深刻理解Python中的元類(metaclass)以及元類實現(xiàn)單例模式

在看一些框架源代碼的過程中碰到很多元類的實例，看起來很吃力很晦澀；在看python cookbook中關(guān)于元類創(chuàng)建單例模式的那一節(jié)有些疑惑。因此花了幾天時間研究下元類這個概念。通過學習元類，我對python的面向?qū)ο笥辛烁由钊氲牧私?。這里將一篇寫的非常好的文章基本照搬過來吧，這是一篇在Stack overflow上很熱的帖子，我看http://blog.jobbole.com/21351/這篇博客對其進行了翻譯。

一、理解類也是對象

在理解元類之前，你需要先掌握Python中的類。Python中類的概念借鑒于Smalltalk，這顯得有些奇特。在大多數(shù)編程語言中，類就是一組用來描述如何生成一個對象的代碼段。在Python中這一點仍然成立：

但是，Python中的類還遠不止如此。類同樣也是一種對象。只要你使用關(guān)鍵字class，Python解釋器在執(zhí)行的時候就會創(chuàng)建一個對象。下面的代碼段：

將在內(nèi)存中創(chuàng)建一個對象，名字就是ObjectCreator。這個對象（類）自身擁有創(chuàng)建對象（類實例）的能力，而這就是為什么它是一個類的原因。但是，它的本質(zhì)仍然是一個對象，于是你可以對它做如下的操作：

你可以將它賦值給一個變量， 你可以拷貝它， 你可以為它增加屬性， 你可以將它作為函數(shù)參數(shù)進行傳遞。

下面是示例：

二、動態(tài)地創(chuàng)建類

1、通過return class動態(tài)的構(gòu)建需要的類

因為類也是對象，你可以在運行時動態(tài)的創(chuàng)建它們，就像其他任何對象一樣。首先，你可以在函數(shù)中創(chuàng)建類，使用class關(guān)鍵字即可。?

2、通過type函數(shù)構(gòu)造類

但這還不夠動態(tài)，因為你仍然需要自己編寫整個類的代碼。由于類也是對象，所以它們必須是通過什么東西來生成的才對。當你使用class關(guān)鍵字時，Python解釋器自動創(chuàng)建這個對象。但就和Python中的大多數(shù)事情一樣，Python仍然提供給你手動處理的方法。還記得內(nèi)建函數(shù)type嗎？這個古老但強大的函數(shù)能夠讓你知道一個對象的類型是什么，就像這樣：

這里，type有一種完全不同的能力，它也能動態(tài)的創(chuàng)建類。type可以接受一個類的描述作為參數(shù)，然后返回一個類。（我知道，根據(jù)傳入?yún)?shù)的不同，同一個函數(shù)擁有兩種完全不同的用法是一件很傻的事情，但這在Python中是為了保持向后兼容性）

type的語法：

type(類名, 父類的元組（針對繼承的情況，可以為空），包含屬性的字典（名稱和值）)

比如下面的代碼：

可以手動通過type創(chuàng)建，其實

?你會發(fā)現(xiàn)我們使用“MyShinyClass”作為類名，并且也可以把它當做一個變量來作為類的引用。

接下來我們通過一個具體的例子看看type是如何創(chuàng)建類的，范例：

可以看到，在Python中，類也是對象，你可以動態(tài)的創(chuàng)建類。這就是當我們使用關(guān)鍵字class時Python在幕后做的事情，而這就是通過元類來實現(xiàn)的。

三、元類

1、什么是元類

通過上文的描述，我們知道了Python中的類也是對象。元類就是用來創(chuàng)建這些類（對象）的，元類就是類的類，你可以這樣理解為：

函數(shù)type實際上是一個元類。type就是Python在背后用來創(chuàng)建所有類的元類。現(xiàn)在你想知道那為什么type會全部采用小寫形式而不是Type呢？好吧，我猜這是為了和str保持一致性，str是用來創(chuàng)建字符串對象的類，而int是用來創(chuàng)建整數(shù)對象的類。type就是創(chuàng)建類對象的類。你可以通過檢查__class__屬性來看到這一點。Python中所有的東西，注意，我是指所有的東西——都是對象。這包括整數(shù)、字符串、函數(shù)以及類。它們?nèi)慷际菍ο?，而且它們都是從一個類創(chuàng)建而來。

