Python元类之由浅入深

前言

​ 元类属于python面向对象编程的深层次的魔法，非常重要，它使我们可以更好的掌控类从创建到消亡的整个生命周期过程。很多框架的源码中都使用到了元类。例如 Django Framework 中的 ORM engine.

白类 === 普通的自定义类

什么是元类

面向对象编程最重要的一句话：一切皆对象 过去我们都 是这样创建类的:

class Panda(object):
    hobby= "study python"
    def __init__(self, name, age):  # initialize
        self.name = name
        self.age  = age

    def __str__(self):              # format 
        return "My name=%s, age=%s"%(self.name, self.age)

然后再实例化获得 对象

suosuo = Panda("suosuo", 120)
print(suosuo)            # "My name=suosuo, age=120"
print(type(suosuo))      # <class '__main__.Panda'>

都说了一切皆对象，那请问 类：<class '__main__.Panda'> 也该是一个对象吧！

答：没错，创建这个 Panda 类 的 类 我们称之为 元类， 也就是 这个 Panda 类是元类实例化得到的结果对象。

print(type(Panda))      # <class 'type'>   , 即默认的唯一一个内置元类 叫 type

class 关键字创建 类 的流程分析

以前我们只知道如何使用类， 现在有必要分析底层原理。手动创建一个 类

class 关键字创建类时，必然代替我们调用了元类 Panda = type(.....), 调用时传入的参数是啥呢?

一个类有三个关键组成部分，分别是：

1. 类名 class_name = "Panda"
2. 基类们 class_bases = (object, )
3. 类的名称空间 class_dic,---> 是由执行类体代码决定的

自定义元类 手动创建白类 Panda :

​ 一个类没有声明自己的元类，语言底层自动指定默认元类就是 type,

当然我们可以自定义元类------》通过继承 type 元类的方式。然后使用 metaclass 关键字为一个 白类 指定元类

class Mymeta(type):       # 只有继承了type类才能称之为一个元类，否则就是一个普通的自定义类
    pass

class Panda(object,metaclass=Mymeta):  # Panda = Mytype("Panda", (object,),{......})
    hobby= "study python"
    def __init__(self, name, age):
        self.name = name
        self.age  = age

    def __str__(self):
        return "My name=%s, age=%s"%(self.name, self.age)

自定义元类可以控制白类的产生过程，白类的产生过程其实就是元类调用自身 __new__(...) 方法的过程：

class Mymeta(type):     # 只有继承了type类才能称之为一个元类，否则就是一个普通的自定义类
    def __new__(cls, class_name, class_bases, class_dic):  # def __new__(cls, *args, **kwargs):
        print(Mymeta)      # <class '__main__.Mymeta'>
        print(cls)         # <class '__main__.Mymeta'>
        print(class_name)  # Panda
        print(class_bases) # (<class 'object'>,)
        print(class_dic)   # {'__module__': '__main__', '__qualname__': 'Panda', 'hobby': 'study python', '__init__': <function Panda.__init__ at 0x02AB3780>,
        return super(Mymeta, cls).__new__(cls, class_name, class_bases, class_dic)   # 重用父类的功能
      # return super(Mymeta, cls).__new__(cls, *args, **kwargs)
    def __init__(self, class_name, class_bases, class_dic):  # 必须为 4 个参数，做自定制的
        print(self)       # <class '__main__.Panda'>  注意这里，注意这里， 注意这里
        super(Mymeta, self).__init__(class_name, class_bases, class_dic)             # 重用父类的功能

        if class_name.islower():
            raise TypeError('类名%s请修改为驼峰体' %class_name)

        if '__doc__' not in class_dic or len(class_dic['__doc__'].strip(' 
')) == 0:
            raise TypeError('类中必须有文档注释，并且文档注释不能为空')

class Panda(object,metaclass=Mymeta):  # Panda = Mytype("Panda", (object,),{......})
    """ 类 Panda 的文档注释  """
    hobby= "study python"
    def __init__(self, name, age):
        self.name = name
        self.age  = age

    def __str__(self):
        return "My name=%s, age=%s"%(self.name, self.age)
    
suosuo = Panda("suosuo", 120)

需注意以下几点：

1. 三个参数: (类名， 基类们，类的名称空间) 都自动传入自定义元类的 __new__ 和 __init__ 方法。

2. __new__ 方法的 第一个参数 cls = 自定义元类， 而 __init__ 方法 的第一个参数 self = 白类， 也就是此自定义元类

   __new__ 方法 的执行结果。

3. __new__ 方法 必须要有 return 语句， 调用基类的 __new__ 方法， 而 __init__ 可以没有 return 语句 (初始化)

