• 一 前言
• 二 什么是元类
• 三 class关键字创建类的流程分析
• 五 自定义元类控制类OldboyTeacher的创建
• 六 自定义元类控制类OldboyTeacher的调用
• 六 再看属性查找
• 七 练习题

一 前言

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只是自圆其说、点到为止，从对元类的控制上来看就破绽百出、逻辑混乱，今天我就来带大家来深度了解python元类的来龙去脉。

笔者深入浅出的背后是对技术一日复一日的执念，希望可以大家可以尊重原创，为大家能因此文而解开对元类所有的疑惑而感到开心！！！

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

class OldboyTeacher(object):    school='oldboy'    def __init__(self,name,age):        self.name=name        self.age=age    def say(self):        print('%s says welcome to the oldboy 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OldboyTeacher得到的

t1=OldboyTeacher('egon',18)print(type(t1)) #查看对象t1的类是
     

 

如果一切皆为对象，那么类OldboyTeacher本质也是一个对象，既然所有的对象都是调用类得到的，那么OldboyTeacher必然也是调用了一个类得到的，这个类称为元类

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

print(type(OldboyTeacher)) # 结果为
     
      ，证明是调用了type这个元类而产生的OldboyTeacher，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中一切皆为对象的概念分析出：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（元类可以简称为类的类），内置的元类为type

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

1、类名class_name='OldboyTeacher'

2、基类们class_bases=(object,)

3、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

 

综上，class关键字帮我们创建一个类应该细分为以下四个过程

补充：exec的用法

#exec：三个参数#参数一：包含一系列python代码的字符串#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命令的执行当成是一个函数的执行，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,zx=100z=200m=300''',g,l)print(g) #{'x': 100, 'y': 2,'z':200,......}print(l) #{'m': 300}

五 自定义元类控制类OldboyTeacher的创建

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

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    passclass OldboyTeacher(object,metaclass=Mymeta): # OldboyTeacher=Mymeta('OldboyTeacher',(object),{...})    school='oldboy'    def __init__(self,name,age):        self.name=name        self.age=age    def say(self):        print('%s says welcome to the oldboy 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OldboyTeacher=Mymeta('OldboyTeacher',(object),{...})，调用Mymeta会先产生一个空对象OldoyTeacher，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) #
     
              # print(class_bases) #(
      
       ,)        # print(class_dic) #{'__module__': '__main__', '__qualname__': 'OldboyTeacher', 'school': 'oldboy', '__init__': 
       
        , 'say': 
        
         }        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 OldboyTeacher(object,metaclass=Mymeta): # OldboyTeacher=Mymeta('OldboyTeacher',(object),{...})    """    类OldboyTeacher的文档注释    """    school='oldboy'    def __init__(self,name,age):        self.name=name        self.age=age    def say(self):        print('%s says welcome to the oldboy to learn Python' %self.name)
        
       
      
     

六 自定义元类控制类OldboyTeacher的调用

储备知识：__call__

class Foo:    def __call__(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，该方法会在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OldboyTeacher也当做一个对象，那么在OldboyTeacher这个对象的类中也必然存在一个__call__方法

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 __call__(self, *args, **kwargs):        print(self) #
     
              print(args) #('egon', 18)        print(kwargs) #{}        return 123class OldboyTeacher(object,metaclass=Mymeta):    school='oldboy'    def __init__(self,name,age):        self.name=name        self.age=age    def say(self):        print('%s says welcome to the oldboy to learn Python' %self.name)# 调用OldboyTeacher就是在调用OldboyTeacher类中的__call__方法# 然后将OldboyTeacher传给self,溢出的位置参数传给*，溢出的关键字参数传给**# 调用OldboyTeacher的返回值就是调用__call__的返回值t1=OldboyTeacher('egon',18)print(t1) #123
     

 

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

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 __call__(self, *args, **kwargs): #self=
     
              #1、调用__new__产生一个空对象obj        obj=self.__new__(self) # 此处的self是类OldoyTeacher，必须传参，代表创建一个OldboyTeacher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 objclass OldboyTeacher(object,metaclass=Mymeta):    school='oldboy'    def __init__(self,name,age):        self.name=name        self.age=age    def say(self):        print('%s says welcome to the oldboy to learn Python' %self.name)t1=OldboyTeacher('egon',18)print(t1.__dict__) #{'name': 'egon', 'age': 18}
     

 

上例的__call__相当于一个模板，我们可以在该基础上改写__call__的逻辑从而控制调用OldboyTeacher的过程，比如将OldboyTeacher的对象的所有属性都变成私有的

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 __call__(self, *args, **kwargs): #self=
     
