Python mini-web框架6：元类

一、类也是对象、globals查看所有的全局对象引用

• 1.1、在大多数编程语言中，类就是一组用来描述如何生成一个对象的代码段。在Python中这一点仍然成立：

  >>> class ObjectCreator(object):
  …       pass
  …
  >>> my_object = ObjectCreator()
  >>> print(my_object)
  <__main__.ObjectCreator object at 0x8974f2c>
  

  但是，Python中的类还远不止如此。类同样也是一种对象。是的，没错，就是对象。只要你使用关键字class，Python解释器在执行的时候就会创建一个对象。如下面的代码段：

  >>> class ObjectCreator(object):
  …       pass
  …
  

• 1.2、将在内存中创建一个对象，名字就是ObjectCreator。这个对象（类对象ObjectCreator）拥有创建对象（实例对象）的能力。但是，它的本质仍然是一个对象，故你可以对它做如下的操作：

  1、你可以将它赋值给一个变量
  2、你可以拷贝它
  3、你可以为它增加属性
  4、你可以将它作为函数参数进行传递
  

  下面是示例：

  >>> print(ObjectCreator)  # 你可以打印一个类，因为它其实也是一个对象
  <class '__main__.ObjectCreator'>
  >>> def echo(o):
  …       print(o)
  …
  >>> echo(ObjectCreator)  # 你可以将类做为参数传给函数
  <class '__main__.ObjectCreator'>
  >>> print(hasattr(ObjectCreator, 'new_attribute'))
  Fasle
  >>> ObjectCreator.new_attribute = 'foo'  # 你可以为类增加属性
  >>> print(hasattr(ObjectCreator, 'new_attribute'))
  True
  >>> print(ObjectCreator.new_attribute)
  foo
  >>> ObjectCreatorMirror = ObjectCreator  # 你可以将类赋值给一个变量
  >>> print(ObjectCreatorMirror())
  <__main__.ObjectCreator object at 0x8997b4c>
  

• 1.3、globals查看所有的全局对象引用

  • 在终端控制台打印：globals()
    在终端控制台打印：** globals()**
  • 提示：当定义一个函数、类、全局变量时，其实就是创建一个“对象”，然后再 globals获取的的这个字典中添加一个名字，让这个名字指向刚刚创建的对象空间而已

二、动态地创建类(元类创建类，类创建实例对象)

• 2.1、因为类也是对象，你可以在运行时动态的创建它们，就像其他任何对象一样。首先，你可以在函数中创建类，使用class关键字即可。

  >>> def choose_class(name):
  …       if name == 'foo':
  …           class Foo(object):
  …               pass
  …           return Foo     # 返回的是类，不是类的实例
  …       else:
  …           class Bar(object):
  …               pass
  …           return Bar
  …
  >>> MyClass = choose_class('foo')
  >>> print(MyClass)  # 函数返回的是类，不是类的实例
  <class '__main__'.Foo>
  >>> print(MyClass())  # 你可以通过这个类创建类实例，也就是对象
  <__main__.Foo object at 0x89c6d4c>
  

  • 但这还不够动态，因为你仍然需要自己编写整个类的代码。由于类也是对象，所以它们必须是通过什么东西来生成的才对。
  • 当你使用class关键字时，Python解释器自动创建这个对象。但就和Python中的大多数事情一样，Python仍然提供给你手动处理的方法。

• 2.2、还记得内建函数type吗？这个古老但强大的函数能够让你知道一个对象的类型是什么，就像这样：

  >>> print(type(1))  # 数值的类型
  <type 'int'>
  >>> print(type("1"))  # 字符串的类型
  <type 'str'>
  >>> print(type(ObjectCreator()))  # 实例对象的类型
  <class '__main__.ObjectCreator'>
  >>> print(type(ObjectCreator))  # 类的类型
  <type 'type'>
  

  仔细观察上面的运行结果，发现使用type对ObjectCreator查看类型是，答案为type， 是不是有些惊讶。。。看下面的 三。

三、 使用type创建类(type还有一种完全不同的功能，动态的创建类)

• 3.1、type可以接受一个类的描述作为参数，然后返回一个类。（要知道，根据传入参数的不同，同一个函数拥有两种完全不同的用法是一件很傻的事情，但这在Python中是为了保持向后兼容性）

