深刻理解Python中的元类(metaclass)

译注：这是一篇在Stack overflow上 很热的帖子。提问者自称已经掌握了有关Python OOP编程中的各种概念，但始终觉得元类(metaclass)难以理解。他知道这肯定和自省有关，但仍然觉得不太明白，希望大家可以给出一些实际的例子 和代码片段以帮助理解，以及在什么情况下需要进行元编程。于是e-satis同学给出了神一般的回复，该回复获得了985点的赞同点数，更有人评论说这段 回复应该加入到Python的官方文档中去。而e-satis同学本人在Stack Overflow中的声望积分也高达64271分。以下就是这篇精彩的回复（提示：非常长）

类也是对象

在理解元类之前，你需要先掌握Python中的类。Python中类的概念借鉴于Smalltalk，这显得有些奇特。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：

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。下面的代码段：

将在内存中创建一个对象，名字就是ObjectCreator。这个对象（类）自身拥有创建对象（类实例）的能力，而这就是为什么它是一个类的原因。但是，它的本质仍然是一个对象，于是乎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：

 

动态地创建类

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。

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。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：

这里，type有一种完全不同的能力，它也能动态的创建类。type可以接受一个类的描述作为参数，然后返回一个类。（我知道，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可以像这样工作：

比如下面的代码：

可以手动像这样创建：

你会发现我们使用“MyShinyClass”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。

type 接受一个字典来为类定义属性，因此

可以翻译为：

并且可以将Foo当成一个普通的类一样使用：

当然，你可以向这个类继承，所以，如下的代码：

就可以写成：

最终你会希望为你的类增加方法。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。

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。

 

到底什么是元类（终于到主题了）

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。好吧，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：

你已经看到了type可以让你像这样做：

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。

现在，对于任何一个__class__的__class__属性又是什么呢？

因此，元类就是创建类这种对象的东西。如果你喜欢的话，可以把元类称为“类工厂”（不要和工厂类搞混了:D） type就是Python的内建元类，当然了，你也可以创建自己的元类。

 

__metaclass__属性

你可以在写一个类的时候为其添加__metaclass__属性。

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)，但是类对象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 :

Python做了如下的操作：

Foo中有__metaclass__这个属性吗？如果是，Python会在内存中通过__metaclass__创建一个名字为Foo的类对象 （我说的是类对象，请紧跟我的思路）。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。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。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。

 

自定义元类

元类的主要目的就是为了当创建类时能够自动地改变类。通常，你会为API做这样的事情，你希望可以创建符合当前上下文的类。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。

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（我知道，某些名字里带有‘class’的东西并不需要是一个class，画画图理解下，这很有帮助）。所以，我们这里就先以一个简单的函数作为例子开始。

现在让我们再做一次，这一次用一个真正的class来当做元类。

但是，这种方式其实不是OOP。我们直接调用了type，而且我们没有改写父类的__new__方法。现在让我们这样去处理:

你可能已经注意到了有个额外的参数upperattr_metaclass，这并没有什么特别的。类方法的第一个参数总是表示当前的实例，就像在普 通的类方法中的self参数一样。当然了，为了清晰起见，这里的名字我起的比较长。但是就像self一样，所有的参数都有它们的传统名称。因此，在真实的 产品代码中一个元类应该是像这样的：

如果使用super方法的话，我们还可以使它变得更清晰一些，这会缓解继承（是的，你可以拥有元类，从元类继承，从type继承）

就是这样，除此之外，关于元类真的没有别的可说的了。使用到元类的代码 比较复杂，这背后的原因倒并不是因为元类本身，而是因为你通常会使用元类去做一些晦涩的事情，依赖于自省，控制继承等等。确实，用元类来搞些“黑暗魔法” 是特别有用的，因而会搞出些复杂的东西来。但就元类本身而言，它们其实是很简单的：

1)   拦截类的创建

2)   修改类

3)   返回修改之后的类

 

为什么要用metaclass类而不是函数?

由于__metaclass__可以接受任何可调用的对象，那为何还要使用类呢，因为很显然使用类会更加复杂啊？这里有好几个原因：

1）  意图会更加清晰。当你读到UpperAttrMetaclass(type)时，你知道接下来要发生什么。

2） 你可以使用OOP编程。元类可以从元类中继承而来，改写父类的方法。元类甚至还可以使用元类。

3）  你可以把代码组织的更好。当你使用元类的时候肯定不会是像我上面举的这种简单场景，通常都是针对比较复杂的问题。将多个方法归总到一个类中会很有帮助，也会使得代码更容易阅读。

4） 你可以使用__new__, __init__以及__call__这样的特殊方法。它们能帮你处理不同的任务。就算通常你可以把所有的东西都在__new__里处理掉，有些人还是觉得用__init__更舒服些。

5） 哇哦，这东西的名字是metaclass，肯定非善类，我要小心！

 

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

元类的主要用途是创建API。一个典型的例子是Django ORM。它允许你像这样定义：

但是如果你像这样做的话：

这并不会返回一个IntegerField对象，而是会返回一个int，甚至可以直接从数据库中取出数据。这是有可能的，因为 models.Model定义了__metaclass__， 并且使用了一些魔法能够将你刚刚定义的简单的Person类转变成对数据库的一个复杂hook。Django框架将这些看起来很复杂的东西通过暴露出一个 简单的使用元类的API将其化简，通过这个API重新创建代码，在背后完成真正的工作。

 

