Python 类元编程(元类基础知识)

元类基础知识

元类是制造类的工厂，不过不是函数（如示例 21-2 中的
record_factory），而是类。图 21-1 使用机器和小怪兽图示法描述元
类，可以看出，元类是生产机器的机器。

根据 Python 对象模型，类是对象，因此类肯定是另外某个类的实例。默
认情况下，Python 中的类是 type 类的实例。也就是说，type 是大多数
内置的类和用户定义的类的元类：

>>> 'spam'.__class__
<class 'str'>
>>> str.__class__
<class 'type'>
>>> from bulkfood_v6 import LineItem
>>> LineItem.__class__
<class 'type'>
>>> type.__class__
<class 'type'>

为了避免无限回溯，type 是其自身的实例，如最后一行所示。

注意，我没有说 str 或 LineItem 继承自 type。我的意思是，str 和
LineItem 是 type 的实例。这两个类是 object 的子类。图 21-2 可能
有助于你理清这个奇怪的现象。

object 类和 type 类之间的关系很独特：object 是 type 的
实例，而 type 是 object 的子类。这种关系很“神奇”，无法使用
Python 代码表述，因为定义其中一个之前另一个必须存在。type
是自身的实例这一点也很神奇。

除了 type，标准库中还有一些别的元类，例如 ABCMeta 和 Enum。如
下述代码片段所示，collections.Iterable 所属的类是
abc.ABCMeta。Iterable 是抽象类，而 ABCMeta 不是——不管怎
样，Iterable 是 ABCMeta 的实例：

>>> import collections
>>> collections.Iterable.__class__
<class 'abc.ABCMeta'>
>>> import abc
>>> abc.ABCMeta.__class__
<class 'type'>
>>> abc.ABCMeta.__mro__
(<class 'abc.ABCMeta'>, <class 'type'>, <class 'object'>)

向上追溯，ABCMeta 最终所属的类也是 type。所有类都直接或间接地
是 type 的实例，不过只有元类同时也是 type 的子类。若想理解元
类，一定要知道这种关系：元类（如 ABCMeta）从 type 类继承了构建
类的能力。图 21-3 对这种至关重要的关系做了图解。

我们要抓住的重点是，所有类都是 type 的实例，但是元类还是 type
的子类，因此可以作为制造类的工厂。具体来说，元类可以通过实现
__init__ 方法定制实例。元类的 __init__ 方法可以做到类装饰器能
做的任何事情，但是作用更大，如接下来的练习所示。

理解元类计算时间的练习

我们对 21.3 节的练习做些改动，evalsupport.py 模块与示例 21-7 一样，
不过现在主脚本变成 evaltime_meta.py 了，如示例 21-10 所示。

示例 21-10　evaltime_meta.py：ClassFive 是 MetaAleph 元类的
实例

from evalsupport import deco_alpha
from evalsupport import MetaAleph
print('<[1]> evaltime_meta module start')
@deco_alpha
class ClassThree():print('<[2]> ClassThree body')def method_y(self):print('<[3]> ClassThree.method_y')
class ClassFour(ClassThree):print('<[4]> ClassFour body')def method_y(self):print('<[5]> ClassFour.method_y')
class ClassFive(metaclass=MetaAleph):print('<[6]> ClassFive body')def __init__(self):print('<[7]> ClassFive.__init__')def method_z(self):print('<[8]> ClassFive.method_z')
class ClassSix(ClassFive):print('<[9]> ClassSix body')def method_z(self):print('<[10]> ClassSix.method_z')
if __name__ == '__main__':print('<[11]> ClassThree tests', 30 * '.')three = ClassThree()three.method_y()print('<[12]> ClassFour tests', 30 * '.')four = ClassFour()four.method_y()print('<[13]> ClassFive tests', 30 * '.')five = ClassFive()five.method_z()print('<[14]> ClassSix tests', 30 * '.')six = ClassSix()six.method_z()
print('<[15]> evaltime_meta module end')

同样，请拿出纸和笔，按顺序写出下述两个场景中输出的序号标记
<[N]>。
场景 3
在 Python 控制台中以交互的方式导入 evaltime_meta.py 模块。
场景 4
在命令行中运行 evaltime_meta.py 模块。
解答和分析如下。

