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Python MetaClass元类详解

MetaClass元类,本质也是一个类,但和普通类的用法不同,它可以对类内部的定义(包括类属性和类方法)进行动态的修改。可以这么说,使用元类的主要目的就是为了实现在创建类时,能够动态地改变类中定义的属性或者方法。

不要从字面上去理解元类的含义,事实上 MetaClass 中的 Meta 这个词根,起源于希腊语词汇 meta,包含“超越”和“改变”的意思。

举个例子,根据实际场景的需要,我们要为多个类添加一个 name 属性和一个 say() 方法。显然有多种方法可以实现,但其中一种方法就是使用 MetaClass 元类。

如果在创建类时,想用 MetaClass 元类动态地修改内部的属性或者方法,则类的创建过程将变得复杂:先创建 MetaClass 元类,然后用元类去创建类,最后使用该类的实例化对象实现功能。

和前面章节创建的类不同,如果想把一个类设计成 MetaClass 元类,其必须符合以下条件:
  1. 必须显式继承自 type 类;
  2. 类中需要定义并实现 __new__() 方法,该方法一定要返回该类的一个实例对象,因为在使用元类创建类时,该 __new__() 方法会自动被执行,用来修改新建的类。

讲了这么多,读者可能对 MetaClass 元类的功能还是比较懵懂。没关系,我们先尝试定义一个 MetaClass 元类:
#定义一个元类
class FirstMetaClass(type):
    # cls代表动态修改的类
    # name代表动态修改的类名
    # bases代表被动态修改的类的所有父类
    # attr代表被动态修改的类的所有属性、方法组成的字典
    def __new__(cls, name, bases, attrs):
        # 动态为该类添加一个name属性
        attrs['name'] = "C语言中文网"
        attrs['say'] = lambda self: print("调用 say() 实例方法")
        return super().__new__(cls,name,bases,attrs)
此程序中,首先可以断定 FirstMetaClass 是一个类。其次,由于该类继承自 type 类,并且内部实现了 __new__() 方法,因此可以断定 FirstMetaCLass 是一个元类。

有关 __new__() 的具体用法,可阅读《Python __new__()方法》一节。

可以看到,在这个元类的 __new__() 方法中,手动添加了一个 name 属性和 say() 方法。这意味着,通过 FirstMetaClass 元类创建的类,会额外添加 name 属性和 say() 方法。通过如下代码,可以验证这个结论:
#定义类时,指定元类
class CLanguage(object,metaclass=FirstMetaClass):
    pass

clangs = CLanguage()
print(clangs.name)
clangs.say()
可以看到,在创建类时,通过在标注父类的同时指定元类(格式为metaclass=元类名),则当 Python 解释器在创建这该类时,FirstMetaClass 元类中的 __new__ 方法就会被调用,从而实现动态修改类属性或者类方法的目的。

运行上面的程序,输出结果为:

C语言中文网
调用 say() 实例方法

显然,FirstMetaClass 元类的 __new__() 方法动态地为 Clanguage 类添加了 name 属性和 say() 方法,因此,即便该类在定义时是空类,它也依然有 name 属性和 say() 方法。

对于 MetaClass 元类,它多用于创建 API,因此我们几乎不会使用到它。

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