              #1、调用__new__产生一个空对象obj        obj=self.__new__(self) # 此处的self是类OldoyTeacher，必须传参，代表创建一个OldboyTeacher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 objclass OldboyTeacher(object,metaclass=Mymeta):    school='oldboy'    def __init__(self,name,age):        self.name=name        self.age=age    def say(self):        print('%s says welcome to the oldboy to learn Python' %self.name)t1=OldboyTeacher('egon',18)print(t1.__dict__) #{'_OldboyTeacher__name': 'egon', '_OldboyTeacher__age': 18}
     

上例中涉及到查找属性的问题，比如self.__new__，请看下一小节

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？？？

在学习完元类后，其实我们用class自定义的类也全都是对象（包括object类本身也是元类type的 一个实例，可以用type(object)查看），我们学习过继承的实现原理，如果把类当成对象去看，将下述继承应该说成是：对象OldboyTeacher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=
     
              obj=self.__new__(self)        self.__init__(obj,*args,**kwargs)        return objclass Bar(object):    n=333class Foo(Bar):    n=222class OldboyTeacher(Foo,metaclass=Mymeta):    n=111    school='oldboy'    def __init__(self,name,age):        self.name=name        self.age=age    def say(self):        print('%s says welcome to the oldboy to learn Python' %self.name)print(OldboyTeacher.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OldboyTeacher->Foo->Bar->object->Mymeta->type
     

于是属性查找应该分成两层，一层是对象层（基于c3算法的MRO）的查找，另外一个层则是类层（即元类层）的查找

#查找顺序：#1、先对象层：OldoyTeacher->Foo->Bar->object#2、然后元类层：Mymeta->type

依据上述总结，我们来分析下元类Mymeta中__call__里的self.__new__的查找

class Mymeta(type):     n=444    def __call__(self, *args, **kwargs): #self=
     
              obj=self.__new__(self)        print(self.__new__ is object.__new__) #Trueclass Bar(object):    n=333    # def __new__(cls, *args, **kwargs):    #     print('Bar.__new__')class Foo(Bar):    n=222    # def __new__(cls, *args, **kwargs):    #     print('Foo.__new__')class OldboyTeacher(Foo,metaclass=Mymeta):    n=111    school='oldboy'    def __init__(self,name,age):        self.name=name        self.age=age    def say(self):        print('%s says welcome to the oldboy to learn Python' %self.name)    # def __new__(cls, *args, **kwargs):    #     print('OldboyTeacher.__new__')OldboyTeacher('egon',18) #触发OldboyTeacher的类中的__call__方法的执行，进而执行self.__new__开始查找 
     

总结，Mymeta下的__call__里的self.__new__在OldboyTeacher、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__

 

我们在元类的__call__中也可以用object.__new__(self)去造对象

但我们还是推荐在__call__中使用self.__new__（self）去创造空对象，因为这种方式会检索三个类OldboyTeacher->Foo->Bar,而object.__new__则是直接跨过了他们三个

最后说明一点

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 __new__(cls, *args, **kwargs):        obj=type.__new__(cls,*args,**kwargs) # 必须按照这种传值方式        print(obj.__dict__)        # return obj # 只有在返回值是type的对象时，才会触发下面的__init__        return 123    def __init__(self,class_name,class_bases,class_dic):        print('run。。。')class OldboyTeacher(object,metaclass=Mymeta): #OldboyTeacher=Mymeta('OldboyTeacher',(object),{...})    n=111    school='oldboy'    def __init__(self,name,age):        self.name=name        self.age=age    def say(self):        print('%s says welcome to the oldboy to learn Python' %self.name)print(type(Mymeta)) #
     
      # 产生类OldboyTeacher的过程就是在调用Mymeta，而Mymeta也是type类的一个对象，那么Mymeta之所以可以调用，一定是在元类type中有一个__call__方法# 该方法中同样需要做至少三件事：# class type:#     def __call__(self, *args, **kwargs): #self=
      
       #         obj=self.__new__(self,*args,**kwargs) # 产生Mymeta的一个对象#         self.__init__(obj,*args,**kwargs) #         return obj
      
     

七 练习题

练习一：在元类中控制把自定义类的数据属性都变成大写

class Mymetaclass(type):    def __new__(cls,name,bases,attrs):        update_attrs={}        for k,v in attrs.items():            if not callable(v) and not k.startswith('__'):                update_attrs[k.upper()]=v            else:                update_attrs[k]=v        return type.__new__(cls,name,bases,update_attrs)class Chinese(metaclass=Mymetaclass):    country='China'    tag='Legend of the Dragon' #龙的传人    def walk(self):        print('%s is walking' %self.name)print(Chinese.__dict__)'''{'__module__': '__main__', 'COUNTRY': 'China',  'TAG': 'Legend of the Dragon', 'walk': 
      
