Python黑魔法：元类

术语“元编程”指的是程序具有编写或操纵其自身作为它们资料的潜力。Python支持称为元类的类的元编程。

元类是一个深奥的面向对象编程（OOP）概念，隐藏在几乎所有的Python代码之后。无论你是否意识到它的存在，你都一直在使用它们。大多数情况下，你并不需要了解它。而且大多数Python程序员也很少用到，但是某些情况下你就不得不考虑使用元类。

当你有需要时，Python提供了一种不是所有面向对象语言都支持的功能：你可以深入了解其内部并自定义元类。使用定制元类经常会存在争议，正如Python大咖，创作了Python之禅的蒂姆·彼得斯所言：

“元类比99％的用户所忧虑的东西具有更深的魔法。如果你犹豫考虑是否需要它们，那么实质上你不会需要它们（实际需要它们的人确信他们确实需要，并且不需要进行任何解释）。“ —— 蒂姆·彼得斯

众多Pythonistas（即Python发烧友所熟知的Python大咖）认为你永远不应该使用自定义元类。这样说可能会有点极端，但大部分情况下自定义元类并不是必需的。如果一个问题不是很明显是否需要它们，那么如果以一种更简单的方式解决问题，代码可能会更干净，更具有可读性。

尽管如此，理解Python元类还是很有必要，因为它可以更好地理解Python类的内部实现。你永远不知道：你可能有一天会发现自己处于这样一种情况，即你确切明白自定义元类就是你想要的。

旧式类VS新式类

在Python范畴，一个类可以是两种类型之一。官方术语并没有对此进行确认，所以它们被非正式地称为旧式类和新式类。

旧式类

对于旧式类，类（class）和类型（type）并不完全相同。一个旧式类的实例总是继承自一个名为instance的内置类型。如果obj是旧式类的实例，那么obj.__class__就表示该类，但type(obj)始终是instance类型。以下示例来自Python 2.7：

新式类

新式类统一了类（class）和类型（type）的概念。如果obj是新式类的实例，type(obj)则与obj.__class__相同：

类型（Type）和类（Class）

在Python 3中，所有类都是新式类。因此，Python 3可以交换一个引用对象的类型和类。

注意：在Python 2中，默认所有类都是旧式类。在Python 2.2之前，根本不支持新式类。从Python 2.2开始，可以创建新式类，但必须明确声明它为新式类。

请记住，在Python中，一切都是对象。类也是对象。所以一个类（class）必须有一个类型（type）。那么类的类型是什么呢？

考虑下面的代码：

X的类型，正如你所想的，是类Foo，但Foo的类型，即类本身是type。一般来说，任何新式类的类型都是type。

您熟悉的内置类的类型也是type：

就此而言，type的类型也是type（是的，确实如此）：

type是一个元类，任何类都是它的实例。就像一个普通的对象是一个类的实例一样，Python中的任何新式类以及Python 3中的任何类都是type元类的一个实例。

综上所述：

x是类Foo的一个实例。

Foo是type元类的一个实例。

type也是type元类的一个实例，所以它是它自己的一个实例。

动态定义类

内置type()函数在传递了一个参数时将返回一个对象的类型。对于新式类，通常与对象的__class__属性相同：

你也可以传递三个参数type(, , )调用type()：

指定类名称，将成为该类的__name__属性。

指定继承类的基类元组，将成为该类的__bases__属性。

指定包含类主体定义的名称空间字典，将成为该类的__dict__属性。

以这种方式调用type()将创建一个type元类的新实例。换句话说，它动态地创建了一个新的类。

在下面每个示例中，前面的代码片段使用type()动态地定义了一个类，后面的代码片断使用常用的class语句定义了类。在每种情况下，这两个代码片段在功能上是一样的。

