陌生的 metaclass

Python 中的元类（metaclass）是一个深度魔法，平时我们可能比较少接触到元类，本文将通过一些简单的例子来理解这个魔法。

类也是对象

在 Python 中，一切皆对象。字符串，列表，字典，函数是对象，类也是一个对象，因此你可以：

• 把类赋值给一个变量
• 把类作为函数参数进行传递
• 把类作为函数的返回值
• 在运行时动态地创建类

看一个简单的例子：

class Foo(object):
    foo = True
class Bar(object):
    bar = True
def echo(cls):
    print cls
def select(name):
    if name == 'foo':
        return Foo        # 返回值是一个类
    if name == 'bar':
        return Bar
>>> echo(Foo)             # 把类作为参数传递给函数 echo
<class '__main__.Foo'>
>>> cls = select('foo')   # 函数 select 的返回值是一个类，把它赋给变量 cls
>>> cls
__main__.Foo

熟悉又陌生的 type

在日常使用中，我们经常使用 object 来派生一个类，事实上，在这种情况下，Python 解释器会调用 type 来创建类。

这里，出现了 type，没错，是你知道的 type，我们经常使用它来判断一个对象的类型，比如：

class Foo(object):
    Foo = True
>>> type(10)
<type 'int'>
>>> type('hello')
<type 'str'>
>>> type(Foo())
<class '__main__.Foo'>
>>> type(Foo)
<type 'type'>

事实上，type 除了可以返回对象的类型，它还可以被用来动态地创建类（对象）。下面，我们看几个例子，来消化一下这句话。

使用 type 来创建类（对象）的方式如下：

type(类名, 父类的元组（针对继承的情况，可以为空），包含属性和方法的字典（名称和值）)

最简单的情况

假设有下面的类：

class Foo(object):
    pass

现在，我们不使用 class 关键字来定义，而使用 type，如下：

Foo = type('Foo', (object, ), {})    # 使用 type 创建了一个类对象

上面两种方式是等价的。我们看到，type 接收三个参数：

• 第 1 个参数是字符串 ‘Foo’，表示类名
• 第 2 个参数是元组 (object, )，表示所有的父类
• 第 3 个参数是字典，这里是一个空字典，表示没有定义属性和方法

在上面，我们使用 type() 创建了一个名为 Foo 的类，然后把它赋给了变量 Foo，我们当然可以把它赋给其他变量，但是，此刻没必要给自己找麻烦。

接着，我们看看使用：

>>> print Foo
<class '__main__.Foo'>
>>> print Foo()
<__main__.Foo object at 0x10c34f250>

有属性和方法的情况

假设有下面的类：

class Foo(object):
    foo = True
    def greet(self):
        print 'hello world'
        print self.foo

用 type 来创建这个类，如下：

def greet(self):
    print 'hello world'
    print self.foo
Foo = type('Foo', (object, ), {'foo': True, 'greet': greet})

上面两种方式的效果是一样的，看下使用：

>>> f = Foo()
>>> f.foo
True
>>> f.greet
<bound method Foo.greet of <__main__.Foo object at 0x10c34f890>>
>>> f.greet()
hello world
True

继承的情况

再来看看继承的情况，假设有如下的父类：

class Base(object):
    pass

我们用 Base 派生一个 Foo 类，如下：

class Foo(Base):
   foo = True

改用 type 来创建，如下：

Foo = type('Foo', (Base, ), {'foo': True})

什么是元类（metaclass）

元类（metaclass）是用来创建类（对象）的可调用对象。这里的可调用对象可以是函数或者类等。但一般情况下，我们使用类作为元类。对于实例对象、类和元类，我们可以用下面的图来描述：

类是实例对象的模板，元类是类的模板
+----------+             +----------+             +----------+
|          |             |          |             |          |
|          | instance of |          | instance of |          |
| instance +------------>+  class   +------------>+ metaclass|
|          |             |          |             |          |
|          |             |          |             |          |
+----------+             +----------+             +----------+

我们在前面使用了 type 来创建类（对象），事实上，type 就是一个元类。

那么，元类到底有什么用呢？要你何用…

元类的主要目的是为了控制类的创建行为。我们还是先来看看一些例子，以消化这句话。

元类的使用

先从一个简单的例子开始，假设有下面的类：

class Foo(object):
    name = 'foo'
    def bar(self):
        print 'bar'

现在我们想给这个类的方法和属性名称前面加上 my_ 前缀，即 name 变成 my_name，bar 变成 my_bar，另外，我们还想加一个 echo 方法。当然，有很多种做法，这里展示用元类的做法。

