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标题: Python 元类（Meta Class）：解密 Python 面向对象编程的幕后推手 [打印本页]

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作者: 锦通    时间: 2024-12-12 22:37
标题: Python 元类（Meta Class）：解密 Python 面向对象编程的幕后推手
在 Python 编程中，我们每天都在和类打交道，但是你是否也和我一样想过：类本身是什么？是谁创建了类？元类（Meta Class）就是用来创建类的"类"。本日让我们一起深入明白这个强盛而秘密的特性。
从一个简单的类提及

1. class Person:
2.     def __init__(self, name):
3.         self.name = name
4.    
5.     def greet(self):
6.         return f"Hello, I'm {self.name}"
8. # 创建实例
9. p = Person("Alice")
10. print(p.greet())  # 输出: Hello, I'm Alice

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当我们定义这个类时，Python 实际上在背后做了什么？让我们用 type 来看看：

1. print(type(p))        # <class '__main__.Person'>
2. print(type(Person))   # <class 'type'>

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看到了吗？Person 类的范例是 type。实际上，type 就是 Python 中的默认元类。
用 type 动态创建类

在 Python 中，我们可以用 type 动态创建类：

1. def greet(self):
2.     return f"Hello, I'm {self.name}"
4. # 动态创建类
5. PersonType = type('PersonType',
6.                  (object,),                # 基类
7.                  {
8.                      '__init__': lambda self, name: setattr(self, 'name', name),
9.                      'greet': greet
10.                  })
12. # 使用动态创建的类
13. p = PersonType("Bob")
14. print(p.greet())  # 输出: Hello, I'm Bob

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是的，我也很奇怪。 Python 中的 type 函数有两个用法，二者意义相去甚远：

• type(name, bases, dict)：创建一个新的类对象
  
• type(object)：返回对象的范例
  

自定义元类

当我们需要在类创建时进行一些特殊的控制或修改时，就可以利用自定义元类：

1. class LoggedMeta(type):
2.     def __new__(cls, name, bases, attrs):
3.         # 在类创建前，为所有方法添加日志
4.         for key, value in attrs.items():
5.             if callable(value) and not key.startswith('__'):
6.                 attrs[key] = cls.log_call(value)
7.         
8.         return super().__new__(cls, name, bases, attrs)
9.    
10.     @staticmethod
11.     def log_call(func):
12.         def wrapper(*args, **kwargs):
13.             print(f"Calling method: {func.__name__}")
14.             return func(*args, **kwargs)
15.         return wrapper
17. # 使用自定义元类
18. class MyClass(metaclass=LoggedMeta):
19.     def foo(self):
20.         print("foo")
22.     def bar(self):
23.         print("bar")
25. # 测试
26. obj = MyClass()
27. obj.foo()  # 输出: Calling method: foo \n foo
28. obj.bar()  # 输出: Calling method: bar \n bar

复制代码

输出：

1. Calling method: foo
2. foo
3. Calling method: bar
4. bar

复制代码

与继承的区别？

• 继承是在实例创建时起作用，而元类是在类定义时就起作用
  
• 继承控制的是实例的行为，而元类控制的是类的行为
  
• 继承遵循 MRO (Method Resolution Order) 规则，而元类工作在更底层，在类被创建之前就介入
  

继承实现上述的功能：

1. class Logged:
2.     def __getattribute__(self, name):
3.         attr = super().__getattribute__(name)
4.         if callable(attr) and not name.startswith('__'):
5.             print(f"Calling method: {name}")
6.         return attr
8. class MyClass(Logged):
9.     def foo(self):
10.         print("foo")
12.     def bar(self):
13.         print("bar")
15. # 测试
16. obj = MyClass()
17. obj.foo()
18. obj.bar()

复制代码

这种继承方案和元类方案的关键区别是：

• 继承方案在每次调用方法时都要经过 __getattribute__ ，性能开销较大
  
• 元类方案在类定义时就完成了方法的包装，运行时几乎没有额外开销
  
• 继承方案更容易明白和调试，元类方案更底层和强盛
  

这里补充一下 __getattribute__ ，参考： A key difference between __getattr__ and __getattribute__ is that __getattr__ is only invoked if the attribute wasn't found the usual ways. It's good for implementing a fallback for missing attributes, and is probably the one of two you want. 翻译： __getattr__ 和 __getattribute__ 之间的一个关键区别是，只有当属性无法通过通例方式找到时，才会调用 __getattr__ 。它非常恰当实现缺失属性的后备，并且可能是您想要的两个方法之一。