结语

首先，你知道了类其实是能够创建出类实例的对象。好吧，事实上，类本身也是实例，当然，它们是元类的实例。

Python中的一切都是对象，它们要么是类的实例，要么是元类的实例，除了type。type实际上是它自己的元类，在纯Python环境中这可 不是你能够做到的，这是通过在实现层面耍一些小手段做到的。其次，元类是很复杂的。对于非常简单的类，你可能不希望通过使用元类来对类做修改。你可以通过 其他两种技术来修改类：

1） Monkey patching

2)   class decorators

当你需要动态修改类时，99%的时间里你最好使用上面这两种技术。当然了，其实在99%的时间里你根本就不需要动态修改类 :D

来自 http://blog.jobbole.com/21351/


五分钟理解元类（Metaclasses）
真的，它并非巫术。


原文地址：http://www.voidspace.org.uk/python/articles/five-minutes.shtml
日期：16 September, 2008.
译者：赖勇浩（http://blog.csdn.net/lanphaday）
 “元类的魔幻变化比 99% 的用户所担心的更多，当你搞不懂是否真的需要用它的时候，就是不需要。”
—Tim Peters
本文源于在 PyCon UK 2008 上的一个快速演讲。
元类被称为 Python 中的“深奥的巫术”。尽管你需要用到它的地方极少（除非你基于 zope编程），可事实上它的基础理论其实令人惊讶地易懂。
一切皆对象

• 一切皆对象
• 一切都有类型
•  “class”和“type”之间本质上并无不同
• 类也是对象
• 它们的类型是 type

以前，术语 type 用于内置类型，而术语 class 用于用户定义的类，但自 Pythoon 2.2 以来“class”和“type”本质上并无不同。
对于旧风格（old-style）类的类型是 types.ClassType。
真的，这是真的
Python 2.5.1 (r251:54869, Apr 18 2007, 22:08:04)
>>> class Something(object):
...     pass
...
>>> Something
<class '__main__.Something'>
>>> type(Something)
<type 'type'>
从这里可以看出在交互式解释器中创建的类是一个 first class 的对象。
类的类是……
它的元类……
就像对象是类的实例一样，类是它的元类的实例。
调用元类可以创建类。
确切来说，Python 中的其它对象也是如此。
因此当你创建一个类时……
解释器会调用元类来生成它……
定义一个继承自 object 的普通类意味着调用 type 来创建它：
type 的第二种用法尤为重要。当 Python 解释器在执行一条类定义语句时（如例子中最初的两行代码之后），它会用下面的参数调用 type：

• 字符串形式的类名
• 元组形式的基类序列——在我们的例子中是只有一个元素的元组（’one-pl’）[1]，如(object,)。
• 包括由名字影射的类成员（类属性、方法等）的字典

简单模拟
>>> 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
以上代码创建了类属性的字典，然后调用 type 来创建了名为 Hello 的类。
__metaclass__ 的魔法
只要在类定义中把 __metaclass__ 设置为任意有着与 type 相同参数的可调用对象，就能够提供自定义的元类。
通常使用从 type 继承的方法：
class PointlessMetaclass(type):
    def __new__(meta, name, bases, attrs):
        # do stuff...
        return type.__new__(meta, name, bases, attrs)
重要的是在 __new__ 方法中我们能够读取或改变传入的用以创建新类的参数。从而能够内省属性字典和改动、增加或者删除成员。
尽管当实例化一个类时这两个函数都会被调用，但覆盖 __new__ 比 __init__ 更为重要。__init__ 初始化一个实例，而 __new__ 的职责是创建它。因此如果元类用以自定义类的创建，就需要覆盖 type 的 __new__。
使用新类而非仅仅提供工厂函数的原因在于如果使用工厂函数（那样只是调用 type）的话元类不会被继承。
In Action...
>>> class WhizzBang(object):
...     __metaclass__ = PointlessMetaclass
...
>>> WhizzBang
<class '__main__.WhizzBang'>
>>> type(WhizzBang)
<class '__main__.PointlessMetaClass'>
WhizzBang 是一个类，但它现在已经不是 type 的实例，而是我们自定义的元类的实例了……
这有什么用？
很好的问题，元类将用在创建使用了它的新类时调用，这里是一些关于这样做的好处的观点：

• 装饰（Decorate）类的所有方法，用以日志记录或者性能剖分。
• 自动 Mix-in 新方法
• 在创建时注册类。（例如自动注册插件或从类成员创建数据库模式。）
• 提供接口注册，功能自动发现和接口适配。
• 类校验：防止子类化，校验所有的方法是否都有 docstrings。

最重要之处在于元类中是在最后对 type 的调用时才真正创建类，所以可以自由地随你喜欢地改变属性字典（以及名称和元组形式的基类序列）。
一些流行的 Python ORM（Object Relational Mappers（对象关系影射），用以和数据库协同工作）也如此使用元类。
哦，还有因为元类是继承的，所以你能够提供一个使用了你的元类的基类，而继承自它的子类就无需显式声明它了。
但是……
我曾未需要使用它来编写代码……（我们用它来剖分，也在 Ironclad 项目广泛应用它，但我不编写这些）。
还有，这一切只适用于 Python 2.x，其中的机制在 Python 3 中已经改变了。
type(type) is type
在 Python 2.6 中现在也可用使用  class decorators 来实现许多以前可能需要用元类来实现的东西。
最后，还有一个极尽奇技淫巧的例子（稍为深入，但仍然不难消化），可以去看看 The Selfless Metaclass。它通过字节码和方法签名重写来避免显式地声明 self 。

来自 http://blog.csdn.net/gzlaiyonghao/article/details/3048947