這篇文章主要介紹了在Python中使用元類的教程,是Python當中的基礎(chǔ)知識,代碼基于Python2.x版本,需要的朋友可以參考下

type()

動態(tài)語言和靜態(tài)語言最大的不同，就是函數(shù)和類的定義，不是編譯時定義的，而是運行時動態(tài)創(chuàng)建的。

比方說我們要定義一個Hello的class，就寫一個hello.py模塊：

class Hello(object):

def hello(self, name='world'):

print('Hello, %s.' % name)

當Python解釋器載入hello模塊時，就會依次執(zhí)行該模塊的所有語句，執(zhí)行結(jié)果就是動態(tài)創(chuàng)建出一個Hello的class對象，測試如下：

>>> from hello import Hello

>>> h = Hello()

>>> h.hello()

Hello, world.

>>> print(type(Hello))

<type 'type'>

>>> print(type(h))

<class 'hello.Hello'>

type()函數(shù)可以查看一個類型或變量的類型，Hello是一個class，它的類型就是type，而h是一個實例，它的類型就是class Hello。

我們說class的定義是運行時動態(tài)創(chuàng)建的，而創(chuàng)建class的方法就是使用type()函數(shù)。

type()函數(shù)既可以返回一個對象的類型，又可以創(chuàng)建出新的類型，比如，我們可以通過type()函數(shù)創(chuàng)建出Hello類，而無需通過class Hello(object)...的定義：

>>> def fn(self, name='world'): # 先定義函數(shù)

... print('Hello, %s.' % name)

...

>>> Hello = type('Hello', (object,), dict(hello=fn)) # 創(chuàng)建Hello class

>>> h = Hello()

>>> h.hello()

Hello, world.

>>> print(type(Hello))

<type 'type'>

>>> print(type(h))

<class '__main__.Hello'>

要創(chuàng)建一個class對象，type()函數(shù)依次傳入3個參數(shù)：

class的名稱;

繼承的父類集合，注意Python支持多重繼承，如果只有一個父類，別忘了tuple的單元素寫法;

class的方法名稱與函數(shù)綁定，這里我們把函數(shù)fn綁定到方法名hello上。

通過type()函數(shù)創(chuàng)建的類和直接寫class是完全一樣的，因為Python解釋器遇到class定義時，僅僅是掃描一下class定義的語法，然后調(diào)用type()函數(shù)創(chuàng)建出class。

正常情況下，我們都用class Xxx...來定義類，但是，type()函數(shù)也允許我們動態(tài)創(chuàng)建出類來，也就是說，動態(tài)語言本身支持運行期動態(tài)創(chuàng)建類，這和靜態(tài)語言有非常大的不同，要在靜態(tài)語言運行期創(chuàng)建類，必須構(gòu)造源代碼字符串再調(diào)用編譯器，或者借助一些工具生成字節(jié)碼實現(xiàn)，本質(zhì)上都是動態(tài)編譯，會非常復雜。

metaclass

除了使用type()動態(tài)創(chuàng)建類以外，要控制類的創(chuàng)建行為，還可以使用metaclass。

metaclass，直譯為元類，簡單的解釋就是：

當我們定義了類以后，就可以根據(jù)這個類創(chuàng)建出實例，所以：先定義類，然后創(chuàng)建實例。

但是如果我們想創(chuàng)建出類呢?那就必須根據(jù)metaclass創(chuàng)建出類，所以：先定義metaclass，然后創(chuàng)建類。

連接起來就是：先定義metaclass，就可以創(chuàng)建類，最后創(chuàng)建實例。

所以，metaclass允許你創(chuàng)建類或者修改類。換句話說，你可以把類看成是metaclass創(chuàng)建出來的“實例”。

metaclass是Python面向?qū)ο罄镒铍y理解，也是最難使用的魔術(shù)代碼。正常情況下，你不會碰到需要使用metaclass的情況，所以，以下內(nèi)容看不懂也沒關(guān)系，因為基本上你不會用到。

