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Python 元类

印象中,是在创建单例模式时知道可以用到元类(metaclass),但始终对其了解的不是很透彻,很多人也都说元类是Python中较难理解的概念之一,于是找来几本书,希望可以找到答案,本文以Python3为例。

本文参考:

《人人都懂设计模式》

《Python Cookbook》

《 流畅的Python》1044

先来简单介绍下:元类(metaclass)是一个类,你也可以理解为类的类,因为Python中的类是在运行时动态创建的,那么通过元类便可以控制类属性和类实例的创建过程。

来看看用元类实现的单例模式:

class Singleton(type):\"\"\"单例模式\"\"\"def __init__(cls, *args, **kwargs):cls.__instance = Nonesuper().__init__(*args, **kwargs)def __call__(cls, *args, **kwargs):if cls.__instance is None:cls.__instance = super().__call__(*args, **kwargs)return cls.__instanceclass Test(metaclass=Singleton):def __init__(self):passa = Test()b = Test()print(id(a))print(id(b))

具体的实现是:创建类时显式的指定类的metaclass,而自定义的metaclass继承type,并重新实现

__call__

方法。

于是,有了两个问题:

  • 为什么自定义的metaclass继承type?

因为,在Python中,type是默认的metaclass(内建元类),Python允许我们自定义metaclass,自定义的metaclass必须继承自type,也就是:元类从type类继承了构建类的能力。

我们通常用type来获取对象所属的类,就像这样:

In [10]: a = 10In [11]: type(a)Out[11]: int

然而,type还是一个类,你可以通过type来新建一个类,看type的源码,通过

type(name, bases, dict)

便可以生成一个新的类:

In [44]: test_class = type(\'Test\', (), dict({\'name\': None}))In [45]: a = test_class()In [46]: a.name = \'Tony\'In [47]: a.nameOut[47]: \'Tony\'

默认情况下,Python中类都是type类的实例:

In [12]: class A:...:     pass...:In [13]: A.__class__Out[13]: typeIn [14]: int.__class__Out[14]: type

当你使用class关键字时,Python在幕后做的事情,就是通过元类来实现的。

  • 为什么重新定义
    __call__

    方法?

提出该问题是因为,与Python类创建相关的方法是:

__new__

:类方法,负责对象的创建,在定义类时需要返回一个实例,在我们通过类名进行实例化对象时自动调用。

__init__

:初始化函数,负责对new实例化的对象进行初始化,负责对象状态的更新和属性的设置,在每一次实例化对象之后调用。

而我们常用

__call__

方法只是为了声明这个类的对象是可调用的(callable)。

但是,在metaclass中

__call__

方法还负责对象的创建,这就是为什么要重新定义的原因了。

重定义了

__call__

方法之后,一个对象的创建过程大概如下图:

我们验证一下:

class TestMetaClass(type):def __init__(cls, what, bases=None, dict=None):print(\"metaclass init\")super().__init__(what, bases, dict)def __call__(cls, *args, **kwargs):print(\"metaclass call\")self = super(TestMetaClass, cls).__call__(*args, **kwargs)return selfclass TestClass(metaclass=TestMetaClass):def __init__(self, *args, **kwargs):print(\"class init\")super().__init__()def __new__(cls, *args, **kwargs):print(\"class new\")self = super().__new__(cls)return selfa = TestClass()

返回:

metaclass initmetaclass callclass newclass init

可以看到,

__call__

方法在类执行

__new__

__init__

之前执行,这样就可以解释:

在Singleton中的

__call__

方法对类属性

__instance

进行判断:

  1. 如果
    __instance

    为None,56c表明类还未进行实例化,那么给

    __instance

    赋值为元类的父类(type)的

    __call__

    方法。

  2. 如果
    __instance

    不为None,说明类已经进行过实例化,直接返回cls.__instance中的类实例。

便实现了单例模式。

除了重新定义

__call__

以外,元类可以通过实现

__init__

方法来定制实例,元类的

__init__

方法可以做到类装饰器能做到的任务事情,并且作用更大。

如果想要进一步定制类,可以在元类中实现

__new__

方法。

另,编写元类时,通常会把self参数改为cls,这样能更清楚的表明要构建的实例是类。

元类的调用

上述例子中,都是通过

metaclass=\'\'

来设置类的元类,还可以这样:

class TestClass():__metaclass__ = TestMetaClassdef __init__(self, *args, **kwargs):print(\"class init\")super().__init__()

在执行类定义时,解释器会先寻找这个类属性中的

__metaclass__

,如果此属性存在,就将这个属性赋值给此类作为它的元类,如果此属性没有定义的话,就会向上查找父类的

__metaclass__

,如果没有发现ad8任何的父类,并且解释器中也没有名字为

__metaclass__

的全局变量,这个类就是传统类,会使用type.ClassType作为此类的元类。

以上。

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