因此，元類就是創(chuàng)建類這種對象的東西，?type就是Python的內(nèi)建元類，當然了，你也可以創(chuàng)建自己的元類。

2、__metaclass__屬性

你可以在寫一個類的時候為其添加__metaclass__屬性,定義了__metaclass__就定義了這個類的元類。

例如：當我們寫如下代碼時 :

在該類并定義的時候，它還沒有在內(nèi)存中生成，知道它被調(diào)用。Python做了如下的操作：

1）Foo中有__metaclass__這個屬性嗎？如果是，Python會在內(nèi)存中通過__metaclass__創(chuàng)建一個名字為Foo的類對象（我說的是類對象，請緊跟我的思路）。

2）如果Python沒有找到__metaclass__，它會繼續(xù)在父類中尋找__metaclass__屬性，并嘗試做和前面同樣的操作。

3）如果Python在任何父類中都找不到__metaclass__，它就會在模塊層次中去尋找__metaclass__，并嘗試做同樣的操作。

4）如果還是找不到__metaclass__,Python就會用內(nèi)置的type來創(chuàng)建這個類對象。

現(xiàn)在的問題就是，你可以在__metaclass__中放置些什么代碼呢？

答案就是：可以創(chuàng)建一個類的東西。那么什么可以用來創(chuàng)建一個類呢？type，或者任何使用到type或者子類化type的東西都可以。

三、自定義元類

元類的主要目的就是為了當創(chuàng)建類時能夠自動地改變類。通常，你會為API做這樣的事情，你希望可以創(chuàng)建符合當前上下文的類。假想一個很傻的例子，你決定在你的模塊里所有的類的屬性都應(yīng)該是大寫形式。有好幾種方法可以辦到，但其中一種就是通過設(shè)定__metaclass__。采用這種方法，這個模塊中的所有類都會通過這個元類來創(chuàng)建，我們只需要告訴元類把所有的屬性都改成大寫形式就萬事大吉了。

__metaclass__實際上可以被任意調(diào)用，它并不需要是一個正式的類。所以，我們這里就先以一個簡單的函數(shù)作為例子開始。

1、使用函數(shù)當做元類

2、使用class來當做元類

由于__metaclass__必須返回一個類。

?但是，這種方式其實不是OOP。我們直接調(diào)用了type，而且我們沒有改寫父類的__new__方法。現(xiàn)在讓我們這樣去處理:

你可能已經(jīng)注意到了有個額外的參數(shù)upperattr_metaclass，這并沒有什么特別的。類方法的第一個參數(shù)總是表示當前的實例，就像在普通的類方法中的self參數(shù)一樣。當然了，為了清晰起見，這里的名字我起的比較長。但是就像self一樣，所有的參數(shù)都有它們的傳統(tǒng)名稱。因此，在真實的產(chǎn)品代碼中一個元類應(yīng)該是像這樣的：

如果使用super方法的話，我們還可以使它變得更清晰一些。

四、使用原來創(chuàng)建ORM的實例?

我們通過創(chuàng)建一個類似Django中的ORM來熟悉一下元類的使用，通常元類用來創(chuàng)建API是非常好的選擇，使用元類的編寫很復雜但使用者可以非常簡潔的調(diào)用API。

例如：

接下來我么來實現(xiàn)這么個功能：

五、使用__new__方法和元類方式分別實現(xiàn)單例模式

1、__new__、__init__、__call__的介紹

在講到使用元類創(chuàng)建單例模式之前，比需了解__new__這個內(nèi)置方法的作用，在上面講元類的時候我們用到了__new__方法來實現(xiàn)類的創(chuàng)建。然而我在那之前還是對__new__這個方法和__init__方法有一定的疑惑。因此這里花點時間對其概念做一次了解和區(qū)分。

