第三十八篇 面向对象之 元类

一.药引子

class Foo:
     pass

f1=Foo() #f1是通过Foo类实例化的对象

# type()作用：看一个对象 是由哪一个类产生的
print(type(f1))   # <class '__main__.Foo'>  是由Foo这个类产生的

# Foo本身也是一个对象，那type()也可以看下Foo是由哪个类产生的。
print(type(Foo))  #  <class 'type'>   是由 type 这个类产生的。 所以产生类的那个类就是type()

二. 什么是元类

一切源自于一句话：python中一切皆为对象。

元类就是类的类，即产生类的那个类，换句话说，就是产生类的模板。（Foo是f1实例的模板，类是对象的模板；type是Foo的模板）。

元类是用来控制如何创建类的，正如类是创建对象的模板一样。

元类的实例为类，正如类的实例为对象(f1对象是Foo类的一个实例，Foo类是type类的一个实例）

type是Python的一个内建元类，用来直接控制生成类，Python中任何class定义的类其实都是type类实例化的对象。

三. 类的两种创建方式

1. 已经接触很久的常规方式

class Foo:
    def __init__(self,name, age):
        self.name = name
        self.age = age
        
    def func(self):
        pass

2. 通过元类（type）创建

type 创建类，有三个参数：
1. 类的名字：字符串形式
2. 类继承于谁，新式类默认继承于object；类可以继承于多个其他类，所以要写成元组的形式:（object,)
3. 类的属性：属性都放在字典里：{'x':1}

NewClass = type('NewClass',(object,),{'x':1})
print(NewClass)
# <class '__main__.NewClass'>

print(NewClass.__dict__)
#{'x': 1, '__module__': '__main__', '__dict__': <attribute '__dict__' of 'NewClass' objects>, '__weakref__': <attribute '__weakref__' of 'NewClass' objects>, '__doc__': None}

# 实例化
n1 = NewClass()

# 调用类属性
print(n1.x)
# 1

类里面除了数据属性，还有方法属性，下面接着定义方法属性。

要知道，属性最后都存在了类的属性字典里，所以，定义的属性也是要加到属性字典里的

# 先在外面定义构造函数和 类的函数属性
def __init__(self,name,age):
    self.name = name
    self.age = age

def say_hi(self):
    return "{} say hello to you".format(self.name)

# 然后在实例化类的时候讲构造函数和函数属性在字典里
# 记住，要传的是一个内存地址哦。如'__init__':__init__ 中冒号后面的__init__表示内存地址
NewClass = type('NewClass',(object,),{'x':1, '__init__':__init__,'say_hi':say_hi})
print(NewClass)
# <class '__main__.NewClass'>

print(NewClass.__dict__)
# {'x': 1, '__init__': <function __init__ at 0x0133A618>, 
# # 'say_hi': <function say_hi at 0x015B0A50>, '__module__': '__main__', 
# '__dict__': <attribute '__dict__' of 'NewClass' objects>, 
# '__weakref__': <attribute '__weakref__' of 'NewClass' objects>, '__doc__': None}

# 实例化
n1 = NewClass('alex',18)

# 调用类属性
print(n1.x)
# 1

# 调用函数属性
print(n1.say_hi())
# alex say hello to you

 class关键字创建类的流程分析

其实上面已经分析出来了，再啰嗦的总结一下，加强印象：

上文我们基于python中一切皆为对象的概念分析出：我们用class关键字定义的类本身也是一个对象，负责产生该对象的类称之为元类（元类可以简称为类的类），内置的元类为type

class关键字在帮我们创建类时，必然帮我们调用了元类OldboyTeacher=type(...)，那调用type时传入的参数是什么呢？必然是类的关键组成部分，一个类有三大组成部分，分别是

1、类名class_name='OldboyTeacher'

2、基类们class_bases=(object,)

3、类的名称空间class_dic，类的名称空间是执行类体代码而得到的

调用type时会依次传入以上三个参数

综上，class关键字帮我们创建一个类应该细分为以下四个过程

#exec：三个参数

#参数一：包含一系列python代码的字符串

#参数二：全局作用域（字典形式），如果不指定，默认为globals()

#参数三：局部作用域（字典形式），如果不指定，默认为locals()

#可以把exec命令的执行当成是一个函数的执行，会将执行期间产生的名字存放于局部名称空间中
g={
    'x':1,
    'y':2
}
l={}

exec('''
global x,z
x=100
z=200

m=300
''',g,l)

print(g) #{'x': 100, 'y': 2,'z':200,......}
print(l) #{'m': 300}

 3. 一个类没有声明自己的元类，默认它的元类就是type，除了使用元类type，用户也可以通过继承type来自定义元类（顺便也可以看一看元类如何控制类的创建，工作流程是什么）

