metaclass

metaclass的英文直譯過(guò)來(lái)就是元類，這既是一個(gè)概念也可以認(rèn)為是Python當(dāng)中的一個(gè)關(guān)鍵字，不管怎么理解，對(duì)它的內(nèi)核含義并沒(méi)有什么影響。我們可以不必糾結(jié)，就認(rèn)為它是類的類的意思即可。在這個(gè)用法當(dāng)中，支持我們自己定義一個(gè)類，使得它是后面某一個(gè)類的元類。

之前使用type動(dòng)態(tài)創(chuàng)建類的時(shí)候，我們傳入了類名，和父類的tuple以及屬性的dict。在metaclass用法當(dāng)中，其實(shí)核心相差不大，只是表現(xiàn)形式有所區(qū)別。我們來(lái)看一個(gè)例子即可：

classAddInfo(type):

def__new__(cls,name,bases,attr):

attr['info']='addbymetaclass'

returnsuper().__new__(cls,name,bases,attr)

classTest(metaclass=AddInfo):

pass

在這個(gè)例子當(dāng)中，我們首先創(chuàng)建了一個(gè)類叫做AddInfo，這是我們定義的一個(gè)元類。由于我們希望通過(guò)它來(lái)實(shí)現(xiàn)元類的功能，所以我們需要它繼承type類。我們?cè)谥暗奈恼庐?dāng)中說(shuō)過(guò)，在Python面向?qū)ο螽?dāng)中，所有的類的根本來(lái)源就是type。也就是說(shuō)Python當(dāng)中的每一個(gè)類都是type的實(shí)例。

我們?cè)谶@個(gè)類當(dāng)中重載了__new__方法，我們?cè)赺_new__方法當(dāng)中傳入了四個(gè)參數(shù)。眼尖一點(diǎn)的小伙伴一定已經(jīng)看出來(lái)了，這個(gè)函數(shù)的四個(gè)參數(shù)，正是我們調(diào)用type創(chuàng)建類的時(shí)候傳入的參數(shù)。其實(shí)我們調(diào)用type的方法來(lái)創(chuàng)建類的時(shí)候，就是調(diào)用的__new__這個(gè)函數(shù)完成的，這兩種寫法對(duì)應(yīng)的邏輯是完全一樣的。

我們之后又創(chuàng)建了一個(gè)新的類叫做Test，這個(gè)當(dāng)中沒(méi)有任何邏輯，直接pass。但是我們?cè)趧?chuàng)建類的時(shí)候指定了一個(gè)參數(shù)metaclass=AddInfo，這里這個(gè)參數(shù)其實(shí)就是指定的這個(gè)類的元類，也就是指定這個(gè)類的創(chuàng)建邏輯。雖然我們用代碼寫了類的定義，但是在實(shí)際執(zhí)行的時(shí)候，這個(gè)類是以metaclass為元類創(chuàng)建的。

根據(jù)上面的邏輯，我們可以知道，Test類在創(chuàng)建的時(shí)候就被賦予了類屬性info。我們可以驗(yàn)證一下：

拓展類功能

上面這段就是元類的基本用法了，其實(shí)本質(zhì)上和我們之前介紹的type的動(dòng)態(tài)類創(chuàng)建是一樣的，只不過(guò)展現(xiàn)的形式不同。那么我們就有一個(gè)問(wèn)題要問(wèn)了，我們使用元類究竟能夠做什么呢?

這里有一個(gè)經(jīng)典的例子，我們都知道Python原生的list是沒(méi)有'add'這個(gè)方法的。假設(shè)我們習(xí)慣了Java當(dāng)中l(wèi)ist的使用，習(xí)慣用add來(lái)為它添加元素。我們希望創(chuàng)建一個(gè)新的類，在這個(gè)新的類當(dāng)中，我們可以通過(guò)add來(lái)添加函數(shù)。通過(guò)元類可以很方便地使用這一點(diǎn)。

classListMeta(type):

def__new__(cls,name,bases,attrs):

#在類屬性當(dāng)中添加了add函數(shù)