元类的实际应用场景

1. 接口逼迫实现

1. from abc import ABCMeta, abstractmethod
3. class InterfaceMeta(ABCMeta):
4.     def __init_subclass__(cls, **kwargs):
5.         super().__init_subclass__(**kwargs)
6.         # 获取所有抽象方法
7.         abstracts = {name for name, value in cls.__dict__.items()
8.                      if getattr(value, "__isabstractmethod__", False)}
9.         # 检查子类是否实现了所有抽象方法
10.         if abstracts and not getattr(cls, '__abstractmethods__', False):
11.             raise TypeError(f"Can't instantiate abstract class {cls.__name__} "
12.                             f"with abstract methods {abstracts}")
15. class Interface(metaclass=InterfaceMeta):
16.     @abstractmethod
17.     def my_interface(self):
18.         pass
21. # 这个类会在实例化时报错
22. class BadImplementation(Interface):
23.     pass
26. # 这个类可以正常使用
27. class GoodImplementation(Interface):
28.     def my_interface(self):
29.         return "Implementation"
32. # 测试
33. try:
34.     good = GoodImplementation()  # 正常
35.     print("GoodImplementation instantiated successfully:", good.my_interface())
36. except TypeError as e:
37.     print("Error in GoodImplementation:", e)
39. try:
40.     bad = BadImplementation()  # TypeError: Can't instantiate abstract class...
41. except TypeError as e:
42.     print("Error in BadImplementation:", e)

复制代码

留意这里的 __init_subclass__ 方法，它在子类被定义时被调用。在这个方法中，我们查抄子类是否实现了全部抽象方法。如果没有实现，我们就抛出一个 TypeError 异常。
或许出于 Python 动态范例的特性，我们依然只能在 bad = BadImplementation() 实例化时才会报错，而不是像静态语言那样，在 class BadImplementation 定义时就报错。
借助 pylint 这类静态代码查抄工具，我们可以在 class BadImplementation 定义时就发现这个错误。但是 Python 语言本身似乎做不到（或许你有好办法？可以批评区告诉我）。
但这也要比 class Interface 中定义一个 raise NotImplementedError 更优雅一些？
2. ORM 框架中的应用

这是一个简化版的 ORM 示例，展示了元类在实际项目中的应用：

1. class ModelMeta(type):
2.     def __new__(cls, name, bases, attrs):
3.         fields = {}
4.         for key, value in attrs.items():
5.             if isinstance(value, Field):
6.                 fields[key] = value
7.                
8.         attrs['_fields'] = fields
9.         return super().__new__(cls, name, bases, attrs)
11. class Field:
12.     def __init__(self, field_type):
13.         self.field_type = field_type
15. class Model(metaclass=ModelMeta):
16.     def __init__(self, **kwargs):
17.         for key, value in kwargs.items():
18.             if key in self._fields:
19.                 setattr(self, key, value)
20.    
21.     def validate(self):
22.         for name, field in self._fields.items():
23.             value = getattr(self, name, None)
24.             if not isinstance(value, field.field_type):
25.                 raise TypeError(f"{name} must be of type {field.field_type}")
27. # 使用这个简单的 ORM
28. class User(Model):
29.     name = Field(str)
30.     age = Field(int)
32. # 测试
33. user = User(name="Alice", age=25)
34. user.validate()  # 正常
35. user.age = "not an integer"
36. try:
37.     user.validate()  # 将抛出 TypeError
38. except TypeError as e:
39.     print(e)

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利用元类的留意事项

• 不要过度利用：元类是强盛的工具，但也容易导致代码难以明白和维护。大多数情况下，普通的类和装饰器就足够了。
  
• 性能思量：元类会在类创建时执行额外的代码，如果利用不当可能影响性能。
  
• 调试困难：利用元类的代码每每较难调试，因为它们改变了类的创建过程。
  

总结

元类是 Python 中一个强盛的特性，它允许我们控制类的创建过程。虽然在日常编程中可能用不到，但在框架开发中经常会用到。明白元类的工作原理对于深入明白 Python 的范例系统很有帮助。
末了提示一下，请记住 Python 之禅中的一句话：

Simple is better than complex.

除非确实需要元类的强盛功能，否则利用更简单的解决方案可能是更好的选择。

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