  • type可以如下这样工作：3个参数，类名、元组、字典

    type(类名, 由父类名称组成的元组（针对继承的情况，可以为空），包含属性的字典（名称和值）)
    

  • 如下面的代码：

    In [2]: class Test: #定义了一个Test类
    ...:     pass
    ...:
    In [3]: Test() # 创建了一个Test类的实例对象
    Out[3]: <__main__.Test at 0x10d3f8438>
    

  • 可以手动像这样创建：

    In [5]: Test2 = type("Test2",(),{})    # 定了一个Test2类                                        
    In [6]: Test2()   # 创建了一个Test2类的实例对象                                                               
    Out[6]: <__main__.Test2 at 0x10c3c5828>
    

  • 提示：我们使用 "Test2" 作为类名，并且也可以把它当做一个变量来作为类的引用。类和变量是不同的，这里没有任何理由把事情弄的复杂。即type函数中第1个实参，也可以叫做其他的名字，这个名字表示类的名字

    In [23]: StudentClass = type('Student', (), {})
    
    In [24]: print(StudentClass)
    <class '__main__.Student'>
    

四、使用type创建带有属性的类

• 4.1、type 接受一个字典来为类定义属性，故

  >>> Foo = type('Foo', (), {'bar': True})
  

  和下面的意思一样

  >>> class Foo(object):
  …       bar = True
  

  并且可以将Foo当成一个普通的类一样使用：

  In [10]: Foo = type('Foo',(),{'bar':True})                                       
  
  In [11]: print(Foo)                                                              
  <class '__main__.Foo'>
  
  In [12]: print(Foo.bar)                                                          
  True
  
  In [13]: f = Foo()                                                               
  
  In [14]: print(f)                                                                
  <__main__.Foo object at 0x10c4308d0>
  
  In [15]: print(f.bar)                                                            
  True
  

• 4.2、当然，你可以继承上面的类，代码如下：

  >>> class FooChild(Foo):
  …       pass
  

  使用type就可以写成如下：

  >>> FooChild = type('FooChild', (Foo,), {})
  >>> print(FooChild)
  <class '__main__.FooChild'>
  >>> print(FooChild.bar)  # bar属性是由Foo继承而来
  True
  

  注意：

  • 第一个参数是字符串，类名
  • type的第2个参数，元组中是父类的名字，而不是字符串
  • 添加的属性是类属性，并不是实例属性

五、使用type创建带有方法的类

• 5.1、为你的类增加方法，只需要定义一个有着恰当签名的函数并将其作为属性赋值就可以了。

• 5.2、添加实例方法，如下：

  In [16]: def echo_bar(self): 
  ...:     print(self.bar) 
  ...:                                                                         
  
  In [17]: FooChild = type('FooChild',(Foo,),{'echo_bar':echo_bar})                
  
  In [18]: hasattr(Foo,'echo_bar')                                                 
  Out[18]: False
  
  In [19]: hasattr(FooChild, 'echo_bar')                                           
  Out[19]: True
  
  In [20]: my_foo = FooChild()                                                     
  
  In [21]: my_foo.echo_bar()                                                       
  True
  

• 5.3、添加静态方法，如下：

  In [36]: @staticmethod
  ...: def test_static():
  ...:     print("static method ....")
  ...:
  
  In [37]: Foochild = type('Foochild', (Foo,), {"echo_bar": echo_bar, "test_static": test_static})
  
  In [38]: fooclid = Foochild()
  
  In [39]: fooclid.test_static
  Out[39]: <function __main__.test_static>
  
  In [40]: fooclid.test_static()
  static method ....
  