手动控制 白类 实例化 的过程

储备知识: __call__

class Foo:
    def __call__(self, *args, **kwargs):
        print(self)
        print(args)
        print(kwargs)

obj=Foo()
# 1、要想让obj这个对象变成一个可调用的对象，需要在该对象的类中定义一个方法__call__方法，该方法会在调用对象时自动触发
# 2、调用obj的返回值就是__call__方法的返回值
res=obj(1,2,3,x=1,y=2)

由上例得知， 调用一个对象 ----》(对象 + 括号)， 就是触发此对象所在类中的 __call__ 方法的执行。又因为白类 是

元类实例化的对象，故 白类 加 括号 运行 -----》白类 实例化，也必然 触发 元类中的 __call__ 方法

# 测试 ，查看一下关键的几个参数的值
class Mymeta(type):

    def __call__(self, *args, **kwargs):
        print(self)       # <class '__main__.Panda'>
        print(args)	      # ('suosuo',)
        print(kwargs)     # {'age': 120}

class Panda(object,metaclass=Mymeta):  # Panda = Mytype("Panda", (object,),{......})
    hobby= "study python"
    def __init__(self, name, age):
        self.name = name
        self.age  = age

    def __str__(self):
        return "My name=%s, age=%s"%(self.name, self.age)

suosuo = Panda("suosuo", age=120)
print(suosuo)                        # 结果:None , 原因为 元类 __call__ 方法无返回值

注意以下几点：

1. 调用 白类 则自动触发 元类中的 __call__ 方法
2. 元类 __call__ 方法 的 self 为白类，*args 为白类实例化溢出的位置参数，**kwargs 为白类实例化溢出的关键字参数
3. 白类实例化的执行结果 就是 元类 __call__ 方法的返回结果 ，

默认 白类 实例化 Panda("suosuo", age=120) -----》 元类的 __call__ 方法 会做三件事:

1. 产生一个 空 对象 obj
2. 调用 __init__ 方法 初始化 对象 obj
3. 返回 初始化好的 obj

class Mymeta(type): #只有继承了type类才能称之为一个元类，否则就是一个普通的自定义类
    def __call__(self, *args, **kwargs):
        # 1、调用__new__产生一个空对象obj
        obj = self.__new__(self)  # 此处必须传参， self = 白类，代表创建一个白类对象

        # 2、调用__init__初始化空对象obj#
        self.__init__(obj, *args, **kwargs)

        # 3、返回初始化好的对象obj
        return obj

class Panda(object,metaclass=Mymeta):  # Panda = Mytype("Panda", (object,),{......})
    hobby= "study python"
    def __init__(self, name, age):
        print(self)                    # <__main__.Panda object at 0x0106E790> 
        self.name = name
        self.age  = age

suosuo = Panda("suosuo", age=120)  
print(suosuo)                          # <__main__.Panda object at 0x0220E790>

上例 元类的 __call__ 方法 就相当于一个 白类实例化 创建对象的 模板 , 我们 可以在该基础上改写 __call__ 方法的 逻辑

从而 控制 白类 实例化 Panda("suosuo", age=120) 的过程。

比如将 Panda 的 对象的所有属性都变为私有的

class Mymeta(type): #只有继承了type类才能称之为一个元类，否则就是一个普通的自定义类
    def __call__(self, *args, **kwargs):
        # 1、调用__new__产生一个空对象obj
        obj = self.__new__(self)  # 此处必须传参， self = 白类，代表创建一个白类对象

        # 2、调用__init__初始化空对象obj#
        self.__init__(obj, *args, **kwargs)

        # 在初始化之后，obj.__dict__里就有值了
        obj.__dict__ = {'_%s__%s' % (self.__name__, k): v for k, v in obj.__dict__.items()}

        # 3、返回初始化好的对象obj
        return obj

class Panda(object,metaclass=Mymeta):  # Panda = Mytype("Panda", (object,),{......})
    hobby= "study python"
    def __init__(self, name, age):
        print(self)
        self.name = name
        self.age  = age

suosuo = Panda("suosuo", age=120) 
print(suosuo.__dict__)                 # {'_Panda__name': 'suosuo', '_Panda__age': 120}