       , '__dict__': 
       
        ,                                          '__weakref__': 
        
         , '__doc__': None}'''
        
       
      

练习二：在元类中控制自定义的类无需__init__方法

　　1.元类帮其完成创建对象，以及初始化操作；

　　2.要求实例化时传参必须为关键字形式，否则抛出异常TypeError: must use keyword argument

　　3.key作为用户自定义类产生对象的属性，且所有属性变成大写

class Mymetaclass(type):    # def __new__(cls,name,bases,attrs):    #     update_attrs={}    #     for k,v in attrs.items():    #         if not callable(v) and not k.startswith('__'):    #             update_attrs[k.upper()]=v    #         else:    #             update_attrs[k]=v    #     return type.__new__(cls,name,bases,update_attrs)    def __call__(self, *args, **kwargs):        if args:            raise TypeError('must use keyword argument for key function')        obj = object.__new__(self) #创建对象，self为类Foo        for k,v in kwargs.items():            obj.__dict__[k.upper()]=v        return objclass Chinese(metaclass=Mymetaclass):    country='China'    tag='Legend of the Dragon' #龙的传人    def walk(self):        print('%s is walking' %self.name)p=Chinese(name='egon',age=18,sex='male')print(p.__dict__)

练习三：在元类中控制自定义的类产生的对象相关的属性全部为隐藏属性

class Mymeta(type):    def __init__(self,class_name,class_bases,class_dic):        #控制类Foo的创建        super(Mymeta,self).__init__(class_name,class_bases,class_dic)    def __call__(self, *args, **kwargs):        #控制Foo的调用过程，即Foo对象的产生过程        obj = self.__new__(self)        self.__init__(obj, *args, **kwargs)        obj.__dict__={
    '_%s__%s' %(self.__name__,k):v for k,v in obj.__dict__.items()}        return objclass Foo(object,metaclass=Mymeta):  # Foo=Mymeta(...)    def __init__(self, name, age,sex):        self.name=name        self.age=age        self.sex=sexobj=Foo('egon',18,'male')print(obj.__dict__)

练习四：基于元类实现单例模式

#步骤五：基于元类实现单例模式# 单例：即单个实例，指的是同一个类实例化多次的结果指向同一个对象，用于节省内存空间# 如果我们从配置文件中读取配置来进行实例化，在配置相同的情况下，就没必要重复产生对象浪费内存了#settings.py文件内容如下HOST='1.1.1.1'PORT=3306#方式一:定义一个类方法实现单例模式import settingsclass Mysql:    __instance=None    def __init__(self,host,port):        self.host=host        self.port=port    @classmethod    def singleton(cls):        if not cls.__instance:            cls.__instance=cls(settings.HOST,settings.PORT)        return cls.__instanceobj1=Mysql('1.1.1.2',3306)obj2=Mysql('1.1.1.3',3307)print(obj1 is obj2) #Falseobj3=Mysql.singleton()obj4=Mysql.singleton()print(obj3 is obj4) #True#方式二：定制元类实现单例模式import settingsclass Mymeta(type):    def __init__(self,name,bases,dic): #定义类Mysql时就触发        # 事先先从配置文件中取配置来造一个Mysql的实例出来        self.__instance = object.__new__(self)  # 产生对象        self.__init__(self.__instance, settings.HOST, settings.PORT)  # 初始化对象        # 上述两步可以合成下面一步        # self.__instance=super().__call__(*args,**kwargs)        super().__init__(name,bases,dic)    def __call__(self, *args, **kwargs): #Mysql(...)时触发        if args or kwargs: # args或kwargs内有值            obj=object.__new__(self)            self.__init__(obj,*args,**kwargs)            return obj        return self.__instanceclass Mysql(metaclass=Mymeta):    def __init__(self,host,port):        self.host=host        self.port=portobj1=Mysql() # 没有传值则默认从配置文件中读配置来实例化，所有的实例应该指向一个内存地址obj2=Mysql()obj3=Mysql()print(obj1 is obj2 is obj3)obj4=Mysql('1.1.1.4',3307)#方式三:定义一个装饰器实现单例模式import settingsdef singleton(cls): #cls=Mysql    _instance=cls(settings.HOST,settings.PORT)    def wrapper(*args,**kwargs):        if args or kwargs:            obj=cls(*args,**kwargs)            return obj        return _instance    return wrapper@singleton # Mysql=singleton(Mysql)class Mysql:    def __init__(self,host,port):        self.host=host        self.port=portobj1=Mysql()obj2=Mysql()obj3=Mysql()print(obj1 is obj2 is obj3) #Trueobj4=Mysql('1.1.1.3',3307)obj5=Mysql('1.1.1.4',3308)print(obj3 is obj4) #False