__new__方法負責創(chuàng)建一個實例對象，在對象被創(chuàng)建的時候調(diào)用該方法它是一個類方法。__new__方法在返回一個實例之后，會自動的調(diào)用__init__方法，對實例進行初始化。如果__new__方法不返回值，或者返回的不是實例，那么它就不會自動的去調(diào)用__init__方法。

__init__ 方法負責將該實例對象進行初始化，在對象被創(chuàng)建之后調(diào)用該方法，在__new__方法創(chuàng)建出一個實例后對實例屬性進行初始化。__init__方法可以沒有返回值。

__call__方法其實和類的創(chuàng)建過程和實例化沒有多大關(guān)系了，定義了__call__方法才能被使用函數(shù)的方式執(zhí)行。

打個比方幫助理解：如果將創(chuàng)建實例的過程比作建一個房子。

那么class就是一個房屋的設(shè)計圖，他規(guī)定了這個房子有幾個房間，每個人房間的大小朝向等。這個設(shè)計圖就是累的結(jié)構(gòu)

__new__就是一個房屋的框架，每個具體的房屋都需要先搭好框架后才能進行專修，當然現(xiàn)有了房屋設(shè)計才能有具體的房屋框架出來。這個就是從類到類實例的創(chuàng)建。

__init__就是裝修房子的過程，對房屋的墻面和地板等顏色材質(zhì)的豐富就是它該做的事情，當然先有具體的房子框架出來才能進行裝飾了。這個就是實例屬性的初始化，它是在__new__出一個實例后才能初始化。

__call__就是房子的電話，有了固定電話，才能被打電話嘛（就是通過括號的方式像函數(shù)一樣執(zhí)行）。

?子類如果重寫__new__方法，一般依然要調(diào)用父類的__new__方法。

?必須注意的是，類的__new__方法之后，必須生成本類的實例才能自動調(diào)用本類的__init__方法進行初始化，否則不會自動調(diào)用__init__.

2.實現(xiàn)單例模式：

依照Python官方文檔的說法，__new__方法主要是當你繼承一些不可變的class時(比如int, str, tuple)， 提供給你一個自定義這些類的實例化過程的途徑。還有就是實現(xiàn)自定義的metaclass。接下來我們分別通過這兩種方式來實現(xiàn)單例模式。當初在看到cookbook中的元類來實現(xiàn)單例模式的時候?qū)ζ湎喈斠苫?，因此才有了上面這些對元類的總結(jié)。

簡單來說，單例模式的原理就是通過在類屬性中添加一個單例判定位ins_flag，通過這個flag判斷是否已經(jīng)被實例化過了,如果被實例化過了就返回該實例。

1)__new__方法實現(xiàn)單例：

因為重寫__new__方法，所以繼承至Singleton的類，在不重寫__new__的情況下都將是單例模式。

2）元類實現(xiàn)單例

當初我也很疑惑為什么我們是從寫使用元類的__init__方法，而不是使用__new__方法來初為元類增加一個屬性。其實我只是上面那一段關(guān)于元類中__new__方法迷惑了，它主要用于我們需要對類的結(jié)構(gòu)進行改變的時候我們才要重寫這個方法。

基于這個例子：

我們知道元類(Singleton)生成的實例是一個類(Foo),而這里我們僅僅需要對這個實例(Foo)增加一個屬性(__instance)來判斷和保存生成的單例。想想也知道為一個類添加一個屬性當然是在__init__中實現(xiàn)了。

關(guān)于__call__方法的調(diào)用，因為Foo是Singleton的一個實例。所以Foo()這樣的方式就調(diào)用了Singleton的__call__方法。不明白就回頭看看上一節(jié)中的__call__方法介紹。

假如我們通過元類的__new__方法來也可以實現(xiàn)，但顯然沒有通過__init__來實現(xiàn)優(yōu)雅，因為我們不會為了為實例增加一個屬性而重寫__new__方法。所以這個形式不推薦。