Step1.自定义元类

# 定义一个元类 MyType
class MyType(type):
    # 构造函数，实例化需要接收4个参数，验证分别接收的是哪四个参数？
    def __init__(self,a,b,c):
        print("元类的构造函数执行了")
        print(a)  # Foo
        print(b)  # ()
        print(c)  # {'__module__': '__main__', '__qualname__': 'Foo', '__init__': <function Foo.__init__ at 0x01680AE0>}


# metaclass=MyType声明使用的元类是谁？
# Foo=MyTpey(self,'Foo',(),{}) 这就是传递的4个参数
# self:指的就是Foo
# ()没写，其实就是(object,)
# 跟使用type（）创建类一样，也是要传递四个参数

#这一步做的事：相当于传递参数给元类MyType，返回一个类对象Foo,赋值给Foo
class Foo(metaclass=MyType):  
    def __init__(self,name):
        self.name = name

 Step2.实例化Foo会产生什么？

f1 = Foo('alex')
# TypeError: 'MyType' object is not callable
# 因为Foo加()就是在呼叫MyType类里的__call__方法，但是MyType类里还没有定义__call__方法，
# 所以会报错
# 为什么不自定义元类时，直接使用type模板的时候，不报错呢，因为，type模板里定义了__call__方法

在MyType自定义元类里实现__call__方法，供实例化Foo的时候调用，然后封装对象的属性给属性字典

class MyType(type):
    def __init__(self,*args,**kwargs):  # 将接收的参数写成可变长参数
        print("元类的构造函数执行了")

    def __call__(self,*args,**kwargs):
        # 看下__call__的self参数是谁？就是Foo类
        print(self)   # <class '__main__.Foo'>
        # 实例化Foo时，新生成一个对象，然后赋值给obj,因为所有的对象都是继承于object，所以
        # 1.基于object生成一个新的对象
        obj=object.__new__(self)  # object.__new__(Foo)  --f1
        # 2. 将obj的属性封装在obj的属性字典里
        self.__init__(obj,*args,**kwargs)  # Foo.__init__(f1,*args,**kwargs)
        # 3. 然后返回obj,其实就是f1实例了
        return obj

class Foo(metaclass=MyType):  # 声明使用的元类是谁. # Foo=MyTpey(self,'Foo',(),{}) 这就是传递的4个参数
    def __init__(self,name):
        self.name = name


f1 = Foo('alex')
print(f1.__dict__)
# {'name': 'alex'}

# TypeError: 'MyType' object is not callable
# 因为Foo加()就是在呼叫MyType类里的__call__方法，但是MyType类里还没有定义__call__方法，
# 所以会报错

四. 更多的例子看元类（转自老男孩linhaifeng的blog，thanks haifeng老师的贡献）

 4.1 自定义元类控制类OldboyTeacher的创建

 一个类没有声明自己的元类，默认他的元类就是type，除了使用内置元类type，我们也可以通过继承type来自定义元类，然后使用metaclass关键字参数为一个类指定元类

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 OldboyTeacher(object,metaclass=Mymeta): # OldboyTeacher=Mymeta('OldboyTeacher',(object),{...})
    school='oldboy'

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

    def say(self):
        print('%s says welcome to the oldboy to learn Python' %self.name)

自定义元类可以控制类的产生过程，类的产生过程其实就是元类的调用过程,即OldboyTeacher=Mymeta('OldboyTeacher',(object),{...})，调用Mymeta会先产生一个空对象OldoyTeacher，然后连同调用Mymeta括号内的参数一同传给Mymeta下的__init__方法，完成初始化，于是我们可以

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 __init__(self,class_name,class_bases,class_dic):
        # print(self) #<class '__main__.OldboyTeacher'>
        # print(class_bases) #(<class 'object'>,)
        # print(class_dic) #{'__module__': '__main__', '__qualname__': 'OldboyTeacher', 'school': 'oldboy', '__init__': <function OldboyTeacher.__init__ at 0x102b95ae8>, 'say': <function OldboyTeacher.say at 0x10621c6a8>}
        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 OldboyTeacher(object,metaclass=Mymeta): # OldboyTeacher=Mymeta('OldboyTeacher',(object),{...})
    """
    类OldboyTeacher的文档注释
    """
    school='oldboy'

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

    def say(self):
        print('%s says welcome to the oldboy to learn Python' %self.name)

4.2 自定义元类控制类OldboyTeacher的调用

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，就是触发对象所在类中的__call__方法的执行，如果把OldboyTeacher也当做一个对象，那么在OldboyTeacher这个对象的类中也必然存在一个__call__方法

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):
        print(self) #<class '__main__.OldboyTeacher'>
        print(args) #('egon', 18)
        print(kwargs) #{}
        return 123

class OldboyTeacher(object,metaclass=Mymeta):
    school='oldboy'

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

    def say(self):
        print('%s says welcome to the oldboy to learn Python' %self.name)



