五分鐘理解Python元類（Metaclasses）
“元類的魔幻變化比 99% 的用戶所擔心的更多，當你搞不懂是否真的需要用它的時候，就是不需要。”—Tim Peters
本文源于在 PyCon UK 2008 上的一個快速演講。
元類被稱為 Python 中的“深奧的巫術”。盡管你需要用到它的地方極少(除非你基于 zope編程)，可事實上它的基礎理論其實令人驚訝地易懂。
一切皆對象
◆ 一切皆對象
◆ 一切都有類型
◆ “class”和“type”之間本質上并無不同
◆ 類也是對象
◆ 它們的類型是 type
以前，術語 type 用于內置類型，而術語 class 用于用戶定義的類，但自 Pythoon 2.2 以來“class”和“type”本質上并無不同。
對于舊風格(old-style)類的類型是 types.ClassType。
真的，這是真的
- Python 2.5.1 (r251:54869, Apr 18 2007, 22:08:04)
- >>> class Something(object):
- ... pass
- ...
- >>> Something
- <class '__main__.Something'>
- >>> type(Something)
- <type 'type'>
從這里可以看出在交互式解釋器中創建的類是一個 first class 的對象。
類的類是……
它的元類……
就像對象是類的實例一樣，類是它的元類的實例。
調用元類可以創建類。
確切來說，Python 中的其它對象也是如此。
因此當你創建一個類時……
解釋器會調用元類來生成它……
定義一個繼承自 object 的普通類意味著調用 type 來創建它：
- >>> help(type)
- Help on class type in module __builtin__:
- class type(object)
- | type(object) -> the object's type
- | type(name, bases, dict) -> a new type
type 的第二種用法尤為重要。當 Python 解釋器在執行一條類定義語句時(如例子中最初的兩行代碼之后)，它會用下面的參數調用 type：
◆ 字符串形式的類名
◆ 元組形式的基類序列——在我們的例子中是只有一個元素的元組(’one-pl’)[1]，如(object,)。
◆ 包括由名字影射的類成員(類屬性、方法等)的字典
簡單模擬
- >>> def __init__(self):
- ... self.message = 'Hello World'
- ...
- >>> def say_hello(self):
- ... print self.message
- ...
- >>> attrs = {'__init__': __init__, 'say_hello': say_hello}
- >>> bases = (object,)
- >>> Hello = type('Hello', bases, attrs)
- >>> Hello
- <class '__main__.Hello'>
- >>> h = Hello()
- >>> h.say_hello()
- Hello World
以上代碼創建了類屬性的字典，然后調用 type 來創建了名為 Hello 的類。
__metaclass__ 的魔法
只要在類定義中把 __metaclass__ 設置為任意有著與 type 相同參數的可調用對象，就能夠提供自定義的元類。
通常使用從 type 繼承的方法：
- class PointlessMetaclass(type):
- def __new__(meta, name, bases, attrs):
- # do stuff...
- return type.__new__(meta, name, bases, attrs)
重要的是在 __new__ 方法中我們能夠讀取或改變傳入的用以創建新類的參數。從而能夠內省屬性字典和改動、增加或者刪除成員。
盡管當實例化一個類時這兩個函數都會被調用，但覆蓋 __new__ 比 __init__ 更為重要。__init__ 初始化一個實例，而 __new__ 的職責是創建它。因此如果元類用以自定義類的創建，就需要覆蓋 type 的 __new__。
使用新類而非僅僅提供工廠函數的原因在于如果使用工廠函數(那樣只是調用 type)的話元類不會被繼承。
In Action...
- >>> class WhizzBang(object):
- ... __metaclass__ = PointlessMetaclass
- ...
- >>> WhizzBang
- <class '__main__.WhizzBang'>
- >>> type(WhizzBang)
- <class '__main__.PointlessMetaClass'>
WhizzBang 是一個類，但它現在已經不是 type 的實例，而是我們自定義的元類的實例了……
這有什么用?
很好的問題，元類將用在創建使用了它的新類時調用，這里是一些關于這樣做的好處的觀點：
◆ 裝飾(Decorate)類的所有方法，用以日志記錄或者性能剖分。
◆ 自動 Mix-in 新方法
◆ 在創建時注冊類。(例如自動注冊插件或從類成員創建數據庫模式。)
◆ 提供接口注冊，功能自動發現和接口適配。
◆ 類校驗：防止子類化，校驗所有的方法是否都有 docstrings。
最重要之處在于元類中是在最后對 type 的調用時才真正創建類，所以可以自由地隨你喜歡地改變屬性字典(以及名稱和元組形式的基類序列)。
一些流行的 Python ORM(Object Relational Mappers(對象關系影射)，用以和數據庫協同工作)也如此使用元類。
哦，還有因為元類是繼承的，所以你能夠提供一個使用了你的元類的基類，而繼承自它的子類就無需顯式聲明它了。
但是……
我曾未需要使用它來編寫代碼……(我們用它來剖分，也在 Ironclad 項目廣泛應用它，但我不編寫這些)。
還有，這一切只適用于 Python 2.x，其中的機制在 Python 3 中已經改變了。
type(type) is type
在 Python 2.6 中現在也可用使用 class decorators 來實現許多以前可能需要用元類來實現的東西。
最后，還有一個極盡奇技淫巧的例子(稍為深入，但仍然不難消化)，可以去看看 The Selfless Metaclass。它通過字節碼和方法簽名重寫來避免顯式地聲明 self。
[1] 'one-pl'是指只有一個元素的元組。