我們先看一個簡單的例子，這個metaclass可以給我們自定義的MyList增加一個add方法：

定義ListMetaclass，按照默認習慣，metaclass的類名總是以Metaclass結(jié)尾，以便清楚地表示這是一個metaclass：

# metaclass是創(chuàng)建類，所以必須從`type`類型派生：

class ListMetaclass(type):

def __new__(cls, name, bases, attrs):

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

return type.__new__(cls, name, bases, attrs)

class MyList(list):

__metaclass__ = ListMetaclass # 指示使用ListMetaclass來定制類

當我們寫下__metaclass__ = ListMetaclass語句時，魔術(shù)就生效了，它指示Python解釋器在創(chuàng)建MyList時，要通過ListMetaclass.__new__()來創(chuàng)建，在此，我們可以修改類的定義，比如，加上新的方法，然后，返回修改后的定義。

__new__()方法接收到的參數(shù)依次是：

當前準備創(chuàng)建的類的對象;

類的名字;

類繼承的父類集合;

類的方法集合。

測試一下MyList是否可以調(diào)用add()方法：

>>> L = MyList()

>>> L.add(1)

>>> L

[1]

而普通的list沒有add()方法：

>>> l = list()

>>> l.add(1)

Traceback (most recent call last):

File "<stdin>", line 1, in <module>

AttributeError: 'list' object has no attribute 'add'

動態(tài)修改有什么意義?直接在MyList定義中寫上add()方法不是更簡單嗎?正常情況下，確實應該直接寫，通過metaclass修改純屬變態(tài)。

但是，總會遇到需要通過metaclass修改類定義的。ORM就是一個典型的例子。

ORM全稱“Object Relational Mapping”，即對象-關(guān)系映射，就是把關(guān)系數(shù)據(jù)庫的一行映射為一個對象，也就是一個類對應一個表，這樣，寫代碼更簡單，不用直接操作SQL語句。

要編寫一個ORM框架，所有的類都只能動態(tài)定義，因為只有使用者才能根據(jù)表的結(jié)構(gòu)定義出對應的類來。

讓我們來嘗試編寫一個ORM框架。

編寫底層模塊的第一步，就是先把調(diào)用接口寫出來。比如，使用者如果使用這個ORM框架，想定義一個User類來操作對應的數(shù)據(jù)庫表User，我們期待他寫出這樣的代碼：

class User(Model):

# 定義類的屬性到列的映射：

id = IntegerField('id')

name = StringField('username')

email = StringField('email')

password = StringField('password')

# 創(chuàng)建一個實例：

u = User(id=12345, name='Michael',, password='my-pwd')

# 保存到數(shù)據(jù)庫：

u.save()

其中，父類Model和屬性類型StringField、IntegerField是由ORM框架提供的，剩下的魔術(shù)方法比如save()全部由metaclass自動完成。雖然metaclass的編寫會比較復雜，但ORM的使用者用起來卻異常簡單。

現(xiàn)在，我們就按上面的接口來實現(xiàn)該ORM。

首先來定義Field類，它負責保存數(shù)據(jù)庫表的字段名和字段類型：

class Field(object):

def __init__(self, name, column_type):

self.name = name

self.column_type = column_type

def __str__(self):

return '<%s:%s>' % (self.__class__.__name__, self.name)

在Field的基礎(chǔ)上，進一步定義各種類型的Field，比如StringField，IntegerField等等：

class StringField(Field):

def __init__(self, name):

super(StringField, self).__init__(name, 'varchar(100)')

class IntegerField(Field):

def __init__(self, name):

super(IntegerField, self).__init__(name, 'bigint')

下一步，就是編寫最復雜的ModelMetaclass了：

class ModelMetaclass(type):

def __new__(cls, name, bases, attrs):

if name=='Model':

return type.__new__(cls, name, bases, attrs)

mappings = dict()

for k, v in attrs.iteritems():

if isinstance(v, Field):

print('Found mapping: %s==>%s' % (k, v))

mappings[k] = v

for k in mappings.iterkeys():

attrs.pop(k)

attrs['__table__'] = name # 假設(shè)表名和類名一致

attrs['__mappings__'] = mappings # 保存屬性和列的映射關(guān)系

return type.__new__(cls, name, bases, attrs)