01. 场景3的解答
在 Python 控制台中导入 evaltime_meta.py 模块后得到的输出如示例
21-11 所示。
示例 21-11　场景 3：在 Python 控制台中导入 evaltime_meta
模块

>>> import evaltime_meta
<[100]> evalsupport module start
<[400]> MetaAleph body
<[700]> evalsupport module end
<[1]> evaltime_meta module start
<[2]> ClassThree body
<[200]> deco_alpha
<[4]> ClassFour body
<[6]> ClassFive body
<[500]> MetaAleph.__init__ ➊
<[9]> ClassSix body
<[500]> MetaAleph.__init__ ➋
<[15]> evaltime_meta module end

➊ 与场景 1 的关键区别是，创建 ClassFive 时调用了
MetaAleph.__init__ 方法。
➋ 创建 ClassFive 的子类 ClassSix 时也调用了
MetaAleph.__init__ 方法。
Python 解释器计算 ClassFive 类的定义体时没有调用 type 构建具
体的类定义体，而是调用 MetaAleph 类。看一下示例 21-12 中定
义的 MetaAleph 类，你会发现 __init__ 方法有四个参数。
self
这是要初始化的类对象（例如 ClassFive）。
name、bases、dic
与构建类时传给 type 的参数一样。
示例 21-12　evalsupport.py：定义 MetaAleph 元类，摘自示例
21-7

class MetaAleph(type):print('<[400]> MetaAleph body')def __init__(cls, name, bases, dic):print('<[500]> MetaAleph.__init__')def inner_2(self):print('<[600]> MetaAleph.__init__:inner_2')cls.method_z = inner_2

编写元类时，通常会把 self 参数改成 cls。例如，在上
述元类的 __init__ 方法中，把第一个参数命名为 cls 能清楚
地表明要构建的实例是类。

__init__ 方法的定义体中定义了 inner_2 函数，然后将其绑定给
cls.method_z。MetaAleph.__init__ 方法签名中的 cls 指代要
创建的类（例如 ClassFive）。而 inner_2 函数签名中的 self
最终是指代我们在创建的类的实例（例如 ClassFive 类的实
例）。

场景4的解答
在命令行中运行 python3 evaltime_meta.py 命令后得到的输出
如示例 21-13 所示。
示例 21-13　场景 4：在 shell 中运行 evaltime_meta.py

$ python3 evaltime.py
<[100]> evalsupport module start
<[400]> MetaAleph body
<[700]> evalsupport module end
<[1]> evaltime_meta module start
<[2]> ClassThree body
<[200]> deco_alpha
<[4]> ClassFour body
<[6]> ClassFive body
<[500]> MetaAleph.__init__
<[9]> ClassSix body
<[500]> MetaAleph.__init__
<[11]> ClassThree tests ..............................
<[300]> deco_alpha:inner_1 ➊
<[12]> ClassFour tests ..............................
<[5]> ClassFour.method_y ➋
<[13]> ClassFive tests ..............................
<[7]> ClassFive.__init__
<[600]> MetaAleph.__init__:inner_2 ➌
<[14]> ClassSix tests ..............................
<[7]> ClassFive.__init__
<[600]> MetaAleph.__init__:inner_2 ➍
<[15]> evaltime_meta module end

❶ 装饰器依附到 ClassThree 类上之后，method_y 方法被替换成
inner_1 方法……
❷ 虽然 ClassFour 是 ClassThree 的子类，但是没有依附装饰器
的 ClassFour 类却不受影响。
❸ MetaAleph 类的 __init__ 方法把 ClassFive.method_z 方法
替换成 inner_2 函数。
❹ ClassFive 的子类 ClassSix 也是一样，method_z 方法被替换
成 inner_2 函数。
注意，ClassSix 类没有直接引用 MetaAleph 类，但是却受到了影
响，因为它是 ClassFive 的子类，进而也是 MetaAleph 类的实
例，所以由 MetaAleph.__init__ 方法初始化。

如果想进一步定制类，可以在元类中实现 __new__ 方
法。不过，通常情况下实现 __init__ 方法就够了。

现在，我们可以实践这些理论了。我们将创建一个元类，让描述符
以最佳的方式自动创建储存属性的名称。