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下面正式開始今天的內容：
在理解元類之前，你需要先掌握Python中的類。Python中類的概念借鑑於Smalltalk，這顯得有些奇特。在大多數程式語言中，類就是一組用來描述如何生成一個物件的程式碼段。在Python中這一點仍然成立：
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>>> class ObjectCreator(object): … pass … >>> my_object = ObjectCreator() >>> print my_object <__main__.ObjectCreator object at 0x8974f2c> |
但是，Python中的類還遠不止如此。類同樣也是一種物件。是的，沒錯，就是物件。只要你使用關鍵字class，Python直譯器在執行的時候就會建立一個物件。下面的程式碼段：
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>>> class ObjectCreator(object): … pass … |
將在記憶體中建立一個物件，名字就是ObjectCreator。這個物件（類）自身擁有建立物件（類例項）的能力，而這就是為什麼它是一個類的原因。但是，它的本質仍然是一個物件，於是乎你可以對它做如下的操作：
1) 你可以將它賦值給一個變數
2) 你可以拷貝它
3) 你可以為它增加屬性
4) 你可以將它作為函式引數進行傳遞
下面是示例：
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>>> print ObjectCreator <class '__main__.ObjectCreator'> >>> def echo(o): … print o … >>> echo(ObjectCreator) # 你可以將類做為引數傳給函式 <class '__main__.ObjectCreator'> >>> print hasattr(ObjectCreator, 'new_attribute') Fasle >>> ObjectCreator.new_attribute = 'foo' # 你可以為類增加屬性 >>> print hasattr(ObjectCreator, 'new_attribute') True >>> print ObjectCreator.new_attribute foo >>> ObjectCreatorMirror = ObjectCreator # 你可以將類賦值給一個變數 >>> print ObjectCreatorMirror() <__main__.ObjectCreator object at 0x8997b4c> |
動態地建立類
因為類也是物件，你可以在執行時動態的建立它們，就像其他任何物件一樣。首先，你可以在函式中建立類，使用class關鍵字即可。
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>>> def choose_class(name): … if name == 'foo': … class Foo(object): … pass … return Foo # 返回的是類，不是類的例項 … else: … class Bar(object): … pass … return Bar … >>> MyClass = choose_class('foo') >>> print MyClass # 函式返回的是類，不是類的例項 <class '__main__'.Foo> >>> print MyClass() # 你可以通過這個類建立類例項，也就是物件 <__main__.Foo object at 0x89c6d4c> |
但這還不夠動態，因為你仍然需要自己編寫整個類的程式碼。由於類也是物件，所以它們必須是通過什麼東西來生成的才對。當你使用class關鍵字時，Python直譯器自動建立這個物件。但就和Python中的大多數事情一樣，Python仍然提供給你手動處理的方法。還記得內建函式type嗎？這個古老但強大的函式能夠讓你知道一個物件的型別是什麼，就像這樣：
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>>> print type(1) <type 'int'> >>> print type("1") <type 'str'> >>> print type(ObjectCreator) <type 'type'> >>> print type(ObjectCreator()) <class '__main__.ObjectCreator'> |
這裡，type有一種完全不同的能力，它也能動態的建立類。type可以接受一個類的描述作為引數，然後返回一個類。（我知道，根據傳入引數的不同，同一個函式擁有兩種完全不同的用法是一件很傻的事情，但這在Python中是為了保持向後相容性）
type可以像這樣工作：
type(類名, 父類的元組（針對繼承的情況，可以為空），包含屬性的字典（名稱和值）)
比如下面的程式碼：
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>>> class MyShinyClass(object): … pass 可以手動像這樣建立： >>> MyShinyClass = type('MyShinyClass', (), {}) # 返回一個類物件 >>> print MyShinyClass <class '__main__.MyShinyClass'> >>> print MyShinyClass() # 建立一個該類的例項 <__main__.MyShinyClass object at 0x8997cec> |
你會發現我們使用“MyShinyClass”作為類名，並且也可以把它當做一個變數來作為類的引用。類和變數是不同的，這裡沒有任何理由把事情弄的複雜。
type 接受一個字典來為類定義屬性，因此
