Python metaclass的原理及應用

這篇文章主要介紹“Python metaclass的原理及應用”，在日常操作中，相信很多人在Python metaclass的原理及應用問題上存在疑惑，小編查閱了各式資料，整理出簡單好用的操作方法，希望對大家解答”Python metaclass的原理及應用”的疑惑有所幫助！接下來，請跟著小編一起來學習吧！

元編程(meta programming)是一項很神奇的能力，可以通過代碼在運行時動態生成代碼。

元類(meta classes)是 Python 提供的一種元編程的能力。在 Python 中，類也是一種對象，那么類這種對象就是元類的實例，所以我們可以在運行時通過實例化元類動態生成類。

使用 type “函數”

首先我們來了解一下 type，type 可以作為函數使用，用來獲得對象的類型：

>>> class Foo:
...     pass
>>> obj = Foo()
>>> obj.__class__
<class '__main__.Foo'>
>>> 
type(obj)
<class '__main__.Foo'>
>>> 
obj.__class__ is type(obj)
True

實際上 type 并不是一個函數，而是一個類，我們可以使用 type(type) 來確定一下：

>>> type(type)
<class 'type'>

type 實際上不只是類，而是一個“元類”。我們接下來要可以看到，所有的元類都需要繼承自 type。type 是所以類的元類，所以在上面的例子中 x 是 Foo 的實例，Foo 是 type 的實例，type 又是他自己的實例。

用 type 動態創建類

如果傳遞給 type 的參數是三個的時候，type 的語義就不再是返回給定參數的類，而是實例化生成一個新的類。

type(name: str, bases: tuple, namespace: dict)

第一個參數是新生成的類的名字；第二個參數是新生成的類的基類列表；第三個參數是要個這個類綁定的屬性的列表，比如說這個類的一些方法。實際上 class Foo 這種語法只是使用 type 生成類的語法糖而已。

最簡單的一個例子，比如我們要創建 Foo[0..9] 這些類，可以這樣做：

classes = []
for i 
in range(10):
    cls = type("Foo%s" % i, tuple(), {})
    classes.append(cls)

# 就像使用普通類一樣初始化 Foo0

foo0  = clssses[0]()

如果要實現類的方法，一定要記得同樣是要使用 self 變量的。在 Python 中 self 只是一個約定俗成的變量，而不是關鍵字。

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

def print_name(self):
    print(self.name)

Duck = type("Duck", tuple(), {"__init__": __init__, 
"print_name": print_name})

duck = Duck("Donald")

duck.print_name()
# Donald

創建自己的元類

首先我們來回顧一下 Python 中類的初始化過程：

foo = Foo()

當這條語句運行的時候，Python 會依次調用 Foo 的 __new__ 和 __init__ 方法。其中 __new__ 方法在 __init__ 之前調用，并返回已經創建好的新對象，而 __init__ 函數是沒有返回結果的。一般情況下，我們都會覆蓋 __init__ 方法來對新創建的對象做一些初始化操作。

現在回歸到元類上，進入燒腦部分。前面我們說過元類的實例化就是類，所以大致相當于：

Foo = MetaFoo(name, bases, attrs)  # MetaFoo 默認情況下是 type
foo = Foo()

默認情況下，所有類的元類是 type，也就是在這個類是通過 type 來創建的，這和前面說的通過 type 來動態創建類也是一致的。

那么怎樣定義一個 MetaFoo 呢？只需要繼承自 type 就行了。因為元類的實例化就是類的創建過程，所以在元類中，我們可以修改 __new__ 來在 __init__ 之前對新創建的類做一些操作。

>>> class MetaFoo(type):
...     def __new__(cls, name, bases, namespace):
...         x = super().__new__(cls, name, bases, namespace)  # super實際上就是 type
...         x.bar = 
100  # 為這個類增加一個屬性
...         return x
...

>>> Foo = MetaFoo("Foo", tuple(), {})  # MetaFoo 在這里就相當于 type 了，可以動態創建類
>>> Foo.bar
100
>>> foo = Foo()
>>> foo.bar
100

在這里我們創建了 MetaFoo 這個元類，他會給新創建的類增加一個叫做 bar 的屬性。

在實際的代碼中，我們一般還是不會直接動態生成類的，還是調用 class Foo 語法來生成類比較常見一點，這時候可以指定 metaclass 參數就好了。可以通過 Foo(metaclass=MetaFoo) 這種方式來指定元類。

class Foo(metaclass=MetaFoo):
    pass

這種定義和上面的元類用法效果完全是一致的。

一個現實世界的元類例子

在 django.models 或者 peewee 等 ORM 中，我們一般使用類的成員變量來定義字段，這里就用到了元類。

class Field:
    pass

class IntegerField(Field):
    pass

class CharField(Field):
    pass

class MetaModel(type):
    def __new__(meta, name, bases, attrs):
        # 這里最神奇的是：用戶定義的類中的 bases 和 attrs 都會作為參數傳遞進來
        fields = {}
        for key, value 
in attrs.items():
            if isinstance(value, Field):
                value.name = 
'%s.%s' % (name, key)
                fields[key] = value
        for base 
in bases:
            if hasattr(base, 
'_fields'):
                fields.update(base._fields)
        attrs['_fields'] = fields
        return type.__new__(meta, name, bases, attrs)

class Model(metaclass=MetaModel):
    pass

這樣用戶使用的時候就可以這樣定義：

>>> class A(Model):
...     foo = IntegerField()
...
>>> class B(A):
...     bar = CharField()
...
>>> B._fields
{'foo': Integer('A.foo'), 
'bar': String('B.bar')}

程序在執行的時候就可以直接訪問 X._fields，而不用每次都通過反射遍歷一次，從而提高效率以及做一些驗證。

不過，其實這個完全可以通過裝飾器來實現：

def model(cls):
    fields = {}
    for key, value 
in vars(cls).items():
        if isinstance(value, Field):
            value.name = 
'%s.%s' % (cls.__name__, key)
            fields[key] = value
    for base 
in cls.__bases__:
        if hasattr(base, 
'_fields'):
            fields.update(base._fields)
    cls._fields = fields
    return cls

@model
class A():
    foo = IntegerField()

class B(A):
    bar = CharField()

但是用裝飾器的話，就失去了一些類型繼承的語義信息。

到此，關于“Python metaclass的原理及應用”的學習就結束了，希望能夠解決大家的疑惑。理論與實踐的搭配能更好的幫助大家學習，快去試試吧！若想繼續學習更多相關知識，請繼續關注億速云網站，小編會繼續努力為大家帶來更多實用的文章！