Python 元類詳解

• 2022 年 7 月 27 日
• 筆記
• Python

一、Type介紹

在Python中一切皆對象，類它也是對象，而元類其實就是用來創建類的對象（由於一切皆對象，所以元類其實也是一個對象）。

先來看這幾個例子：

例1：

In [1]: type(12)
Out[1]: int

通過 type 可以查看對象的類型，也就是查看對象是那一類的，這裡可以看出來 12 是 int 類型的也就是整數類。由於一切皆對象，那麼我們也可以查看 int 是屬於哪一個類型的。

In [2]: type(int)
Out[2]: type

通過這樣的操作可以看出來 int 是 type 類型的，也就是說 int 類是 type 類實例化得到的對象。按照這樣的思路在來看看 type 類是什麼類型。

In [3]: type(type)
Out[3]: type

從上面可以看出來 type 是 type 類型的對象

例2：在來看這樣一個規律

In [4]: class Foo:
   ...:     pass
   ...:

In [5]: f = Foo()

In [6]: type(f)
Out[6]: __main__.Foo

In [7]: type(Foo)
Out[7]: type

In [8]: type(type)
Out[8]: type

由上可以看出，實例 f 是 Foo 類的對象，Foo 這個自定義的類它是 type 類型的，並且 type 也是 type 類型的。

總結：

• 實例是類的實例；———————-> f 是 Foo 類的實例
• 類是 type 類的實例；—————–> Foo 類是 type 類的實例
• type 類是 type 類的實例；

從上面的規律可以看出，所有的類終歸都是由 type 實例化得來的，它就是最元始的，同時它也是一個類，所以也可以稱之為元類（Metaclass）

實例、類、元類之間的關係如圖所示：

二、Type 使用方法

在 help(type) 顯示的幫助文檔中，可以看到這樣兩種使用方法；

class type(object)
 |  type(object) -> the object's type
 |  type(name, bases, dict, **kwds) -> a new type

第一種：直接帶入對象，返回對象的類型，也是我們最常用的。

第二種：type(name, bases, dict, **kwds) 返回一個新的類型，也就是一個新的類。

• name：新類的名稱；
• bases：以元組的形式，聲明父類；
• dict：以字典的形式聲明類的屬性；

實例1：用 type 創建一個名為 Foo1 的類

In [10]: Foo1 = type("Foo1", (), {})

In [11]: Foo1.__bases__
Out[11]: (object,)

雖然沒有給 bases 賦值，但是 Python 中所有的類都是以 object 為基類，所以查看類 Foo1 的父類，會得到這樣一個結果。PS：__bases__查看父類。

也可以將 Foo1 實例化，就能看見 f 是 Foo1 類型，並且仿照之前的樣子查找它的類型，可以一直查找到元類 type。

In [12]: f = Foo1()

In [13]: f.__class__
Out[13]: __main__.Foo1

In [14]: f.__class__.__class__
Out[14]: type

__class__ 是類的一個內置屬性，表示類的類型，也是類的實例的屬性，表示實例對象的類

實例2：利用元類 type 所創建的類 Bar 繼承了 Foo1 和 Book 兩個類

In [15]: class Book:
    ...:     def __new__(cls, *args, **kwargs):
    ...:         cls.website = 'www.cnblogs.com'
    ...:         return super().__new__(cls)
    ...:

In [16]: Bar = type('Bar', (Foo1, Book), {'name': 'python'})

In [17]: b = Bar()

In [18]: b.name
Out[18]: 'python'

In [19]: b.website
Out[19]: 'www.cnblogs.com'

In [20]: b.__class__
Out[20]: __main__.Bar

In [21]: b.__class__.__class__
Out[21]: type
    
In [22]: Bar.__bases__
Out[22]: (__main__.Foo1, __main__.Book)

In [23]: Bar.__dict__
Out[23]: mappingproxy({'name': 'python',
              '__module__': '__main__',
              '__doc__': None,
              'website': 'www.cnblogs.com'})

上述中 Bar 類除了在創建時設置的 name 外，還有從 Book 類繼承來的 website，實例化後也可以讀取到 name 和 website 兩個屬性的值，並且實例的類型是 Bar。

三、Metaclass

雖然使用第二種方法能定義出所需要的各種類型的類，但是，在實踐中，這種形式並不常用，而是用這種形式；

In [24]: class Meta(type):
    ...:     pass
    ...:

In [25]: class Spam(metaclass=Meta):
    ...:     pass
    ...:

In [26]: s = Spam()

類 Meta 繼承了 type ，也可以稱為元類，而 Spam 類與之前定義的類的不同之處就在於，類名後括弧內添加了參數 metaclass 來說明或指定元類，這樣就利用了元類 Meta 創建了類 Spam。

總結描述：

• 類 Spam 是元類 Meta 的實例；
• 元類 Meta 實例化得到了類 Spam；

In [27]: s.__class__
Out[27]: __main__.Spam

In [28]: s.__class__.__class__
Out[28]: __main__.Meta

In [29]: s.__class__.__class__.__class__
Out[29]: type

下面做一個更詳細的實例，來了解 Spam 與 Meta 之間的關係。

class Meta(type):

    def __new__(cls, name, bases, attrs):
        print("執行了元類 Meta!")
        attrs['author'] = "xiaoyang-sir"
        spam_class = super().__new__(cls, name, bases, attrs)
        print(spam_class)
        return spam_class



class Spam(metaclass=Meta):

    def __init__(self, website):
        self.website = website

        
print(Spam.author)


"""
Out：
    執行了元類 Meta!
    <class '__main__.Spam'>
    xiaoyang-sir

"""

從上面程式運行的的結果可以直接看出當該段程式運行的時候，雖然並沒有直接實例化 Spam 類，但是由於指定了 Meta 為 Spam 類的元類 ，所以 Meta 會直接實例化 Spam 類，並且元類 Meta 的構造方法 __new__() 中定義的屬性 author 已經成為了實例 Spam 類的類屬性。

那麼接下來將 Spam 實例化後，也就能得到想要的結果。

s = Spam('www.cnblogs.com')
print(s.website)
print(s.author)

"""
Out:
    執行了元類 Meta!
    <class '__main__.Spam'>
    www.cnblogs.com
    xiaoyang-sir
"""

四、元類實現單例模式

元類實現單例模式可以在元類中定義 __call__() 方法，__call__() 方法主要是在對象加括弧被調用的時候執行 __call__() 方法中的內容。由於類是一個對象，所以在類加括弧的時候就會執行元類中的__call__()方法。

class Meta(type):
    __instance = None

    def __call__(cls, *args, **kwargs):
        if not cls.__instance:
            cls.__instance = type.__call__(cls, *args, **kwargs)
        return cls.__instance


class Spam(metaclass=Meta):
    pass


x = Spam()
y = Spam()
print(x)
print(y)
print(x==y)


"""
Out:
    <__main__.Spam object at 0x00000251A51E7E50>
    <__main__.Spam object at 0x00000251A51E7E50>
    True
"""