Python 元類
印象中，是在創建單例模式時知道可以用到元類（metaclass），但始終對其了解的不是很透徹，很多人也都說元類是Python中較難理解的概念之一，於是找來幾本書，希望可以找到答案，本文以Python3為例。
本文參考：
《人人都懂設計模式》
《Python Cookbook》
《 流暢的Python》
先來簡單介紹下：元類（metaclass）是一個類，你也可以理解為類的類，因為Python中的類是在運行時動態創建的，那麼通過元類便可以控制類屬性和類實例的創建過程。
來看看用元類實現的單例模式：
class Singleton(type):
"""
單例模式
"""
def __init__(cls, *args, **kwargs):
cls.__instance = None
super().__init__(*args, **kwargs)
def __call__(cls, *args, **kwargs):
if cls.__instance is None:
cls.__instance = super().__call__(*args, **kwargs)
return cls.__instance
class Test(metaclass=Singleton):
def __init__(self):
pass
a = Test()
b = Test()
print(id(a))
print(id(b))
具體的實現是：創建類時顯式的指定類的metaclass，而自定義的metaclass繼承type，並重新實現__call__方法。
於是，有了兩個問題：
- 為什麼自定義的metaclass繼承type？
因為，在Python中，type是默認的metaclass（內建元類），Python允許我們自定義metaclass，自定義的metaclass必須繼承自type，也就是：元類從type類繼承了構建類的能力。
我們通常用type來獲取對象所屬的類，就像這樣：
In [10]: a = 10
In [11]: type(a)
Out[11]: int
然而，type還是一個類，你可以通過type來新建一個類，看type的源碼，通過type(name, bases, dict)便可以生成一個新的類：
In [44]: test_class = type('Test', (), dict({'name': None}))
In [45]: a = test_class()
In [46]: a.name = 'Tony'
In [47]: a.name
Out[47]: 'Tony'
默認情況下，Python中類都是type類的實例:
In [12]: class A:
...: pass
...:
In [13]: A.__class__
Out[13]: type
In [14]: int.__class__
Out[14]: type
當你使用class關鍵字時，Python在幕後做的事情，就是通過元類來實現的。
- 為什麼重新定義
__call__方法？
提出該問題是因為，與Python類創建相關的方法是：
__new__：類方法，負責對象的創建，在定義類時需要返回一個實例，在我們通過類名進行實例化對象時自動調用。
__init__：初始化函數，負責對new實例化的對象進行初始化，負責對象狀態的更新和屬性的設置，在每一次實例化對象之後調用。
而我們常用__call__方法只是為了聲明這個類的對象是可調用的（callable）。
但是，在metaclass中__call__方法還負責對象的創建，這就是為什麼要重新定義的原因了。
重定義了__call__方法之後，一個對象的創建過程大概如下圖：
我們驗證一下：
class TestMetaClass(type):
def __init__(cls, what, bases=None, dict=None):
print("metaclass init")
super().__init__(what, bases, dict)
def __call__(cls, *args, **kwargs):
print("metaclass call")
self = super(TestMetaClass, cls).__call__(*args, **kwargs)
return self
class TestClass(metaclass=TestMetaClass):
def __init__(self, *args, **kwargs):
print("class init")
super().__init__()
def __new__(cls, *args, **kwargs):
print("class new")
self = super().__new__(cls)
return self
a = TestClass()
返回：
metaclass init
metaclass call
class new
class init
可以看到，__call__方法在類執行__new__和__init__之前執行，這樣就可以解釋：
在Singleton中的__call__方法對類屬性__instance進行判斷：
- 如果
__instance為None，表明類還未進行實例化，那麼給__instance賦值為元類的父類（type）的__call__方法。 - 如果
__instance不為None，說明類已經進行過實例化，直接返回cls.__instance中的類實例。
便實現了單例模式。
除了重新定義__call__以外，元類可以通過實現__init__方法來訂製實例，元類的__init__方法可以做到類裝飾器能做到的任務事情，並且作用更大。
如果想要進一步訂製類，可以在元類中實現__new__方法。
另，編寫元類時，通常會把self參數改為cls，這樣能更清楚的表明要構建的實例是類。
元類的調用
上述例子中，都是通過metaclass=''來設置類的元類，還可以這樣：
class TestClass():
__metaclass__ = TestMetaClass
def __init__(self, *args, **kwargs):
print("class init")
super().__init__()
在執行類定義時，解釋器會先尋找這個類屬性中的__metaclass__，如果此屬性存在，就將這個屬性賦值給此類作為它的元類，如果此屬性沒有定義的話，就會向上查找父類的__metaclass__，如果沒有發現任何的父類，並且解釋器中也沒有名字為__metaclass__的全局變數，這個類就是傳統類，會使用type.ClassType作為此類的元類。
以上。