以及基類Model：

class Model(dict):

__metaclass__ = ModelMetaclass

def __init__(self, **kw):

super(Model, self).__init__(**kw)

def __getattr__(self, key):

try:

return self[key]

except KeyError:

raise AttributeError(r"'Model' object has no attribute '%s'" % key)

def __setattr__(self, key, value):

self[key] = value

def save(self):

fields = []

params = []

args = []

for k, v in self.__mappings__.iteritems():

fields.append(v.name)

params.append('?')

args.append(getattr(self, k, None))

sql = 'insert into %s (%s) values (%s)' % (self.__table__, ','.join(fields), ','.join(params))

print('SQL: %s' % sql)

print('ARGS: %s' % str(args))

當用戶定義一個class User(Model)時，Python解釋器首先在當前類User的定義中查找__metaclass__，如果沒有找到，就繼續(xù)在父類Model中查找__metaclass__，找到了，就使用Model中定義的__metaclass__的ModelMetaclass來創(chuàng)建User類，也就是說，metaclass可以隱式地繼承到子類，但子類自己卻感覺不到。

在ModelMetaclass中，一共做了幾件事情：

排除掉對Model類的修改;

在當前類(比如User)中查找定義的類的所有屬性，如果找到一個Field屬性，就把它保存到一個__mappings__的dict中，同時從類屬性中刪除該Field屬性，否則，容易造成運行時錯誤;

把表名保存到__table__中，這里簡化為表名默認為類名。

在Model類中，就可以定義各種操作數(shù)據(jù)庫的方法，比如save()，delete()，find()，update等等。

我們實現(xiàn)了save()方法，把一個實例保存到數(shù)據(jù)庫中。因為有表名，屬性到字段的映射和屬性值的集合，就可以構(gòu)造出INSERT語句。

編寫代碼試試：

u = User(id=12345, name='Michael', , password='my-pwd')

u.save()

輸出如下：

Found model: User

Found mapping: email ==> <StringField:email>

Found mapping: password ==> <StringField:password>

Found mapping: id ==> <IntegerField:uid>

Found mapping: name ==> <StringField:username>

SQL: insert into User (password,email,username,uid) values (?,?,?,?)

ARGS: ['my-pwd',, 'Michael', 12345]

可以看到，save()方法已經(jīng)打印出了可執(zhí)行的SQL語句，以及參數(shù)列表，只需要真正連接到數(shù)據(jù)庫，執(zhí)行該SQL語句，就可以完成真正的功能。

不到100行代碼，我們就通過metaclass實現(xiàn)了一個精簡的ORM框架，完整的代碼從這里下載：

最后解釋一下類屬性和實例屬性。直接在class中定義的是類屬性：

class Student(object):

name = 'Student'

實例屬性必須通過實例來綁定，比如self.name = 'xxx'。來測試一下：

>>> # 創(chuàng)建實例s：

>>> s = Student()

>>> # 打印name屬性，因為實例并沒有name屬性，所以會繼續(xù)查找class的name屬性：

>>> print(s.name)

Student

>>> # 這和調(diào)用Student.name是一樣的：

>>> print(Student.name)

Student

>>> # 給實例綁定name屬性：

>>> s.name = 'Michael'

>>> # 由于實例屬性優(yōu)先級比類屬性高，因此，它會屏蔽掉類的name屬性：

>>> print(s.name)

Michael

>>> # 但是類屬性并未消失，用Student.name仍然可以訪問：

>>> print(Student.name)

Student

>>> # 如果刪除實例的name屬性：

>>> del s.name

>>> # 再次調(diào)用s.name，由于實例的name屬性沒有找到，類的name屬性就顯示出來了：

>>> print(s.name)

Student

因此，在編寫程序的時候，千萬不要把實例屬性和類屬性使用相同的名字。

在我們編寫的ORM中，ModelMetaclass會刪除掉User類的所有類屬性，目的就是避免造成混淆。

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