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>>> class Foo(object): … bar = True 可以翻譯為： >>> Foo = type('Foo', (), {'bar':True}) 並且可以將Foo當成一個普通的類一樣使用： >>> print Foo <class '__main__.Foo'> >>> print Foo.bar True >>> f = Foo() >>> print f <__main__.Foo object at 0x8a9b84c> >>> print f.bar True 當然，你可以向這個類繼承，所以，如下的程式碼： >>> class FooChild(Foo): … pass 就可以寫成： >>> FooChild = type('FooChild', (Foo,),{}) >>> print FooChild <class '__main__.FooChild'> >>> print FooChild.bar # bar屬性是由Foo繼承而來 True |
最終你會希望為你的類增加方法。只需要定義一個有著恰當簽名的函式並將其作為屬性賦值就可以了。
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>>> def echo_bar(self): … print self.bar … >>> FooChild = type('FooChild', (Foo,), {'echo_bar': echo_bar}) >>> hasattr(Foo, 'echo_bar') False >>> hasattr(FooChild, 'echo_bar') True >>> my_foo = FooChild() >>> my_foo.echo_bar() True |
你可以看到，在Python中，類也是物件，你可以動態的建立類。這就是當你使用關鍵字class時Python在幕後做的事情，而這就是通過元類來實現的。
到底什麼是元類（終於到主題了）
元類就是用來建立類的“東西”。你建立類就是為了建立類的例項物件，不是嗎？但是我們已經學習到了Python中的類也是物件。好吧，元類就是用來建立這些類（物件）的，元類就是類的類，你可以這樣理解 為：
MyClass = MetaClass()
MyObject = MyClass()
你已經看到了type可以讓你像這樣做：
MyClass = type(‘MyClass’, (), {})
這是因為函式type實際上是一個元類。type就是Python在背後用來建立所有類的元類。現在你想知道那為什麼type會全部採用小寫形式而不是Type呢？好吧，我猜這是為了和str保持一致性，str是用來建立字串物件的類，而int是用來建立整數物件的類。type就是建立類物件的類。你可以通過檢查class屬性來看到這一點。Python中所有的東西，注意，我是指所有的東西——都是物件。這包括整數、字串、函式以及類。它們全部都是物件，而且它們都是從一個類建立而來。
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>>> age = 35 >>> age.__class__ <type 'int'> >>> name = 'bob' >>> name.__class__ <type 'str'> >>> def foo(): pass >>>foo.__class__ <type 'function'> >>> class Bar(object): pass >>> b = Bar() >>> b.__class__ <class '__main__.Bar'> 現在，對於任何一個__class__的__class__屬性又是什麼呢？ >>> a.__class__.__class__ <type 'type'> >>> age.__class__.__class__ <type 'type'> >>> foo.__class__.__class__ <type 'type'> >>> b.__class__.__class__ <type 'type'> |
因此，元類就是建立類這種物件的東西。如果你喜歡的話，可以把元類稱為“類工廠”（不要和工廠類搞混了:D） type就是Python的內建元類，當然了，你也可以建立自己的元類。
metaclass屬性
你可以在寫一個類的時候為其新增metaclass屬性。
class Foo(object): metaclass = something…
[…]
如果你這麼做了，Python就會用元類來建立類Foo。小心點，這裡面有些技巧。你首先寫下class Foo(object)，但是類物件Foo還沒有在記憶體中建立。Python會在類的定義中尋找metaclass屬性，如果找到了，Python就會用它來建立類Foo，如果沒有找到，就會用內建的type來建立這個類。把下面這段話反覆讀幾次。當你寫如下程式碼時 :
class Foo(Bar):
pass
Python做了如下的操作：
Foo中有metaclass這個屬性嗎？如果是，Python會在記憶體中通過metaclass建立一個名字為Foo的類物件（我說的是類物件，請緊跟我的思路）。如果Python沒有找到metaclass，它會繼續在Bar（父類）中尋找metaclass屬性，並嘗試做和前面同樣的操作。如果Python在任何父類中都找不到metaclass，它就會在模組層次中去尋找metaclass，並嘗試做同樣的操作。如果還是找不到metaclass,Python就會用內建的type來建立這個類物件。
現在的問題就是，你可以在metaclass中放置些什麼程式碼呢？答案就是：可以建立一個類的東西。那麼什麼可以用來建立一個類呢？type，或者任何使用到type或者子類化type的東東都可以。
自定義元類
元類的主要目的就是為了當建立類時能夠自動地改變類。通常，你會為API做這樣的事情，你希望可以建立符合當前上下文的類。假想一個很傻的例子，你決定在你的模組裡所有的類的屬性都應該是大寫形式。有好幾種方法可以辦到，但其中一種就是通過在模組級別設定metaclass。採用這種方法，這個模組中的所有類都會通過這個元類來建立，我們只需要告訴元類把所有的屬性都改成大寫形式就萬事大吉了。
幸運的是，metaclass實際上可以被任意呼叫，它並不需要是一個正式的類（我知道，某些名字裡帶有‘class’的東西並不需要是一個class，畫畫圖理解下，這很有幫助）。所以，我們這裡就先以一個簡單的函式作為例子開始。
