Python metaclass 简介

metaclass 译为元类，可以理解为 metaclass 为描述类的超类，同时可以改变子类的形态，本文介绍相关内容。

Python中的类

• class，对于大部分面向对象语言来说，class是一段定义了如何产生object的代码块。在Python中这一定义也成立。
• 但是在Python中，class并不只有这一角色。class实际上也是object。当我们使用class定义一个类的时候，Python会执行相应代码并在内存中创建一个对应类的的object。
• 而metaclass 是控制类实例（这里表示类本身的定义，不是类的实例）产生的”超类“

直接看一个 metaclass的例子可以有更直观的理解

metaclass 实例

class Mymeta(type):
    def __init__(self, name, bases, dic):
        super().__init__(name, bases, dic)
        print('Mymeta.__init__')
        print(self.__name__)
        print(dic)
        print(self.yaml_tag)

    def __new__(cls, *args, **kwargs):
        print('Mymeta.__new__')
        print(cls.__name__)
        return type.__new__(cls, *args, **kwargs)

    def __call__(cls, *args, **kwargs):
        print('Mymeta.__call__')
        obj = cls.__new__(cls)
        cls.__init__(cls, *args, **kwargs)
        return obj


class Foo(metaclass=Mymeta):
    yaml_tag = '!Foo'

    def __init__(self, name):
        print('Foo.__init__')
        self.name = name

    def __new__(cls, *args, **kwargs):
        print('Foo.__new__')
        return object.__new__(cls)

if __name__ == '__main__':
    foo = Foo('foo')

• 输出

Mymeta.__new__
Mymeta
Mymeta.__init__
Foo
{'__module__': '__main__', '__qualname__': 'Foo', 'yaml_tag': '!Foo', '__init__': <function Foo.__init__ at 0x000002626354E550>, '__new__': <function Foo.__new__ at 0x000002626354E5E0>}
!Foo
Mymeta.__call__
Foo.__new__
Foo.__init__

• 从上面的运行结果可以发现在定义 class Foo() 定义时，会依次调用 MyMeta 的 __new__ 和 __init__ 方法构建 Foo 类，然后在调用 foo = Foo() 创建类的实例对象时，才会调用 MyMeta 的 __call__ 方法来调用 Foo 类的 __new__ 和 __init__ 方法。

在没有 metaclass 的情况下，子类继承父类，父类是无法对子类执行操作的，但有了 metaclass，就可以对子类进行操作，就像装饰器那样可以动态定制和修改被装饰的类，metaclass 可以动态的定制或修改继承它的子类。

meatclass 工作原理

类是 type 类的实例

class TestClass:
    pass

if __name__ == '__main__':
    print(type(TestClass))
    print(isinstance(TestClass, type))

• 输出

<class 'type'>
True

• 可以看到类是 type 类的实例

用户定义类，是 type 类的 __call__ 运算符重载

当我们定义一个类的语句结束时，真正发生的情况，是 Python 调用 type 的 __call__ 运算符。

当你定义一个类时，写成下面这样时：

class MyClass:
    data = 1

Python 真正执行的是下面这段代码：

class = type(classname, superclasses, attributedict)

这里等号右边的 type(classname, superclasses, attributedict)，就是 type 的 __call__ 运算符重载，它会进一步调用：

type.__new__(typeclass, classname, superclasses, attributedict)
type.__init__(class, classname, superclasses, attributedict)

metaclass 是 type 的子类，通过替换 type 的 __call__ 运算符重载机制，“超越变形”正常的类

正是 Python 的类创建机制，给了 metaclass 大展身手的机会。一旦你把一个类型 MyClass 的 metaclass 设置成 MyMeta，MyClass 就不再由原生的 type 创建，而是会调用 MyMeta 的 __call__ 运算符重载。

class = type(classname, superclasses, attributedict) 
# 变为了
class = MyMeta(classname, superclasses, attributedict)

metaclass 使用方法

定义属性

当定义class的时候，我们可以使用__metaclass__ attribute来指定用来初始化当前class的metaclass。如下面的例子所示：

class Foo(object):
    __metaclass__ = something
    [other statements...]

• 如果我们指定了__metaclass__，Python就是使用这个metaclass来生成class Foo。
• 当Python试图创建class Foo的时候，Python会首先在class的定义中寻找__metaclass__ attribute。如果存在__metaclass__，Python将会使用指定的__metaclass__来创建class Foo。如果没有指定的话，Python就会使用默认的type作为metaclass创建Foo。

显式指定 metaclass

在创建类时显式指定 metaclass 类的内容

class Foo(metaclass=Mymeta):
	pass

• 该方法指定的metaclass会被子类继承
• 也就是说指定 metaclass 之后，Foo 类及其子类在默认情况下都会使用 Mymeta 作为 metaclass
• 这就是控制子类行为的方法

继承父类 metaclass

对于下面这个例子：

class Foo(Bar):
    pass

• Python首先在Foo中寻找是否存在__metaclass__ attribute。
• 如果存在的话，Python将使用这个metaclass在内存中创建一个名字为Foo的class object。如果Python
• 如果class定义中不存在__metaclass__的话，Python将会寻找MODULE级别的__metaclass__。如果存在的话就进行与前述相同的操作。
• 当Python仍然没有找到__metaclass__时，Python将会使用当前类的父类的metaclass来创建当前类。在我们上面这个例子中，Python会使用Foo的父类Bar的metaclass来创建Foo的class object。

同时需要注意的是，在class中定义的__metaclass__ attribute并不会被子类继承。被子类继承的是母类的metaclass，也就是母类的.__class__ attribute。比如上面的例子中，Bar.__class__将会被Foo继承。也就是说，如果Bar定义了一个__metaclass__ attribute来使用type()创建Bar的class object（而非使用type.__new__()），那么Bar的子类，也就是Foo，并不会继承这一行为。

使用 metaclass 的风险

不过，凡事有利必有弊，尤其是 metaclass 这样“逆天”的存在。正如你所看到的那样，metaclass 会"扭曲变形"正常的 Python 类型模型。所以，如果使用不慎，对于整个代码库造成的风险是不可估量的。

换句话说，metaclass 仅仅是给小部分 Python 开发者，在开发框架层面的 Python 库时使用的。而在应用层，metaclass 往往不是很好的选择。

参考资料

• https://zhuanlan.zhihu.com/p/98440398
• https://www.jianshu.com/p/224ffcb8e73e