在看一些框架源代碼的過程中碰到很多元類的實例，看起來很吃力很晦澀；在看python cookbook中關于元類創(chuàng)建單例模式的那一節(jié)有些疑惑。因此花了幾天時間研究下元類這個概念。通過學習元類，我對python的面向?qū)ο笥辛烁由钊氲牧私狻＿@里將一篇寫的非常好的文章基本照搬過來吧，這是一篇在Stack overflow上很熱的帖子，我看http://blog.jobbole.com/21351/這篇博客對其進行了翻譯。

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一、理解類也是對象

在理解元類之前，你需要先掌握Python中的類。Python中類的概念借鑒于Smalltalk，這顯得有些奇特。在大多數(shù)編程語言中，類就是一組用來描述如何生成一個對象的代碼段。在Python中這一點仍然成立：

但是，Python中的類還遠不止如此。類同樣也是一種對象。只要你使用關鍵字class，Python解釋器在執(zhí)行的時候就會創(chuàng)建一個對象。下面的代碼段：

將在內(nèi)存中創(chuàng)建一個對象，名字就是ObjectCreator。這個對象（類）自身擁有創(chuàng)建對象（類實例）的能力，而這就是為什么它是一個類的原因。但是，它的本質(zhì)仍然是一個對象，于是你可以對它做如下的操作：

你可以將它賦值給一個變量， 你可以拷貝它， 你可以為它增加屬性， 你可以將它作為函數(shù)參數(shù)進行傳遞。

下面是示例：

二、動態(tài)地創(chuàng)建類

1、通過return class動態(tài)的構建需要的類

因為類也是對象，你可以在運行時動態(tài)的創(chuàng)建它們，就像其他任何對象一樣。首先，你可以在函數(shù)中創(chuàng)建類，使用class關鍵字即可。?

2、通過type函數(shù)構造類

但這還不夠動態(tài)，因為你仍然需要自己編寫整個類的代碼。由于類也是對象，所以它們必須是通過什么東西來生成的才對。當你使用class關鍵字時，Python解釋器自動創(chuàng)建這個對象。但就和Python中的大多數(shù)事情一樣，Python仍然提供給你手動處理的方法。還記得內(nèi)建函數(shù)type嗎？這個古老但強大的函數(shù)能夠讓你知道一個對象的類型是什么，就像這樣：

這里，type有一種完全不同的能力，它也能動態(tài)的創(chuàng)建類。type可以接受一個類的描述作為參數(shù)，然后返回一個類。（我知道，根據(jù)傳入?yún)?shù)的不同，同一個函數(shù)擁有兩種完全不同的用法是一件很傻的事情，但這在Python中是為了保持向后兼容性）

type的語法：

type(類名, 父類的元組（針對繼承的情況，可以為空），包含屬性的字典（名稱和值）)

比如下面的代碼：

可以手動通過type創(chuàng)建，其實

?你會發(fā)現(xiàn)我們使用“MyShinyClass”作為類名，并且也可以把它當做一個變量來作為類的引用。

接下來我們通過一個具體的例子看看type是如何創(chuàng)建類的，范例：

可以看到，在Python中，類也是對象，你可以動態(tài)的創(chuàng)建類。這就是當我們使用關鍵字class時Python在幕后做的事情，而這就是通過元類來實現(xiàn)的。

三、元類

1、什么是元類

通過上文的描述，我們知道了Python中的類也是對象。元類就是用來創(chuàng)建這些類（對象）的，元類就是類的類，你可以這樣理解為：

函數(shù)type實際上是一個元類。type就是Python在背后用來創(chuàng)建所有類的元類?，F(xiàn)在你想知道那為什么type會全部采用小寫形式而不是Type呢？好吧，我猜這是為了和str保持一致性，str是用來創(chuàng)建字符串對象的類，而int是用來創(chuàng)建整數(shù)對象的類。type就是創(chuàng)建類對象的類。你可以通過檢查__class__屬性來看到這一點。Python中所有的東西，注意，我是指所有的東西——都是對象。這包括整數(shù)、字符串、函數(shù)以及類。它們?nèi)慷际菍ο?，而且它們都是從一個類創(chuàng)建而來。