示例1

在第一个示例中，传递给type()的参数和都是空的,没有指定任何父类的继承，并且初始在命名空间字典中没有放置任何内容。这或许是最简单的类的定义：

示例2

这里，是一个具有单个元素Foo的元组，指定了Bar继承的父类。一个名为attr的属性最初放置在命名空间字典中：

示例3

这一次，又是空的。两个对象通过参数放置在命名空间字典中。第一个是属性attr，第二个是函数attr_val，该函数将成为已定义类的一个方法：

示例4

上面仅用Python中的lambda定义一个非常简单的函数。在下面的例子中，外部先定义了一个稍微复杂的函数f，然后在命名空间字典中通过函数名f分配给attr_val：

自定义元类

重新思考一下先前的这个例子：

表达式Foo()创建一个新的类Foo的实例。当解释器遇到Foo()，将按一下顺序进行解析：

调用Foo父类的__call__()方法。由于Foo是标准的新式类，它的父类是type元类，所以type的__call__()方法被调用。

__call__()方法按以下顺序进行调用：

__new__()

__init__()

如果Foo没有定义__new__()和__init__()，那么将调用Foo父类的默认方法。但是如果Foo定义这些方法，就会覆盖来自父类的方法，这就允许在实例化Foo时可以自定义行为。

在下面的代码中，定义了一个自定义方法new()，并将它赋值给Foo的__new__()方法：

这会修改类Foo的实例化行为：每次Foo创建实例时，默认情况下都会将名为attr的属性进行初始化，将该属性设置为100。（类似于这样的代码通常会出现在__init__()方法中，不会出现在__new__()方法里，这个例子仅为演示目的而设计。）

现在，正如前面重申的那样，类也是对象。假设你想类似地在创建类Foo时自定义实例化行为。如果你要遵循上面的模式，则需要再次定义一个自定义方法，并将其指定为类Foo的实例的__new__()方法。Foo是type元类的一个实例，所以代码如下所示：

阿偶，你可以看到，不能重新指定元类type的__new__()方法。Python不允许这样做。

可以这么讲，type是派生所有新式类的元类。无论如何，你真的不应该去修改它。但是，如果你想自定义一个类的实例化，那么有什么办法呢？

一种可能的解决方案是自定义元类。本质上，不是去试图修改type元类，而是定义自己派生于type的元类，然后对其进行修改。

第一步是定义派生自type的元类，如下：

头部定义class Meta(type):指定了Meta派生自type。既然type是元类，那Meta也是一个元类。

请注意，重新自定义了Meta的__new__()方法。因为不可能直接对type元类进行此类操作。__new__()方法执行以下操作：

经由super()指代的（type）元类的__new__()方法实际创建一个新的类

将自定义属性attr分配给类，并设置值为100

返回新创建的类

现在实现代码的另一半：定义一个新类Foo，并指定其元类为自定义元类Meta，而不是标准元类type。可以通过在类定义中使用关键字metaclass完成，如下所示：

瞧！ Foo已经自动拥用了从Meta元类的属性attr。当然，你定义的任何其他类也会如此：

就像一个类作为创建对象的模板一样，一个元类可以作为创建类的模板。元类有时被称为类工厂。

比较以下两个示例：

对象工厂：

类工厂：

真的是必要的吗？

就像上面的类工厂的例子一样简单，它是metaclasses如何工作的本质。它们允许定制类的实例化。

尽管如此，仅仅为了赋予每个新创建的类的自定义属性attr，确实有点小题大做。你真的需要一个metaclass来实现吗？

在Python中，至少有其他一些方法可以实现同样的效果：

简单的继承：

类装饰器：

结论

正如蒂姆·彼得斯建议的，元类可以很容易地作为一种“寻找解决问题的方案”，通常不需要创建自定义元类。如果手头上的问题能够以更简单的方式解决，那或许就应该采用。尽管如此，了解元类有助于理解Python的类，并能够识别元类是否是工作中真正适合使用的工具。

英文原文：https://realpython.com/python-metaclasses/

译者：Vincent