python中的元类metaclass详情

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• 动机
• 从一个问题引出 MetaClass
• Metaclass 编程

动机

python语言因为工作偏向于 AI ，所以对于这门语言还停留在表面，对于 python 深层并没有接触到。

今天来聊一聊元类(metaclass) ，想必大多数人都或多或少听过元编程这个词，但是对于元编程是什么以及如何应用元编程熟悉应该不多，在 python 中的 metaclass 就是帮助 developer 实现元编程，因此产生一个想法

最近时间还算宽裕，所以想要文章认真弄一弄

从一个问题引出 MetaClass

在 python 语言中，并没有函数重载，我们下面通过一个具体例子来说明。

class A():
    def f(self, x:int):
        print('A.f int overload',self,x)
    def f(self,x:str):
        print('A.f str overload',self,x)
    def f(self,x,y):
        print('A.f two arg overload',self,x,y)
if __name__ == "__main__":
    a = A()
    a.f(1)

当执行上面代码我们会得到一个错误信息，实例化 A 类后，调用实例的 f 方法，因为在 python 语言中没有重装方法，所以 def f(self,x:str) 会覆盖之前的 def f(self, x:int), 而 def f(self,x,y) 方法会覆盖于 def f(self,x:str) 方法，所以当通过传入 1 一个参数，不会调用 def f(self,x:int) 而是调用 def f(self,x,y) 方法。

TypeError: f() missing 1 required positional argument: 'y'

那么什么是正确的姿势解决这个问题呢? 这里先不急于给出答案，当我们介绍完 metaclass 后，答案就自然浮出水面。

Metaclass 编程

想要了解 Metaclass 也就是元类，meta 在英文中超越的意思，也就是 Metaclass 是高级于 class，用于创建 class 的 class。有的时候我们需要控制类创建过程，通常创建类工作是由 type 完成的，因为 type 直接设计到 c，我们希望在 type 创建类过程插入一些自定义的东西，所以引入了 Metaclass 让某一个类创建工作不再由 type 来实现，而是由指定 class 来实现

在 python 中，我们可以通过 class 来实例化对象，不过这里要说在 python 中 class 其实也是对象。既然 class 也是对象，那么 class 的类型又是什么呢

class A:
    a = 1
    b = "hello"
    def f(self):
        return 12
def main():
    print(f'{type(2)=}')
    print(f'{type("hello")=}')
    print(f'{type([])=}')
    print(f'{type(A())=}')
if __name__ == "__main__":
    main()

输出一下 2、hello 、空数组和 A 类实例的类型，结果发现他们类别分别为 int、str、list 和 A 类别。其实他们也是对象，既然是对象，那么就会有一个 class 用于创建这个类别。

type(2)=<class 'int'>
type("hello")=<class 'str'>
type([])=<class 'list'>
type(A())=<class '__main__.A'>

接下来我们就看一下这些 class(int,str,list) 那么这些对象又是什么类别呢

class A:
    a = 1
    b = "hello"
    def f(self):
        return 12
if __name__ == "__main__":
    print(f'{type(int)=}')
    print(f'{type(str)=}')
    print(f'{type(list)=}')
    print(f'{type(A)=}')

type(int)=<class 'type'>
type(str)=<class 'type'>
type(list)=<class 'type'>
type(A)=<class 'type'>

不难看出多有 class 的类型都是 type ，例如数字 2 的 int 的一个实例，而 int 又是 type 的一个实例。

如果大家从类似 java 这些语言开始，然后再去学习 python 可能会有这样疑问，在 python 中 type 和 class 有什么区别，他们不都是类型吗? 其实答案就是这两者在 python3 中并没有区别，可以将他们看做一个东西。

def main():
    x = int()
    print(f'{x=}')
    B = type('B',(),{})
    print(f'{B=}')
if __name__  == "__main__":
    main()

不过如果进一步深入研究，两种 class 和 type 在字面上，是不同两样东西，class 作为关键字来定义类型时，是调用其构造器来做了一些初始化的工作。

def main():
    x = int()
    print(f'{x=}')
    B = type('B',(),{})
    print(f'{B=}')
if __name__  == "__main__":
    main()

我们可以这样来定义一个类型

x=0
B=<class '__main__.B'>

可以用 class 方式来定义一个类 A，然后我们在用 type 方式来创建一个类，type 接受 3 个参数分别是类的名称，这里接受的字符串类型的名称、以及该类的基类，是组元的形式，接下来是就是一个属性，属性是字典形式数据，键是属性名称，值是属性值。

class A:
    a = 2
    b = 'hello'

    def f(self):
        return 12

下面我们用 make_A 来创建一个类， 这里使用 type 来定义一个类

def make_A():
    name = 'A'
    bases = ()
    a = 2
    b = 'hello'

    def f(self):
        return 12
    namespace = {'a':a,'b':b,'f':f}
    A = type(name,bases,namespace)
    return

通过 type 创建类时候需要传入类名称 A 然后 base 是一个要创建类 A 的基类，namescpace 是类属性，是 dict 形式，键是属性名称，而值是属性值。

def make_A_more_accurate():
    name = 'A'
    bases = ()
    namespace = type.__prepare__(name,bases)
    body = (
"""
a = 1
b = 'hello'

def f(self):
    return 12
"""
    )
    exec(body,globals(),namespace)
    A = type(name,bases,namespace)
    return A

metaclass 是继承于 type，那么 metaclass 的工作也是用于创建 class，我们可以在 metaclass 中做一些自定义的事情，

这里可能比较难理解是 __prepare__ 上网找到关于 __prepare__ 解释，暂时说一下自己认识，可能有点浅，感觉就是为类创建了一个局部的作用域。

namespace = type.__prepare__(name,bases)
print(namespace)

type.__prepare__ 应该是返回一个局部命名空间，

exec(body,globals(),namespace)

class Tut:
    ...
tut = Tut()
print(f'{type(tut)=}')
print(f'{type(Tut)=}')

上面例子定义一个类，然后实例化 Tut 类得到对象 tut，接下来分别输出 tut 和 Tut 类型

type(tut)=<class '__main__.Tut'>
type(Tut)=<class 'type'>

不难看出 tut 是 Tut 的实例，而 Tut 是 type 的对象

class TutMetaClass(type):
    ...
class Tut(metaclass=TutMetaClass):
    ...

然后我们定义一个 TutMetaClass 继承于 type，然后将 Tut 类的 metaclass 指向 TutMetaClass ,然后 tut 类型为 Tut，而 Tut 类型为 TutMetaClass 类型

type(tut)=<class '__main__.Tut'>
type(Tut)=<class '__main__.TutMetaClass'>

到此这篇关于 python 中的 元类metaclass详情的文章就介绍到这了！