因此，元類就是創(chuàng)建類這種對象的東西，?type就是Python的內(nèi)建元類，當然了，你也可以創(chuàng)建自己的元類。

2、__metaclass__屬性

你可以在寫一個類的時候為其添加__metaclass__屬性,定義了__metaclass__就定義了這個類的元類。

例如：當我們寫如下代碼時 :

在該類并定義的時候，它還沒有在內(nèi)存中生成，知道它被調(diào)用。Python做了如下的操作：

1）Foo中有__metaclass__這個屬性嗎？如果是，Python會在內(nèi)存中通過__metaclass__創(chuàng)建一個名字為Foo的類對象（我說的是類對象，請緊跟我的思路）。

2）如果Python沒有找到__metaclass__，它會繼續(xù)在父類中尋找__metaclass__屬性，并嘗試做和前面同樣的操作。

3）如果Python在任何父類中都找不到__metaclass__，它就會在模塊層次中去尋找__metaclass__，并嘗試做同樣的操作。

4）如果還是找不到__metaclass__,Python就會用內(nèi)置的type來創(chuàng)建這個類對象。

現(xiàn)在的問題就是，你可以在__metaclass__中放置些什么代碼呢？

答案就是：可以創(chuàng)建一個類的東西。那么什么可以用來創(chuàng)建一個類呢？type，或者任何使用到type或者子類化type的東西都可以。

三、自定義元類

元類的主要目的就是為了當創(chuàng)建類時能夠自動地改變類。通常，你會為API做這樣的事情，你希望可以創(chuàng)建符合當前上下文的類。假想一個很傻的例子，你決定在你的模塊里所有的類的屬性都應該是大寫形式。有好幾種方法可以辦到，但其中一種就是通過設定__metaclass__。采用這種方法，這個模塊中的所有類都會通過這個元類來創(chuàng)建，我們只需要告訴元類把所有的屬性都改成大寫形式就萬事大吉了。

__metaclass__實際上可以被任意調(diào)用，它并不需要是一個正式的類。所以，我們這里就先以一個簡單的函數(shù)作為例子開始。

1、使用函數(shù)當做元類

2、使用class來當做元類

由于__metaclass__必須返回一個類。

?但是，這種方式其實不是OOP。我們直接調(diào)用了type，而且我們沒有改寫父類的__new__方法?，F(xiàn)在讓我們這樣去處理:

你可能已經(jīng)注意到了有個額外的參數(shù)upperattr_metaclass，這并沒有什么特別的。類方法的第一個參數(shù)總是表示當前的實例，就像在普通的類方法中的self參數(shù)一樣。當然了，為了清晰起見，這里的名字我起的比較長。但是就像self一樣，所有的參數(shù)都有它們的傳統(tǒng)名稱。因此，在真實的產(chǎn)品代碼中一個元類應該是像這樣的：

如果使用super方法的話，我們還可以使它變得更清晰一些。

四、使用原來創(chuàng)建ORM的實例?

我們通過創(chuàng)建一個類似Django中的ORM來熟悉一下元類的使用，通常元類用來創(chuàng)建API是非常好的選擇，使用元類的編寫很復雜但使用者可以非常簡潔的調(diào)用API。

例如：

接下來我么來實現(xiàn)這么個功能：

五、使用__new__方法和元類方式分別實現(xiàn)單例模式

1、__new__、__init__、__call__的介紹

在講到使用元類創(chuàng)建單例模式之前，比需了解__new__這個內(nèi)置方法的作用，在上面講元類的時候我們用到了__new__方法來實現(xiàn)類的創(chuàng)建。然而我在那之前還是對__new__這個方法和__init__方法有一定的疑惑。因此這里花點時間對其概念做一次了解和區(qū)分。