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# 元類會自動將你通常傳給‘type’的引數作為自己的引數傳入 def upper_attr(future_class_name, future_class_parents, future_class_attr): '''返回一個類物件，將屬性都轉為大寫形式''' # 選擇所有不以'__'開頭的屬性 attrs = ((name, value) for name, value in future_class_attr.items() if not name.startswith('__')) # 將它們轉為大寫形式 uppercase_attr = dict((name.upper(), value) for name, value in attrs) # 通過'type'來做類物件的建立 return type(future_class_name, future_class_parents, uppercase_attr) __metaclass__ = upper_attr # 這會作用到這個模組中的所有類 class Foo(object): # 我們也可以只在這裡定義__metaclass__，這樣就只會作用於這個類中 bar = 'bip' print hasattr(Foo, 'bar') # 輸出: False print hasattr(Foo, 'BAR') # 輸出:True f = Foo() print f.BAR # 輸出:'bip' |
現在讓我們再做一次，這一次用一個真正的class來當做元類。
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# 請記住，'type'實際上是一個類，就像'str'和'int'一樣 # 所以，你可以從type繼承 class UpperAttrMetaClass(type): # __new__ 是在__init__之前被呼叫的特殊方法 # __new__是用來建立物件並返回之的方法 # 而__init__只是用來將傳入的引數初始化給物件 # 你很少用到__new__，除非你希望能夠控制物件的建立 # 這裡，建立的物件是類，我們希望能夠自定義它，所以我們這裡改寫__new__ # 如果你希望的話，你也可以在__init__中做些事情 # 還有一些高階的用法會涉及到改寫__call__特殊方法，但是我們這裡不用 def __new__(upperattr_metaclass, future_class_name, future_class_parents, future_class_attr): attrs = ((name, value) for name, value in future_class_attr.items() if not name.startswith('__')) uppercase_attr = dict((name.upper(), value) for name, value in attrs) return type(future_class_name, future_class_parents, uppercase_attr) 但是，這種方式其實不是OOP。我們直接呼叫了type，而且我們沒有改寫父類的__new__方法。現在讓我們這樣去處理: class UpperAttrMetaclass(type): def __new__(upperattr_metaclass, future_class_name, future_class_parents, future_class_attr): attrs = ((name, value) for name, value in future_class_attr.items() if not name.startswith('__')) uppercase_attr = dict((name.upper(), value) for name, value in attrs) # 複用type.__new__方法 # 這就是基本的OOP程式設計，沒什麼魔法 return type.__new__(upperattr_metaclass, future_class_name, future_class_parents, uppercase_attr) |
你可能已經注意到了有個額外的引數upperattr_metaclass，這並沒有什麼特別的。類方法的第一個引數總是表示當前的例項，就像在普通的類方法中的self引數一樣。當然了，為了清晰起見，這裡的名字我起的比較長。但是就像self一樣，所有的引數都有它們的傳統名稱。因此，在真實的產品程式碼中一個元類應該是像這樣的：
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class UpperAttrMetaclass(type): def __new__(cls, name, bases, dct): attrs = ((name, value) for name, value in dct.items() if not name.startswith('__') uppercase_attr = dict((name.upper(), value) for name, value in attrs) return type.__new__(cls, name, bases, uppercase_attr) 如果使用super方法的話，我們還可以使它變得更清晰一些，這會緩解繼承（是的，你可以擁有元類，從元類繼承，從type繼承） class UpperAttrMetaclass(type): def __new__(cls, name, bases, dct): attrs = ((name, value) for name, value in dct.items() if not name.startswith('__')) uppercase_attr = dict((name.upper(), value) for name, value in attrs) return super(UpperAttrMetaclass, cls).__new__(cls, name, bases, uppercase_attr) |
就是這樣，除此之外，關於元類真的沒有別的可說的了。使用到元類的程式碼比較複雜，這背後的原因倒並不是因為元類本身，而是因為你通常會使用元類去做一些晦澀的事情，依賴於自省，控制繼承等等。確實，用元類來搞些“黑暗魔法”是特別有用的，因而會搞出些複雜的東西來。但就元類本身而言，它們其實是很簡單的：
1) 攔截類的建立
2) 修改類
3) 返回修改之後的類
為什麼要用metaclass類而不是函式?
