详解python metaclass（元类）

详解Python Metaclass（元类）

Metaclass指的是用来创建类的“类”。Python中每一个类都是由其相应的元类所创建的。元类规定了实例化一个新类时需要做什么，类是如何构造的，方法如何组织的等信息。本篇文章将详细讲解Python中的Metaclass及其使用方法。

什么是Metaclass

在Python中，一切皆对象。类也是对象。Python中内置类型（比如int、str、list等）都是由它们相应的类所创建出来的。

我们来看一个例子：

a = 1
print(type(a))

运行上述代码，输出结果如下：

<class 'int'>

我们可以看到，此时a的类型是int。那这个“int”到底是什么呢？

在Python中，每一个类都是由相应的元类所创建的。int这个类型就是由其对应的int类所创建的。而这个int类的Metaclass就是type。如果我们想要查看一个类的Metaclass，可以使用以下代码：

print(type(int))

输出结果如下：

<class 'type'>

因为int类的Metaclass是type，type是所有新式类的Metaclass。

使用Metaclass

在Python中，我们可以通过定义一个自己的Metaclass来控制类的创建过程。下面给出一个示例：

用于生成元素不重复的类，即要求每个类的实例的属性值不能相同，以下是代码实现：

class NoDupMeta(type):
    def __new__(cls, name, bases, attrs):
        attrs_new = {}
        for key, value in attrs.items():
            if callable(value):
                attrs_new[key] = value
            else:
                attrs_new[key] = Unique(value)
        return type.__new__(cls, name, bases, attrs_new)

class Unique(object):
    def __init__(self, data):
        self.data = data
        self.seen = set()

    def __get__(self, instance, cls):
        if instance is not None:
            return self.data
        else:
            if self.data in self.seen:
                raise ValueError("value {} already used".format(self.data))
            self.seen.add(self.data)
            return self.data

class Spam(metaclass=NoDupMeta):
    def __init__(self, name):
        self.name = name
    x = Unique(1)
    y = Unique(2)

在这个例子中，我们重写了NoDupMeta的__new__方法来控制属性的值不能重复。在__new__方法中，我们将每个值包装在Unique类中，Unique类提供了__get__方法来判断一个属性的值是否已经被使用过。如果已经被使用过，就会引发ValueError异常。

接下来我们来验证这个类的功能：

a = Spam('a')
b = Spam('b')
c = Spam('c')

print(a.x, b.x, c.x) # 输出结果：1, 1, 1

因为这个示例中属性x的值是1，所以在a、b、c三个实例中x的值都是1，没有重复出现。

接下来我们再来看一个更为简单的示例，用于在类被定义时将所有方法的名字中的大写字母都改为小写字母：

class LowerAttrMetaclass(type):
    def __new__(cls, name, bases, dct):
        new_dict = {}
        for name, val in dct.items():
            if callable(val):
                val.__name__ = val.__name__.lower()
            new_dict[name.lower()] = val
        return super(LowerAttrMetaclass, cls).__new__(cls, name, bases, new_dict)

class Foo(metaclass=LowerAttrMetaclass):
    def Bar(self):
        pass

f = Foo()
f.bar()

在这个示例中，我们通过LowerAttrMetaclass的__new__方法将所有方法名中的大写字母转换为小写字母。在Foo类中定义了Bar方法，但是通过实例化一个Foo类的对象后，我们调用的是bar方法。这也就是LowerAttrMetaclass所完成的工作。

结语

Metaclass是Python语言中一个极为有用的特性，掌握好它可以让我们更好地掌控类的创建过程。在使用过程中，我们可以根据需求来编写自己的Metaclass。该文档给出了两个可以参考的示例。