# 调用OldboyTeacher就是在调用OldboyTeacher类中的__call__方法
# 然后将OldboyTeacher传给self,溢出的位置参数传给*，溢出的关键字参数传给**
# 调用OldboyTeacher的返回值就是调用__call__的返回值
t1=OldboyTeacher('egon',18)
print(t1) #123

默认地，调用t1=OldboyTeacher('egon',18)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

对应着，OldboyTeacher类中的__call__方法也应该做这三件事

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): #self=<class '__main__.OldboyTeacher'>
        #1、调用__new__产生一个空对象obj
        obj=self.__new__(self) # 此处的self是类OldoyTeacher，必须传参，代表创建一个OldboyTeacher的对象obj

        #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 OldboyTeacher(object,metaclass=Mymeta):
    school='oldboy'

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

    def say(self):
        print('%s says welcome to the oldboy to learn Python' %self.name)

t1=OldboyTeacher('egon',18)
print(t1.__dict__) #{'name': 'egon', 'age': 18}

上例的__call__相当于一个模板，我们可以在该基础上改写__call__的逻辑从而控制调用OldboyTeacher的过程，比如将OldboyTeacher的对象的所有属性都变成私有的

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): #self=<class '__main__.OldboyTeacher'>
        #1、调用__new__产生一个空对象obj
        obj=self.__new__(self) # 此处的self是类OldoyTeacher，必须传参，代表创建一个OldboyTeacher的对象obj

        #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 OldboyTeacher(object,metaclass=Mymeta):
    school='oldboy'

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

    def say(self):
        print('%s says welcome to the oldboy to learn Python' %self.name)

t1=OldboyTeacher('egon',18)
print(t1.__dict__) #{'_OldboyTeacher__name': 'egon', '_OldboyTeacher__age': 18}

上例中涉及到查找属性的问题，比如self.__new__，请看下一小节

4.3 再看属性查找

结合python继承的实现原理+元类重新看属性的查找应该是什么样子呢？？？

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OldboyTeacher继承对象Foo，对象Foo继承对象Bar，对象Bar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): #self=<class '__main__.OldboyTeacher'>
        obj=self.__new__(self)
        self.__init__(obj,*args,**kwargs)
        return obj

class Bar(object):
    n=333

class Foo(Bar):
    n=222

class OldboyTeacher(Foo,metaclass=Mymeta):
    n=111

    school='oldboy'

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

    def say(self):
        print('%s says welcome to the oldboy to learn Python' %self.name)


print(OldboyTeacher.n) 
#自下而上依次注释各个类中的n=xxx，然后重新运行程序，发现n的查找顺序为OldboyTeacher->Foo->Bar->object->Mymeta->type

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

 

#查找顺序：
#1、先对象层：OldoyTeacher->Foo->Bar->object
#2、然后元类层：Mymeta->type

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

class Mymeta(type): 
    n=444

    def __call__(self, *args, **kwargs): #self=<class '__main__.OldboyTeacher'>
        obj=self.__new__(self)
        print(self.__new__ is object.__new__) #True


class Bar(object):
    n=333

    # def __new__(cls, *args, **kwargs):
    #     print('Bar.__new__')

class Foo(Bar):
    n=222

    # def __new__(cls, *args, **kwargs):
    #     print('Foo.__new__')

class OldboyTeacher(Foo,metaclass=Mymeta):
    n=111

    school='oldboy'

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

    def say(self):
        print('%s says welcome to the oldboy to learn Python' %self.name)


    # def __new__(cls, *args, **kwargs):
    #     print('OldboyTeacher.__new__')


OldboyTeacher('egon',18) #触发OldboyTeacher的类中的__call__方法的执行，进而执行self.__new__开始查找

总结，Mymeta下的__call__里的self.__new__在OldboyTeacher、Foo、Bar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)去造对象

 

但我们还是推荐在__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OldboyTeacher->Foo->Bar,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__(cls, *args, **kwargs):
        obj=type.__new__(cls,*args,**kwargs) # 必须按照这种传值方式
        print(obj.__dict__)
        # 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 OldboyTeacher(object,metaclass=Mymeta): #OldboyTeacher=Mymeta('OldboyTeacher',(object),{...})
    n=111

    school='oldboy'

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

    def say(self):
        print('%s says welcome to the oldboy to learn Python' %self.name)


print(type(Mymeta)) #<class 'type'>
# 产生类OldboyTeacher的过程就是在调用Mymeta，而Mymeta也是type类的一个对象，那么Mymeta之所以可以调用，一定是在元类type中有一个__call__方法
# 该方法中同样需要做至少三件事：
# class type:
#     def __call__(self, *args, **kwargs): #self=<class '__main__.Mymeta'>
#         obj=self.__new__(self,*args,**kwargs) # 产生Mymeta的一个对象
#         self.__init__(obj,*args,**kwargs) 
#         return obj

练习题

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