  In [41]: fooclid.echo_bar()
  True
  

• 5.4、添加类方法

  In [42]: @classmethod
  ...: def test_class(cls):
  ...:     print(cls.bar)
  ...:
  
  In [43]:
  
  In [43]: Foochild = type('Foochild', (Foo,), {"echo_bar":echo_bar, "test_static": test_static, "test_class": test_class})
  
  In [44]:
  
  In [44]: fooclid = Foochild()
  
  In [45]: fooclid.test_class()
  True
  

• 5.5、你可以看到，在Python中，类也是对象，你可以动态的创建类。这就是当你使用关键字class时Python在幕后做的事情，而这就是通过元类来实现的。较为完整的使用type创建类的方式，如下：

  class A(object):
        num = 100
  
  def print_b(self):
        print(self.num)
  
  @staticmethod
  def print_static():
        print("----haha-----")
  
  @classmethod
  def print_class(cls):
        print(cls.num)
  
  B = type("B", (A,), {"print_b": print_b, "print_static": print_static, "print_class": print_class})
  b = B()
  b.print_b()
  b.print_static()
  b.print_class()
  # 结果
  # 100
  # ----haha-----
  # 100
  

六、 到底什么是元类

• 6.1、元类就是用来创建类的“东西”。你创建类就是为了创建类的实例对象，不是吗？但是我们已经学习到了Python中的类也是对象。
  元类就是用来创建这些类（对象）的，元类就是类的类，你可以这样理解为：

  MyClass = MetaClass() # 使用元类创建出一个对象，这个对象称为“类”
  my_object = MyClass() # 使用“类”来创建出实例对象
  

  前面你已经看到了type可以让你像这样做：

  MyClass = type('MyClass', (), {})
  

  这是因为函数type实际上是一个元类。type就是Python在背后用来创建所有类的元类。现在你想知道那为什么type会全部采用小写形式而不是Type呢？好吧，我猜这是为了和str保持一致性，str是用来创建字符串对象的类，而int是用来创建整数对象的类。type就是创建类对象的类。你可以通过检查class属性来看到这一点。Python中所有的东西，注意，我是指所有的东西——都是对象。这包括整数、字符串、函数以及类。它们全部都是对象，而且它们都是从一个类创建而来，这个类就是type。

  >>> age = 35
  >>> age.__class__
  <type 'int'>
  >>>
  >>> name = 'bob'
  >>> name.__class__
  <type 'str'>
  >>>
  >>> def foo(): pass
  >>>foo.__class__
  <type 'function'>
  >>>
  >>> class Bar(object): pass
  >>> b = Bar()
  >>> b.__class__
  <class '__main__.Bar'>
  >>>
  

• 6.2、现在，对于任何一个__class__的__class__属性又是什么呢？

  >>> a.__class__.__class__
  <type 'type'>
  >>> age.__class__.__class__
  <type 'type'>
  >>> foo.__class__.__class__
  <type 'type'>
  >>> b.__class__.__class__
  <type 'type'>
  

  因此，元类就是创建类这种对象的东西。type就是Python的内建元类，当然了，你也可以创建自己的元类。

七、__metaclass__属性

• 7.1、你可以在定义一个类的时候为其添加__metaclass__属性。

  class Foo(object):
        __metaclass__ = something…
        ...省略...
  

  如果你这么做了，Python就会用元类来创建类Foo。小心点，这里面有些技巧。你首先写下class Foo(object)，但是类Foo还没有在内存中创建。Python会在类的定义中寻找__metaclass__属性，如果找到了，Python就会用它来创建类Foo，如果没有找到，就会用内建的type来创建这个类。把下面这段话反复读几次。当你写如下代码时 :

  class Foo(Bar):
        pass
  

  Python做了如下的操作：

  • (1)、Foo中有metaclass这个属性吗？如果是，Python会通过__metaclass__创建一个名字为Foo的类(对象)
  • (2)、如果Python没有找到__metaclass__，它会继续在Bar（父类）中寻找__metaclass__属性，并尝试做和前面同样的操作。
  • (3)、如果Python在任何父类中都找不到__metaclass__，它就会在模块层次中去寻找__metaclass__，并尝试做同样的操作。
  • (4)、如果还是找不到__metaclass__,Python就会用内置的type来创建这个类对象。
  • 现在的问题就是，你可以在metaclass中放置些什么代码呢？答案就是：可以创建一个类的东西。那么什么可以用来创建一个类呢？type，或者任何使用到type或者子类化type的东东都可以。

八、元类应用的补充 (元类的主要目的就是为了当创建类时能够自动地改变类。)