由於metaclass可以接受任何可呼叫的物件，那為何還要使用類呢，因為很顯然使用類會更加複雜啊？這裡有好幾個原因：
1） 意圖會更加清晰。當你讀到UpperAttrMetaclass(type)時，你知道接下來要發生什麼。
2） 你可以使用OOP程式設計。元類可以從元類中繼承而來，改寫父類的方法。元類甚至還可以使用元類。
3） 你可以把程式碼組織的更好。當你使用元類的時候肯定不會是像我上面舉的這種簡單場景，通常都是針對比較複雜的問題。將多個方法歸總到一個類中會很有幫助，也會使得程式碼更容易閱讀。
4） 你可以使用new, init以及call這樣的特殊方法。它們能幫你處理不同的任務。就算通常你可以把所有的東西都在new裡處理掉，有些人還是覺得用init更舒服些。
5） 哇哦，這東西的名字是metaclass，肯定非善類，我要小心！
究竟為什麼要使用元類？
現在回到我們的大主題上來，究竟是為什麼你會去使用這樣一種容易出錯且晦澀的特性？好吧，一般來說，你根本就用不上它：
“元類就是深度的魔法，99%的使用者應該根本不必為此操心。如果你想搞清楚究竟是否需要用到元類，那麼你就不需要它。那些實際用到元類的人都非常清楚地知道他們需要做什麼，而且根本不需要解釋為什麼要用元類。” —— Python界的領袖 Tim Peters
元類的主要用途是建立API。一個典型的例子是Django ORM。它允許你像這樣定義：
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class Person(models.Model): name = models.CharField(max_length=30) age = models.IntegerField() |
但是如果你像這樣做的話：
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guy = Person(name='bob', age='35') print guy.age |
這並不會返回一個IntegerField物件，而是會返回一個int，甚至可以直接從資料庫中取出資料。這是有可能的，因為models.Model定義了metaclass， 並且使用了一些魔法能夠將你剛剛定義的簡單的Person類轉變成對資料庫的一個複雜hook。Django框架將這些看起來很複雜的東西通過暴露出一個簡單的使用元類的API將其化簡，通過這個API重新建立程式碼，在背後完成真正的工作。
結語
首先，你知道了類其實是能夠建立出類例項的物件。好吧，事實上，類本身也是例項，當然，它們是元類的例項。
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>>>class Foo(object): pass >>> id(Foo) |
Python中的一切都是物件，它們要麼是類的例項，要麼是元類的例項，除了type。type實際上是它自己的元類，在純Python環境中這可不是你能夠做到的，這是通過在實現層面耍一些小手段做到的。其次，元類是很複雜的。對於非常簡單的類，你可能不希望通過使用元類來對類做修改。你可以通過其他兩種技術來修改類：
1） Monkey patching
2) class decorators
當你需要動態修改類時，99%的時間裡你最好使用上面這兩種技術。當然了，其實在99%的時間裡你根本就不需要動態修改類.下一章