Python之元类详解

一、引子

元类属于Python面向对象编程的深层魔法，99%的人都不得要领，一些自以为搞明白元类的人其实也是自圆其说，点到为止，从队元类的控制上来看就破绽百出，逻辑混乱；

二、什么是元类

一切源自于一句话：Python中一切皆为对象。让我们先定义一个类，然后逐步分析

#!/usr/bin/env python
# -*- coding: utf-8 -*-

class MyTeacher(object):
    school='john'

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

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

所有的对象都是实例化或者说调用类而得到的（调用类的过程称为类的实例化），比如对象t1是调用类MyTeacher得到的

t1 = MyTeacher('zhangsan',18)
print(type(t1))   # 查看对象t1的类是<class '__main__.MyTeacher'>

如果一切皆为对象，那么类MyTeacher本质是一个对象，既然所有的对象都是调用类得到的，那么MyTeacher必然也是调用类一个类得到的，这个类称为元类；

于是我们可以推导出--->产生MyTeacher的过程一定发生了：MyTeacher=元类(...)

print(type(MyTeacher))    # 结果为<class 'type'>,证明是调用类type这个元类产生的MyTeacher，即默认的元类为type

三、class关键字创建类的流程分析

上文我们基于Python中一切皆为对象概念分析出：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（元类可以称为类的类），内置的元类为type

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

• 类名class_name='MyTeacher'
• 基类们class_bases=(object,)
• 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

综合，class关键字帮我们创建一个类应该细分为一下四个过程：

四、exec的用法

#!/usr/bin/env python
# -*- coding: utf-8 -*-
# exec:三个参数
# 参数一：包含一系列Python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}

五、自定义元类控制类MyTeacher的创建

一个类没有声明自己的元类，默认他的元类时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mataclass关键字参数为一个类指定元类

#!/usr/bin/env python
# -*- coding: utf-8 -*-

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

class MyTeacher(object,metaclass=Mymeta): # MyTeacher=Mymeta('MyTeacher',(object),{...})
    school = 'john'

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

    def say(self):
        print('%s says welcome to the zhangsan 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MyTeacher=Mymeta('MyTeacher',(object),{...})，调用Mymeta会先产生一个空对象MyTeacher，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__.MyTeacher'>
        # print(class_bases) #(<class 'object'>,)
        # print(class_dic) #{'__module__': '__main__', '__qualname__': 'MyTeacher', 'school': 'My', '__init__': <function MyTeacher.__init__ at 0x102b95ae8>, 'say': <function MyTeacher.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(' \n')) == 0:
            raise TypeError('类中必须有文档注释，并且文档注释不能为空')

class MyTeacher(object,metaclass=Mymeta): # MyTeacher=Mymeta('MyTeacher',(object),{...})
    """
    类MyTeacher的文档注释
    """
    school='My'

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

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

六、自定义元类控制类MyTeacher的调用

储备知识：call

#!/usr/bin/env python
# -*- coding: utf-8 -*-
class Foo:
    def __new__(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MyTeacher也当作一个对象，那么在MyTeacher这个对象的类也必然存在一个__call__方法。

class Mymeta(type): # 只有继承类type类才能称为一个元类，否则就是一个普通的自定义类
    def __call__(self, *args, **kwargs):
        print(self)  # <class '__main__.MyTeacher'>
        print(args)  # ('zhangsan', 18)
        print(kwargs)  # {}
        return 123

class MyTeacher(object,metaclass=Mymeta):
    school = 'john'
    def __init__(self,name,age):
        self.name = name
        self.age = age

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

# 调用MyTeacher就是在调用Myteacher类中__call__方法
# 然后将MyTeacher传给self,益出的位置参数传给*，益出的关键字参数传给**
# 调用MyTeacher的返回值就是调用__call__的返回值

t1 = MyTeacher('zhangsan',18)
print(t1)  # 123

默认地，调用t1=MyTeacher('zhangsan',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，MyTeacher类中的__call__方法也应该做这三件事

class Mymeate(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__.MyTeacher'>
        # 1. 调用__new__ 产生类一个空对象obj
        obj = self.__new__(self) # 此处的self是类MyTeacher，必须传参，代表创建一个MyTeacher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 MyTeacher(object,metaclass=Mymeate):
    school = 'john'

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

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

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

上例的__call__相当于一个模版，我们可以在该基础上改写__call__的逻辑从而控制调用MyTeacher的过程。

比如将MyTeacher的对象的所有属性都变成私有的。

class Mymeta(type):  # 只有继承类type类才能称之为一个元类，否则就是一个普通的自定义
    def __call__(self, *args, **kwargs):   # self=<class '__main__.MyTeacher'>
        obj=self.__new__(self)  # 此处的self是类MyTeacher，必须传参，代表创建一个MyTeacher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 MyTeacher(object,metaclass=Mymeta):
    school = 'john'

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

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

t1=MyTeacher('zhangsan',18)
print(t1.__dict__)   # {'_MyTeacher__name': 'zhangsan', '_MyTeacher__age': 18}

六、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？？？

其实我们用class自定义的类也全部都是对象（包括object类本身也是元类type的一个实例，可以用type(object)查看），如果把类当成对象来看，将下述继承应该说成是：对象用MyTeacher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__.MyTeacher'>
        obj=self.__new__(self)
        self.__init__(obj,*args,**kwargs)
        return obj

class Bar(object):
    n = 333

class Foo(Bar):
    n = 222

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

    school = 'john'

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

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

print(MyTeacher.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MyTeacher->Foo->Bar->object->Mymeta->type

总结：Mymeta下的__call__里的self.new__在MyTeacher，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__