Python——五分钟理解元类（metaclasses）

“元类的魔幻变化比 99% 的用户所担心的更多，当你搞不懂是否真的需要用它的时候，就是不需要。”

—Tim Peters

本文源于在 PyCon UK 2008 上的一个快速演讲。

元类被称为 Python 中的“深奥的巫术”。尽管你需要用到它的地方极少（除非你基于zope 编程），可事实上它的基础理论其实令人惊讶地易懂。

一切皆对象

• 一切皆对象
• 一切都有类型
• “class”和“type”之间本质上并无不同
• 类也是对象
• 它们的类型是 type

以前，术语 type 用于内置类型，而术语 class 用于用户定义的类，但自 Pythoon 2.2 以来“class”和“type”本质上并无不同。

对于旧风格（old-style）类的类型是 types.ClassType。

真的，这是真的

Python 2.5.1 (r251:54869, Apr 18 2007, 22:08:04)
>>> class Something(object):
...     pass
...
>>> Something
<class '__main__.Something'>
>>> type(Something)
<type 'type'>

从这里可以看出在交互式解释器中创建的类是一个 first class 的对象。

类的类是……

它的元类……

就像对象是类的实例一样，类是它的元类的实例。

调用元类可以创建类。

确切来说，Python 中的其它对象也是如此。

因此当你创建一个类时……

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：

>>> help(type)

Help on class type in module __builtin__:

class type(object)

|  type(object) -> the object's type

|  type(name, bases, dict) -> a new type

type 的第二种用法尤为重要。当 Python 解释器在执行一条类定义语句时（如例子中最初的两行代码之后），它会用下面的参数调用 type：

• 字符串形式的类名
• 元组形式的基类序列——在我们的例子中是只有一个元素的元组（’one-pl’）[1]，如(object,)。
• 包括由名字影射的类成员（类属性、方法等）的字典

简单模拟

>>> def __init__(self):
...     self.message = 'Hello World'
...
>>> def say_hello(self):
...     print self.message
...
>>> attrs = {'__init__': __init__, 'say_hello': say_hello}
>>> bases = (object,)
>>> Hello = type('Hello', bases, attrs)
>>> Hello
<class '__main__.Hello'>
>>> h = Hello()
>>> h.say_hello()
Hello World

以上代码创建了类属性的字典，然后调用 type 来创建了名为 Hello 的类。

__metaclass__ 的魔法

只要在类定义中把 __metaclass__ 设置为任意有着与 type 相同参数的可调用对象，就能够提供自定义的元类。

通常使用从 type 继承的方法：

class PointlessMetaclass(type):
    def __new__(meta, name, bases, attrs):
        # do stuff...
        return type.__new__(meta, name, bases, attrs)

重要的是在 __new__ 方法中我们能够读取或改变传入的用以创建新类的参数。从而能够内省属性字典和改动、增加或者删除成员。

尽管当实例化一个类时这两个函数都会被调用，但覆盖 __new__ 比 __init__ 更为重要。__init__ 初始化一个实例，而 __new__ 的职责是创建它。因此如果元类用以自定义类的创建，就需要覆盖 type 的 __new__。

使用新类而非仅仅提供工厂函数的原因在于如果使用工厂函数（那样只是调用 type）的话元类不会被继承。

In Action...

>>> class WhizzBang(object):
...     __metaclass__ = PointlessMetaclass
...
>>> WhizzBang
<class '__main__.WhizzBang'>
>>> type(WhizzBang)
<class '__main__.PointlessMetaClass'>

WhizzBang 是一个类，但它现在已经不是 type 的实例，而是我们自定义的元类的实例了……

这有什么用？

很好的问题，元类将用在创建使用了它的新类时调用，这里是一些关于这样做的好处的观点：

• 装饰（Decorate）类的所有方法，用以日志记录或者性能剖分。
• 自动 Mix-in 新方法
• 在创建时注册类。（例如自动注册插件或从类成员创建数据库模式。）
• 提供接口注册，功能自动发现和接口适配。
• 类校验：防止子类化，校验所有的方法是否都有 docstrings。

最重要之处在于元类中是在最后对 type 的调用时才真正创建类，所以可以自由地随你喜欢地改变属性字典（以及名称和元组形式的基类序列）。

一些流行的 Python ORM（Object Relational Mappers（对象关系影射），用以和数据库协同工作）也如此使用元类。

哦，还有因为元类是继承的，所以你能够提供一个使用了你的元类的基类，而继承自它的子类就无需显式声明它了。

但是……

我曾未需要使用它来编写代码……（我们用它来剖分，也在 Ironclad 项目广泛应用它，但我不编写这些）。

还有，这一切只适用于 Python 2.x，其中的机制在 Python 3 中已经改变了。

type(type) is type

在 Python 2.6 中现在也可用使用  class decorators 来实现许多以前可能需要用元类来实现的东西。

最后，还有一个极尽奇技淫巧的例子（稍为深入，但仍然不难消化），可以去看看 The Selfless Metaclass。它通过字节码和方法签名重写来避免显式地声明 self 。

[1]	'one-pl'是指只有一个元素的元组。