1.首先，定义一个元类，按照默认习惯，类名以 Metaclass 结尾，代码如下：

class PrefixMetaclass(type):
    def __new__(cls, name, bases, attrs):
        # 给所有属性和方法前面加上前缀 my_
        _attrs = (('my_' + name, value) for name, value in attrs.items())  
        _attrs = dict((name, value) for name, value in _attrs)  # 转化为字典
        _attrs['echo'] = lambda self, phrase: phrase  # 增加了一个 echo 方法
        return type.__new__(cls, name, bases, _attrs)  # 返回创建后的类

上面的代码有几个需要注意的点：

• PrefixMetaClass 从 type 继承，这是因为 PrefixMetaclass 是用来创建类的
• __new__ 是在 __init__ 之前被调用的特殊方法，它用来创建对象并返回创建后的对象，对它的参数解释如下：
  • cls：当前准备创建的类
  • name：类的名字
  • bases：类的父类集合
  • attrs：类的属性和方法，是一个字典

2.接着，我们需要指示 Foo 使用 PrefixMetaclass 来定制类。

在 Python2 中，我们只需在 Foo 中加一个 __metaclass__ 的属性，如下：

class Foo(object):
    __metaclass__ = PrefixMetaclass
    name = 'foo'
    def bar(self):
        print 'bar'

在 Python3 中，这样做：

class Foo(metaclass=PrefixMetaclass):
    name = 'foo'
    def bar(self):
        print 'bar'

现在，让我们看看使用：

>>> f = Foo()
>>> f.name    # name 属性已经被改变
---------------------------------------------------------------------------
AttributeError                            Traceback (most recent call last)
<ipython-input-774-4511c8475833> in <module>()
----> 1 f.name
AttributeError: 'Foo' object has no attribute 'name'
>>>
>>> f.my_name
'foo'
>>> f.my_bar()
bar
>>> f.echo('hello')
'hello'

可以看到，Foo 原来的属性 name 已经变成了 my_name，而方法 bar 也变成了 my_bar，这就是元类的魔法。

再来看一个继承的例子，下面是完整的代码：

class PrefixMetaclass(type):
    def __new__(cls, name, bases, attrs):
        # 给所有属性和方法前面加上前缀 my_
        _attrs = (('my_' + name, value) for name, value in attrs.items())  
        _attrs = dict((name, value) for name, value in _attrs)  # 转化为字典
        _attrs['echo'] = lambda self, phrase: phrase  # 增加了一个 echo 方法
        return type.__new__(cls, name, bases, _attrs)
class Foo(object):
    __metaclass__ = PrefixMetaclass   # 注意跟 Python3 的写法有所区别
    name = 'foo'
    def bar(self):
        print 'bar'
class Bar(Foo):
    prop = 'bar'

其中，PrefixMetaclass 和 Foo 跟前面的定义是一样的，只是新增了 Bar，它继承自 Foo。先让我们看看使用：

>>> b = Bar()
>>> b.prop     # 发现没这个属性
---------------------------------------------------------------------------
AttributeError                            Traceback (most recent call last)
<ipython-input-778-825e0b6563ea> in <module>()
----> 1 b.prop
AttributeError: 'Bar' object has no attribute 'prop'
>>> b.my_prop
'bar'
>>> b.my_name
'foo'
>>> b.my_bar()
bar
>>> b.echo('hello')
'hello'

我们发现，Bar 没有 prop 这个属性，但是有 my_prop 这个属性，这是为什么呢？

原来，当我们定义 class Bar(Foo) 时，Python 会首先在当前类，即 Bar 中寻找 __metaclass__，如果没有找到，就会在父类 Foo 中寻找 __metaclass__，如果找不到，就继续在 Foo 的父类寻找，如此继续下去，如果在任何父类都找不到 __metaclass__，就会到模块层次中寻找，如果还是找不到，就会用 type 来创建这个类。

这里，我们在 Foo 找到了 __metaclass__，Python 会使用 PrefixMetaclass 来创建 Bar，也就是说，元类会隐式地继承到子类，虽然没有显示地在子类使用 __metaclass__，这也解释了为什么 Bar 的 prop 属性被动态修改成了 my_prop。

写到这里，不知道你理解元类了没？希望理解了，如果没理解，就多看几遍吧~

小结

• 在 Python 中，类也是一个对象。
• 类创建实例，元类创建类。
• 元类主要做了三件事：
  • 拦截类的创建
  • 修改类的定义
  • 返回修改后的类
• 当你创建类时，解释器会调用元类来生成它，定义一个继承自 object 的普通类意味着调用 type 来创建它。

参考资料

• oop - What is a metaclass in Python? - Stack Overflow
• 深刻理解Python中的元类(metaclass) - 伯乐在线
• 使用元类 - 廖雪峰的官方网站
• Python基础：元类
• 在Python中使用class decorator和metaclass