Python metaclass 簡介

metaclass 譯為 元類 ，可以了解為 metaclass 為描述類的超類，同時可以改變子類的形态，本文介紹相關内容。

Python中的類

class，對于大部分面向對象語言來說，class是一段定義了如何産生object的代碼塊。在Python中這一定義也成立。
但是在Python中，class并不隻有這一角色。class實際上也是object。當我們使用class定義一個類的時候，Python會執行相應代碼并在記憶體中建立一個對應類的的object。
而metaclass 是控制類執行個體（這裡表示類本身的定義，不是類的執行個體）産生的”超類“

直接看一個 metaclass的例子可以有更直覺的了解

metaclass 執行個體

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')

複制

輸出

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__

複制

從上面的運作結果可以發現在定義 class Foo() 定義時，會依次調用 MyMeta 的 __new__ 和 __init__ 方法建構 Foo 類，然後在調用 foo = Foo() 建立類的執行個體對象時，才會調用 MyMeta 的 __call__ 方法來調用 Foo 類的 __new__ 和 __init__ 方法。

在沒有 metaclass 的情況下，子類繼承父類，父類是無法對子類執行操作的，但有了 metaclass，就可以對子類進行操作，就像裝飾器那樣可以動态定制和修改被裝飾的類，metaclass 可以動态的定制或修改繼承它的子類。

meatclass 工作原理

類是 type 類的執行個體

class TestClass:
    pass

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

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輸出

<class 'type'>
True

複制

可以看到類是 type 類的執行個體

使用者定義類，是 type 類的 `call` 運算符重載

當我們定義一個類的語句結束時，真正發生的情況，是 Python 調用 type 的

__call__

運算符。

當你定義一個類時，寫成下面這樣時：

class MyClass:
    data = 1

複制

Python 真正執行的是下面這段代碼：

class = type(classname, superclasses, attributedict)

複制

這裡等号右邊的 type(classname, superclasses, attributedict)，就是 type 的

__call__

運算符重載，它會進一步調用：

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

複制

metaclass 是 type 的子類，通過替換 type 的 `call` 運算符重載機制，“超越變形”正常的類

正是 Python 的類建立機制，給了 metaclass 大展身手的機會。一旦你把一個類型 MyClass 的 metaclass 設定成 MyMeta，MyClass 就不再由原生的 type 建立，而是會調用 MyMeta 的

__call__

運算符重載。

class = type(classname, superclasses, attributedict) 
# 變為了
class = MyMeta(classname, superclasses, attributedict)

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metaclass 使用方法

定義屬性

當定義class的時候，我們可以使用

__metaclass__

attribute來指定用來初始化目前class的metaclass。如下面的例子所示：

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

複制

如果我們指定了 __metaclass__ ，Python就是使用這個metaclass來生成class Foo 。
當Python試圖建立class Foo 的時候，Python會首先在class的定義中尋找 __metaclass__ attribute。如果存在 __metaclass__ ，Python将會使用指定的 __metaclass__ 來建立class Foo 。如果沒有指定的話，Python就會使用預設的 type 作為metaclass建立 Foo 。

顯式指定 metaclass

在建立類時顯式指定 metaclass 類的内容

class Foo(metaclass=Mymeta):
	pass

複制

該方法指定的metaclass會被子類繼承
也就是說指定 metaclass 之後，Foo 類及其子類在預設情況下都會使用 Mymeta 作為 metaclass
這就是控制子類行為的方法

繼承父類 metaclass

對于下面這個例子：

class Foo(Bar):
    pass

複制

Python首先在 Foo 中尋找是否存在 __metaclass__ attribute。
如果存在的話，Python将使用這個metaclass在記憶體中建立一個名字為 Foo 的class object。如果Python
如果class定義中不存在 __metaclass__ 的話，Python将會尋找MODULE級别的 __metaclass__ 。如果存在的話就進行與前述相同的操作。
當Python仍然沒有找到 __metaclass__ 時，Python将會使用目前類的父類的metaclass來建立目前類。在我們上面這個例子中，Python會使用 Foo 的父類 Bar 的metaclass來建立 Foo 的class object。

同時需要注意的是，在class中定義的 __metaclass__ attribute并不會被子類繼承。被子類繼承的是母類的metaclass，也就是母類的 .__class__ attribute。比如上面的例子中， Bar.__class__ 将會被 Foo 繼承。也就是說，如果 Bar 定義了一個 __metaclass__ attribute來使用 type() 建立 Bar 的class object（而非使用 type.__new__() ），那麼 Bar 的子類，也就是 Foo ，并不會繼承這一行為。

使用 metaclass 的風險

不過，凡事有利必有弊，尤其是 metaclass 這樣“逆天”的存在。正如你所看到的那樣，metaclass 會"扭曲變形"正常的 Python 類型模型。是以，如果使用不慎，對于整個代碼庫造成的風險是不可估量的。

換句話說，metaclass 僅僅是給小部分 Python 開發者，在開發架構層面的 Python 庫時使用的。而在應用層，metaclass 往往不是很好的選擇。

參考資料

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