#通過(guò)匿名函數(shù)映射到append函數(shù)上

attrs['add']=lambdaself,value:self.append(value)

returnsuper().__new__(cls,name,bases,attrs)

classMyList(list,metaclass=ListMeta):

pass

我們首先是定義了一個(gè)叫做ListMeta的元類，在這個(gè)元類當(dāng)中我們給類添加了一個(gè)屬性叫做add。它只是包裝了一下而已，底層是通過(guò)append方法實(shí)現(xiàn)的。我們來(lái)實(shí)驗(yàn)一下：

從結(jié)果來(lái)看也沒(méi)什么問(wèn)題，我們成功通過(guò)調(diào)用add方法往list當(dāng)中插入了元素。這里藏著一個(gè)小細(xì)節(jié)，我們?cè)贚istMeta當(dāng)中為attrs添加了一個(gè)名叫'add'的屬性。這個(gè)屬性是添加給類的，而不是類初始化出來(lái)的實(shí)例的。所以如果我們print出MyList這個(gè)類當(dāng)中的所有屬性，也能看到add的存在。

如果我們直接去通過(guò)MyList去訪問(wèn)add方法的話會(huì)引起報(bào)錯(cuò)，因?yàn)槲覀儗?shí)現(xiàn)add這個(gè)方法邏輯的匿名函數(shù)限制了需要傳入兩個(gè)參數(shù)。第一個(gè)參數(shù)是實(shí)例的對(duì)象self，第二個(gè)參數(shù)才是添加的元素value。如果我們通過(guò)MyList的類屬性去訪問(wèn)它的話會(huì)觸發(fā)一個(gè)錯(cuò)誤，因?yàn)槿鄙倭艘粋€(gè)參數(shù)。因?yàn)轭惍?dāng)中的屬性實(shí)例也是可以調(diào)用的，并且Python會(huì)在參數(shù)前面自動(dòng)添加self這個(gè)參數(shù)，就剛好滿足了要求。

搞明白了這些我們只是解決了可能性問(wèn)題，我們明白了元類可以實(shí)現(xiàn)這樣的操作，但沒(méi)有解決我們?yōu)槭裁幢仨氁褂迷惸?就拿剛才的例子來(lái)說(shuō)，我們完全可以繼承l(wèi)ist這個(gè)類，然后在其中再開(kāi)發(fā)我們想要的方法，為什么一定要使用元類呢?

就剛才這個(gè)場(chǎng)景來(lái)說(shuō)，的確，我們是找不出任何理由的。完全沒(méi)有理由不使用繼承，而非要用元類。但是在有些場(chǎng)景和有些問(wèn)題當(dāng)中，我們必須要使用元類不可。就是涉及類屬性變更和類創(chuàng)建的時(shí)候，我們來(lái)看下面這個(gè)例子。

控制實(shí)例的創(chuàng)建

還記得我們上篇文章介紹的工廠設(shè)計(jì)模式的例子嗎?就是我們可以通過(guò)參數(shù)來(lái)得到不同類的實(shí)例。

我們創(chuàng)建了三種游戲的類和一個(gè)工廠類，我們重載了工廠類的__new__函數(shù)。使得我們可以根據(jù)實(shí)例化時(shí)傳入的參數(shù)返回不同類型的實(shí)例。

classLast_of_us:

defplay(self):

print('theLastOfUsisreallyfunny')

classUncharted:

defplay(self):

print('theUnchartedisreallyfunny')

classPSGame:

defplay(self):

print('PShasmanygames')

classGameFactory:

games={'last_of_us':Last_of_us,'uncharted':Uncharted}

def__new__(cls,name):

ifnameincls.games:

returncls.games[name]()

else:

returnPSGame()

uncharted=GameFactory('uncharted')

last_of_us=GameFactory('last_of_us')

假設(shè)這個(gè)需求完成得很好順利上線了，但是運(yùn)行了一段時(shí)間之后我們發(fā)現(xiàn)下游有的時(shí)候?yàn)榱送祽袝?huì)不通過(guò)工廠類來(lái)創(chuàng)建實(shí)例，而是直接對(duì)需要的類做實(shí)例化。原本這沒(méi)有問(wèn)題，但是現(xiàn)在產(chǎn)品想要在工廠類當(dāng)中加上一些埋點(diǎn)，統(tǒng)計(jì)出訪問(wèn)我們工廠的訪問(wèn)量。所以我們需要限制這些游戲類不能直接實(shí)例化，必須要通過(guò)工廠返回實(shí)例。

那么這個(gè)功能我們?cè)趺磳?shí)現(xiàn)呢?