__new__方法負責創(chuàng)建一個實例對象，在對象被創(chuàng)建的時候調(diào)用該方法它是一個類方法。__new__方法在返回一個實例之后，會自動的調(diào)用__init__方法，對實例進行初始化。如果__new__方法不返回值，或者返回的不是實例，那么它就不會自動的去調(diào)用__init__方法。

__init__ 方法負責將該實例對象進行初始化，在對象被創(chuàng)建之后調(diào)用該方法，在__new__方法創(chuàng)建出一個實例后對實例屬性進行初始化。__init__方法可以沒有返回值。

__call__方法其實和類的創(chuàng)建過程和實例化沒有多大關系了，定義了__call__方法才能被使用函數(shù)的方式執(zhí)行。

打個比方幫助理解：如果將創(chuàng)建實例的過程比作建一個房子。

那么class就是一個房屋的設計圖，他規(guī)定了這個房子有幾個房間，每個人房間的大小朝向等。這個設計圖就是累的結構

__new__就是一個房屋的框架，每個具體的房屋都需要先搭好框架后才能進行專修，當然現(xiàn)有了房屋設計才能有具體的房屋框架出來。這個就是從類到類實例的創(chuàng)建。

__init__就是裝修房子的過程，對房屋的墻面和地板等顏色材質(zhì)的豐富就是它該做的事情，當然先有具體的房子框架出來才能進行裝飾了。這個就是實例屬性的初始化，它是在__new__出一個實例后才能初始化。

__call__就是房子的電話，有了固定電話，才能被打電話嘛（就是通過括號的方式像函數(shù)一樣執(zhí)行）。

?子類如果重寫__new__方法，一般依然要調(diào)用父類的__new__方法。

?必須注意的是，類的__new__方法之后，必須生成本類的實例才能自動調(diào)用本類的__init__方法進行初始化，否則不會自動調(diào)用__init__.

2.實現(xiàn)單例模式：

依照Python官方文檔的說法，__new__方法主要是當你繼承一些不可變的class時(比如int, str, tuple)， 提供給你一個自定義這些類的實例化過程的途徑。還有就是實現(xiàn)自定義的metaclass。接下來我們分別通過這兩種方式來實現(xiàn)單例模式。當初在看到cookbook中的元類來實現(xiàn)單例模式的時候?qū)ζ湎喈斠苫螅虼瞬庞辛松厦孢@些對元類的總結。

簡單來說，單例模式的原理就是通過在類屬性中添加一個單例判定位ins_flag，通過這個flag判斷是否已經(jīng)被實例化過了,如果被實例化過了就返回該實例。

1)__new__方法實現(xiàn)單例：

因為重寫__new__方法，所以繼承至Singleton的類，在不重寫__new__的情況下都將是單例模式。

2）元類實現(xiàn)單例

當初我也很疑惑為什么我們是從寫使用元類的__init__方法，而不是使用__new__方法來初為元類增加一個屬性。其實我只是上面那一段關于元類中__new__方法迷惑了，它主要用于我們需要對類的結構進行改變的時候我們才要重寫這個方法。

基于這個例子：

我們知道元類(Singleton)生成的實例是一個類(Foo),而這里我們僅僅需要對這個實例(Foo)增加一個屬性(__instance)來判斷和保存生成的單例。想想也知道為一個類添加一個屬性當然是在__init__中實現(xiàn)了。

關于__call__方法的調(diào)用，因為Foo是Singleton的一個實例。所以Foo()這樣的方式就調(diào)用了Singleton的__call__方法。不明白就回頭看看上一節(jié)中的__call__方法介紹。

假如我們通過元類的__new__方法來也可以實現(xiàn)，但顯然沒有通過__init__來實現(xiàn)優(yōu)雅，因為我們不會為了為實例增加一個屬性而重寫__new__方法。所以這個形式不推薦。

當前標題：深刻理解Python中的元類(metaclass)以及元類實現(xiàn)單例模式
文章來源：http://jinyejixie.com/article44/ipighe.html

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