• 8.1、假想一个很傻的例子，你决定在你的模块里所有的类的属性都应该是大写形式。有好几种方法可以办到，但其中一种就是通过在模块级别设定__metaclass__。采用这种方法，这个模块中的所有类都会通过这个元类来创建，我们只需要告诉元类把所有的属性都改成大写形式就万事大吉了。

• 8.2、幸运的是，__metaclass__实际上可以被任意调用，它并不需要是一个正式的类。所以，我们这里就先以一个简单的函数作为例子开始。

  • python2中

    #-*- coding:utf-8 -*-
    def upper_attr(class_name, class_parents, class_attr):
    
           # class_name 会保存类的名字 Foo
           # class_parents 会保存类的父类 object
           # class_attr 会以字典的方式保存所有的类属性
    
           # 遍历属性字典，把不是__开头的属性名字变为大写
           new_attr = {}
           for name, value in class_attr.items():
                 if not name.startswith("__"):
                       new_attr[name.upper()] = value
    
           # 调用type来创建一个类
           return type(class_name, class_parents, new_attr)
    
    class Foo(object):
             __metaclass__ = upper_attr # 设置Foo类的元类为upper_attr
             bar = 'bip'
    
    print(hasattr(Foo, 'bar'))
    print(hasattr(Foo, 'BAR'))
    
    f = Foo()
    print(f.BAR)
    

  • python3中

    #-*- coding:utf-8 -*-
    def upper_attr(class_name, class_parents, class_attr):
    
            #遍历属性字典，把不是__开头的属性名字变为大写
            new_attr = {}
            for name,value in class_attr.items():
                 if not name.startswith("__"):
                       new_attr[name.upper()] = value
    
            #调用type来创建一个类
            return type(class_name, class_parents, new_attr)
    
    class Foo(object, metaclass=upper_attr):
            bar = 'bip'
    
    print(hasattr(Foo, 'bar'))
    print(hasattr(Foo, 'BAR'))
    
    f = Foo()
    print(f.BAR)
    

  • 对比：python2与python3的主要区别是：metaclass放的位置不一样

• 8.3、用 class 来当做元类，如下：

  #coding=utf-8
  
  class UpperAttrMetaClass(type):
        # __new__ 是在__init__之前被调用的特殊方法
        # __new__是用来创建对象并返回之的方法
        # 而__init__只是用来将传入的参数初始化给对象
        # 你很少用到__new__，除非你希望能够控制对象的创建
        # 这里，创建的对象是类，我们希望能够自定义它，所以我们这里改写__new__
        # 如果你希望的话，你也可以在__init__中做些事情
        # 还有一些高级的用法会涉及到改写__call__特殊方法，但是我们这里不用
        def __new__(cls, class_name, class_parents, class_attr):
                # 遍历属性字典，把不是__开头的属性名字变为大写
               new_attr = {}
               for name, value in class_attr.items():
                      if not name.startswith("__"):
                            new_attr[name.upper()] = value
  
        # 方法1：通过'type'来做类对象的创建
         return type(class_name, class_parents, new_attr)
  
        # 方法2：复用type.__new__方法
        # 这就是基本的OOP编程，没什么魔法
        # return type.__new__(cls, class_name, class_parents, new_attr)
  
  # python3的用法
  class Foo(object, metaclass=UpperAttrMetaClass):
        bar = 'bip'
  
  # python2的用法
  # class Foo(object):
  #     __metaclass__ = UpperAttrMetaClass
  #     bar = 'bip'
  
  
  print(hasattr(Foo, 'bar'))
  # 输出: False
  print(hasattr(Foo, 'BAR'))
  # 输出:True
  
  f = Foo()
  print(f.BAR)
  # 输出:'bip'
  

• 8.4、元类本身而言，它们其实是很简单的：

  • 拦截类的创建
  • 修改类
  • 返回修改之后的类

最后：究竟为什么要使用元类？

• 现在回到我们的大主题上来，究竟是为什么你会去使用这样一种容易出错且晦涩的特性？好吧，一般来说，你根本就用不上它：
• “元类就是深度的魔法，99%的用户应该根本不必为此操心。如果你想搞清楚究竟是否需要用到元类，那么你就不需要它。那些实际用到元类的人都非常清楚地知道他们需要做什么，而且根本不需要解释为什么要用元类。” —— Python界的领袖 Tim Peters