结合 元类 属性的查找顺序

在学习完元类后，其实我们用class自定义的类也全都是对象（包括object类本身也是元类type的 一个实例，

可以用type(object)查看），我们学习过继承的实现原理，如果把类当成对象去看，

将下述继承应该说成是：对象 Panda 继承对象 Footer，对象 Footer 继承对象Skin，对象 Skin 继承对象object

class Mymeta(type):       #只有继承了type类才能称之为一个元类，否则就是一个普通的自定义类
    n = 444
    def __call__(self, *args, **kwargs):
        obj = self.__new__(self)
        self.__init__(obj, *args, **kwargs)
        return obj        # 必须 有 返回值

class Skin(object):
    n = 333

class Footer(Skin):
    n = 222

class Panda(Footer,metaclass=Mymeta):  # Panda = Mytype("Panda", (object,),{......})
    n = 111
    def __init__(self, name, age):
        self.name = name
        self.age  = age

suosuo = Panda("suosuo", age=120)
print(Panda.n)                        # 注意是 类 属性 

于是属性查找应该分成两层，一层是对象层（基于c3算法的MRO）的查找，另外一个层则是类层（即元类层）的查找

白类类名 查找顺序:

1. 先白类层 Panda--> Footer -->Skin--> object
2. 再元类层 Mymeta--> type

依据上述总结，我们来分析下元类Mymeta中__call__里的self.__new__ 方法的查找

class Mymeta(type): #只有继承了type类才能称之为一个元类，否则就是一个普通的自定义类
    n = 444
    def __call__(self, *args, **kwargs):
        obj = self.__new__(self)
        print(self.__new__ is object.__new__) #True
        self.__init__(obj, *args, **kwargs)
        return obj

class Skin(object):
    n = 333

class Footer(Skin):
    n = 222

class Panda(Footer,metaclass=Mymeta):  # Panda = Mytype("Panda", (object,),{......})
    n = 111
    def __init__(self, name, age):
        self.name = name
        self.age  = age

suosuo = Panda("suosuo", age=120)
print(Panda.n)                        # 注意是 类 属性 

总结，Mymeta下的__call__里的self.__new__在 Panda、Footer、Skin 里都没有找到__new__的情况下，

会去找object里的__new__，而object下默认就有一个__new__，所以即便是之前的类均未实现__new__,

也一定会在object中找到一个，根本不会、也根本没必要再去找元类Mymeta->type中查找__new__

我们在元类的__call__中也可以用object.__new__(self) 去造空对象

但还是推荐在__call__中使用self.__new__（self）去创造空对象，因为这种方式会检索三个类Panda--->Footer--->Skin,而object.__new__则是直接跨过了他们三个

class Mymeta(type): #只有继承了type类才能称之为一个元类，否则就是一个普通的自定义类
    n = 444
    def __new__(self, *args, **kwargs):
        obj=type.__new__(self, *args,**kwargs) # 必须按照这种传值方式
        
#        return obj                           # 只有在返回值是type的对象时，才会触发下面的__init__
        return 123

    def __init__(self,class_name,class_bases,class_dic):
        print('run。。。')

class Panda(object,metaclass=Mymeta):   # Panda = Mytype("Panda", (object,),{......})
    n = 111
    def __new__(self, *args, **kwargs):
#         return super().__new__(self)  # 只有返回是 object的对象时，才会触发下方的__init__方法
    	return 456

    def __init__(self, name, age):
        self.name = name
        self.age  = age

suosuo = Panda("suosuo", age=120)
print(suosuo)                           # 'int' object is not callable                        

注意:

1. 只有 元类的 __new__ 方法只有返回 type 的对象时， 才会触发 元类的 __init__ 方法， 同理。
2. 只有 白类的 __new__ 方法只有返回 object 的对象时， 才会触发 白类的 __init__ 方法
3. type.__new__(cls，class_name, class_bases, class_dic) 必须添加这四个参数， 而 object.__new__(self) 只能添加这一个参数，代表创建谁的对象

练习

练习一：在元类中控制把自定义类的数据属性都变成大写

class Mymetaclass(type):
    def __new__(cls,name,bases,attrs):
        update_attrs={}
        for k,v in attrs.items():
            if not callable(v) and not k.startswith('__'):
                update_attrs[k.upper()]=v
            else:
                update_attrs[k]=v
        return type.__new__(cls,name,bases,update_attrs)

class Chinese(metaclass=Mymetaclass):
    country='China'
    tag='Legend of the Dragon' #龙的传人
    def walk(self):
        print('%s is walking' %self.name)


print(Chinese.__dict__)
'''
{'__module__': '__main__',
 'COUNTRY': 'China', 
 'TAG': 'Legend of the Dragon',
 'walk': <function Chinese.walk at 0x0000000001E7B950>,
 '__dict__': <attribute '__dict__' of 'Chinese' objects>,                                         
 '__weakref__': <attribute '__weakref__' of 'Chinese' objects>,
 '__doc__': None}
'''

