们想实现一个ORM，这样去使用：

class User(Model):
    id = IntegerField('id')
    name = StringField('username')
    email = StringField('email')
    password = StringField('password')

u = User(id=123455, name='haha', email='haha@301.com', password='hhhhh')
u.save()

我们先实现各种Field：

# coding: utf-8

class Field(object):
    def __init__(self, name, column_type):
        self.name = name  # 列名
        self.column_type = column_type  # 列的类型

    def __str__(self):
        # 实质是打印table名称和列名
        return '<%s:%s>' % (self.__class__.__name__, self.name)


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')

Field的主要作用是记录列名和类型之间的关系。就好比 name 和 varchar
上面实现了Field，代表数据类型。下面我们需要实现数据库的table，每种类型我们称为一种model。

下面我们使用metaclass实现model。

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):
                # 记录name -> StringField
                print 'Found mapping: %s->%s' % (k, v)
                mappings[k] = v

        for k in mappings.iterkeys():
            # 防止重复 a.name
            attrs.pop(k)

        attrs['__table__'] = name  # 表名称
        attrs['__mappings__'] = mappings  # 属性和列名的映射关系
        return type.__new__(cls, name, bases, attrs)

上面提过，metaclass的主要作用是拦截类的生成，并进行修改。

这里的ModelMetaClass，将类的属性中定义的 列名和数据类型单独摘取出来，并将它们保存在__mappings__中。
另外，提取出列名和类型后，需要将这些属性去掉。

以User为例，提取完id,name,email和password后，需要将它们删除，因为这四个属性为类属性，根据User定义的对象u也具有这四个属性，此时u.name为StringField对象，这样显然不合理，所以需要将这些属性去掉。

这些属性的唯一价值也是提供给metaclass使用。

下面实现Model：

class Model(dict):
    __metaclass__ = ModelMetaClass

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

    def __getattr__(self, key):
        try:
            return self[key]
        except KeyError:
            raise AttributeError("'%s' object has not Attribute: %s" % (self.__class__.__name__, key))

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

    def save(self):
        fields = []
        params = []
        args = []
        # 注意k 和v.name可能不同 数据库中以v为主
        for k, v in self.__mappings__.iteritems():
            fields.append(v.name)  # 列名
            params.append('?')
            args.append(getattr(self, k, None))
        _fields = ','.join(fields)
        _params = ','.join(params)
        sql = 'insert into %s (%s) value (%s)' % (
            self.__table__, _fields, _params)
        print 'SQL: %s' % sql
        print str(args)

save函数的过程就是根据__mappings__中记录的列名，从dict中提取出值。将其保存在args中。fields中保存的是列名。

运行结果如下：

Found mapping: email-><StringField:email>
Found mapping: password-><StringField:password>
Found mapping: id-><IntegerField:id>
Found mapping: name-><StringField:username>
SQL: insert into User (password,email,username,id) value (?,?,?,?)
['hhhhh', 'haha@301.com', 'haha', 123455]

参考资料：

http://blog.jobbole.com/21351/
http://www.liaoxuefeng.com/wiki/001374738125095c955c1e6d8bb493182103fac9270762a000/001386820064557c69858840b4c48d2b8411bc2ea9099ba000