五分钟理解Python元类（Metaclasses）
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“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。
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