练习二：在元类中控制自定义的类无需__init__方法

1. 元类帮其完成创建对象，以及初始化操作；
2. 要求实例化时传参必须为关键字形式，否则抛出异常TypeError: must use keyword argument
3. key作为用户自定义类产生对象的属性，且所有属性变成大写

class Mymetaclass(type):
    # def __new__(cls,name,bases,attrs):
    #     update_attrs={}
    #     for k,v in attrs.items():
    #         if not callable(v) and not k.startswith('__'):
    #             update_attrs[k.upper()]=v
    #         else:
    #             update_attrs[k]=v
    #     return type.__new__(cls,name,bases,update_attrs)

    def __call__(self, *args, **kwargs):
        if args:
            raise TypeError('must use keyword argument for key function')
        obj = object.__new__(self) #创建对象，self为类Foo

        for k,v in kwargs.items():
            obj.__dict__[k.upper()]=v
        return obj

class Chinese(metaclass=Mymetaclass):
    country='China'
    tag='Legend of the Dragon' #龙的传人
    def walk(self):
        print('%s is walking' %self.name)


p=Chinese(name='egon',age=18,sex='male')
print(p.__dict__)

练习三：在元类中控制自定义的类产生的对象相关的属性全部为隐藏属性

class Mymeta(type):
    def __init__(self,class_name,class_bases,class_dic):
        #控制类Foo的创建
        super(Mymeta,self).__init__(class_name,class_bases,class_dic)

    def __call__(self, *args, **kwargs):
        #控制Foo的调用过程，即Foo对象的产生过程
        obj = self.__new__(self)
        self.__init__(obj, *args, **kwargs)
        obj.__dict__={'_%s__%s' %(self.__name__,k):v for k,v in obj.__dict__.items()}

        return obj

class Foo(object,metaclass=Mymeta):  # Foo=Mymeta(...)
    def __init__(self, name, age,sex):
        self.name=name
        self.age=age
        self.sex=sex


obj=Foo('egon',18,'male')
print(obj.__dict__)

练习四: 基于元类实现单例模式

#步骤五：基于元类实现单例模式
# 单例：即单个实例，指的是同一个类实例化多次的结果指向同一个对象，用于节省内存空间
# 如果我们从配置文件中读取配置来进行实例化，在配置相同的情况下，就没必要重复产生对象浪费内存了
#settings.py文件内容如下
HOST='1.1.1.1'
PORT=3306

#方式一:定义一个类方法实现单例模式
import settings

class Mysql:
    __instance=None
    def __init__(self,host,port):
        self.host=host
        self.port=port

    @classmethod
    def singleton(cls):
        if not cls.__instance:
            cls.__instance=cls(settings.HOST,settings.PORT)
        return cls.__instance


obj1=Mysql('1.1.1.2',3306)
obj2=Mysql('1.1.1.3',3307)
print(obj1 is obj2) #False

obj3=Mysql.singleton()
obj4=Mysql.singleton()
print(obj3 is obj4) #True



#方式二：定制元类实现单例模式
import settings

class Mymeta(type):
    def __init__(self,name,bases,dic): #定义类Mysql时就触发

        # 事先先从配置文件中取配置来造一个Mysql的实例出来
        self.__instance = object.__new__(self)  # 产生对象
        self.__init__(self.__instance, settings.HOST, settings.PORT)  # 初始化对象
        # 上述两步可以合成下面一步
        # self.__instance=super().__call__(*args,**kwargs)


        super().__init__(name,bases,dic)

    def __call__(self, *args, **kwargs): #Mysql(...)时触发
        if args or kwargs: # args或kwargs内有值
            obj=object.__new__(self)
            self.__init__(obj,*args,**kwargs)
            return obj

        return self.__instance




class Mysql(metaclass=Mymeta):
    def __init__(self,host,port):
        self.host=host
        self.port=port



obj1=Mysql() # 没有传值则默认从配置文件中读配置来实例化，所有的实例应该指向一个内存地址
obj2=Mysql()
obj3=Mysql()

print(obj1 is obj2 is obj3)

obj4=Mysql('1.1.1.4',3307)



#方式三:定义一个装饰器实现单例模式
import settings

def singleton(cls): #cls=Mysql
    _instance=cls(settings.HOST,settings.PORT)

    def wrapper(*args,**kwargs):
        if args or kwargs:
            obj=cls(*args,**kwargs)
            return obj
        return _instance

    return wrapper


@singleton # Mysql=singleton(Mysql)
class Mysql:
    def __init__(self,host,port):
        self.host=host
        self.port=port

obj1=Mysql()
obj2=Mysql()
obj3=Mysql()
print(obj1 is obj2 is obj3) #True

obj4=Mysql('1.1.1.3',3307)
obj5=Mysql('1.1.1.4',3308)
print(obj3 is obj4) #False

​