谈谈python中的元类(meta-class)

Question

如题所述

Answer 1

近期又要开始忙碌的生活了，论文阅读只能暂时搁置，来科普一下编程语言的知识，并把它阐述清楚，也算是对知识的一些整理工作。

本文旨在理解元类的基本概念，理解元类在定制类时的运行顺序，以及元类的一些用途。

一、元类的基本概念

“类”这个概念相信有编程基础的朋友们都理解。现在主要解释“元”这个词。 “元”这个词是翻译自英文中的“meta"，比如近年来很火的”元学习“（meta-learning"）。这个概念不太好用官方的语言来解释，只能用类比的方式先有一个初步的理解（水平有限）：

1、”元“ 表示某个物体的一些基本信息，这些信息可以用于很多不同的场景。

比如一个文件的权限，创建时间，修改时间等；

又比如一个人，无论在什么场景下，基本的吃饭，刷牙以及睡觉等”元行为”是不需要重新学习的，稍微适应一下新的场景就可以了；

再比如元学习，如果让一个模型学到的东西是“元信息”，比如一个物体的颜色，形状，大小等，它就有可能只需要针对某个特定的分类场景做微调，就能够很好地完成特定的学习任务。

2、“元”表示一个通用，灵活的模板或规则，用于定制其他具有特定功能，又要受到规则约束的函数或者类。

比如在定义某个函数时，要求它的参数满足类型的约束；

比如在定义某个类时，要求它必须具有某些属性。

上面这两句话可能比较抽象，结合后面给出的代码示例可以更好地理解（show me the code)。

结合上面两个特点，元类首先也是一个类，不过它的作用是对继承它的类的行为进行约束，也就是说，它制定了规则，要求继承它的类在满足这个规则基础上，再实现其他细分的功能。

二、元类在定制类时的构建顺序

本节是关键中的关键，相当于是九阳神功易筋经之类的内功心法，打好了这个基础，才能发挥出更好的武功招式来使用元类。

python中元类的特点：

1、继承自type

type在python中是个比较神奇的东西，python中任何内置类或者自定义的类都是type的实例（注意是实例，instance)。而object是python中任何类的父类，它也是type的实例，同时type的父类也是object。（有点像鸡和蛋的关系，这不是本文重点，不深究）

2、定义了定制类相关的函数

假设现在有元类A，继承了元类A的类B。

与定制类相关的函数主要有（不一定全要有）：

__prepare__()：当元类A中定义了这个函数，它将运行于类B的定义体构造之前，为类B创建一个dict，存储类B的类属性，函数名等信息；

__new__()：当元类A中定义了这个函数，它将运行于类B的定义体构造之后，通过__prepare__()中构建的dict来访问或控制类B的类属性或函数名；（比如在这里就可以限制类B的函数名必须全部为小写）

__init__()：这个函数在定义普通类的时候经常用，不过在普通类中，它实际上是初始化函数，真正构造出实例的是__new__()函数。当元类A中定义了这个函数，它将运行于__new__()函数之后，常用于定制类B的子类的行为。

综上所述（！！！划重点！！！），在定义了元类A以后，继承了元类A的类B的构造顺序为：

__prepare__()函数调用 ---> 类B的类属性与函数定义 ---> __new__()函数调用 ---> __init__()函数调用 ---> 类B的实例化完成。

请仔细结合每个函数的功能说明，把上面这个顺序走一遍，可以留下一个关于元类的初步印象。

当然，如果是第一次接触，上面的功能说明还是很抽象，没关系，后面还有代码示例。

三、元类的一些用途

内功心法已经在上一节修炼完了，现在要通过实战来学习武功招式，把内功发挥出来。

这一节需要点耐心，初次接触可能不是在公交或者地铁上看看就能理解的。

使用元类对类的属性进行约束

1、定义工具函数 首先使用inspect库来定义一个小工具函数make_sig，这个函数的功能就是获取一个可迭代对象（如list），可迭代对象的内容是待构建类的属性名，并返回一个签名对象Signature：

2、创建元类

注意创建元类的特点，继承自type，定义与定制类有关的函数。

3、创建元类的继承类 有了元类以后，就需要有一个继承类，来使用元类的定制规则。

到这里就可以结合具体的代码，讲讲运行的顺序了：

（1） 运行StructureMeta.__prepare__() : 准备好一个OrderedDict，存储继承类的类属性；

（2）Structure._fields， Structure.__init__()定义好，并存放在OrderedDict中；

（3）运行StructureMeta.__new__()：接收OrderedDict作为参数，并增加__signature__类属性给继承类Structure；

（4）运行StructureMeta.__init__()：注意元类的__init__()函数参数self代表的是继承类Structure，而不是继承类的实例

此时运行代码，可以看到以下结果（建议手动运行一遍）：

执行顺序和上面所描述的一模一样：

先进入__prepare__()函数，然后执行继承类Structure的类定义体，然后执行__new__()

，可以看到clsdict就是OrderedDict，并且可以看到_fields这个类属性已经存在了，最后执行在__init__()，此时已经可以看到__signature__这个类属性的存在了。

4、用起来！

使用就非常简单了：

定义一个股票类，它必须包含股票名，股份数和价格的类属性；

定义一个2维坐标类，必须包含x和y坐标属性：

再来看看运行结果：

可以看到，仍然是按照上面描述过的执行顺序来对定制类进行构建，这里可以清楚地看到_fields和__signature__中的内容分别是什么。

总结 1、元类的功能可以用来定义一些规则或者模板，让继承它的类在满足这些规则的基础上完成其他的细分功能； 2、元类及其继承类的构建顺序：元类__prepare__() ---> 继承类定义体 ---> 元类__new__() ---> 元类__init__();

好了，恭喜看到最后的各位读者，在《fluent python》这本书中提到，“90%以上的python程序员不需要用到元类”。但了解了解终归不是坏事，磨刀不误砍柴工，读完博士再打工。