我們分析一下問(wèn)題就會(huì)發(fā)現(xiàn)，這一次不是需要我們?cè)趧?chuàng)建實(shí)例的時(shí)候做動(dòng)態(tài)的添加，而是直接限制一些類不允許直接調(diào)用進(jìn)行創(chuàng)建。限制的方法比較常用的一種就是拋出異常，所以我們希望可以給這些類加上一個(gè)邏輯，實(shí)例化類的時(shí)候傳入一個(gè)參數(shù)，表明是否是通過(guò)工廠類進(jìn)行的，如果不是，則拋出異常。

這里，我們需要用到另外一個(gè)默認(rèn)函數(shù)，叫做__call__，它是允許將類實(shí)例當(dāng)做函數(shù)調(diào)用。我們通過(guò)類名來(lái)實(shí)例化，其實(shí)也是一個(gè)調(diào)用邏輯。這個(gè)__call__的邏輯并不難寫，我們隨手就來(lái)：

def__call__(self,*args,**kwargs):

iflen(args)==0orargs[0]!='factory':

raiseTypeError("Can'tinstantiatedirectly")

但問(wèn)題是這個(gè)__call__函數(shù)并不能直接加在類當(dāng)中，因?yàn)樗膽?yīng)用范圍是實(shí)例，而不是類。而我們希望的是在創(chuàng)建實(shí)例的時(shí)候進(jìn)行限制，而不是對(duì)調(diào)用實(shí)例的時(shí)候進(jìn)行限制，所以這段邏輯只能通過(guò)元類實(shí)現(xiàn)。

我們直接創(chuàng)建類的時(shí)候就會(huì)觸發(fā)異常，因?yàn)椴皇峭ㄟ^(guò)工廠創(chuàng)建的。我們這里判斷是否是工廠創(chuàng)建的邏輯簡(jiǎn)化掉了，只是通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的字符串來(lái)進(jìn)行的判斷，實(shí)際上會(huì)用一些更加復(fù)雜的邏輯，這不是本文的重點(diǎn)，我們了解即可。

整體運(yùn)行的邏輯和我們?cè)O(shè)想的一樣，說(shuō)明這樣實(shí)現(xiàn)是正確的。

總結(jié)

我們?nèi)粘ｉ_(kāi)發(fā)當(dāng)中用到元類的情況非常罕見(jiàn)，一般都是在一些高端開(kāi)發(fā)的場(chǎng)景當(dāng)中。比如說(shuō)開(kāi)發(fā)一些框架或者是中間件，為了方便下游的使用，需要?jiǎng)?chuàng)建一些關(guān)于類屬性的動(dòng)態(tài)邏輯，才會(huì)用到元類。對(duì)于普通開(kāi)發(fā)者而言，如果你無(wú)法理解元類的含義以及應(yīng)用，也沒(méi)有關(guān)系，使用頻率非常低。

另外，元類的概念和動(dòng)態(tài)類、動(dòng)態(tài)語(yǔ)言的概念有關(guān)，Python語(yǔ)言的動(dòng)態(tài)特性很多正是通過(guò)這一點(diǎn)體現(xiàn)的。所以隨著我們對(duì)于Python動(dòng)態(tài)特性理解的加深，理解元類也會(huì)變得越來(lái)越容易，同樣也會(huì)理解越來(lái)越深刻。如果我們把Python的元類和裝飾器做一個(gè)類比的話，會(huì)發(fā)現(xiàn)兩者的核心邏輯是很類似的。本質(zhì)上都是在原有的邏輯之外封裝新的邏輯，只不過(guò)裝飾器針對(duì)的是一段邏輯，而元類針對(duì)的是類的屬性和創(chuàng)建過(guò)程。

以上內(nèi)容為大家介紹了Python之metaclass的原理和用法，希望對(duì)大家有所幫助，如果想要了解更多Python相關(guān)知識(shí)，請(qǐng)關(guān)注IT培訓(xùn)機(jī)構(gòu):千鋒教育。