兩句話掌握 Python 最難知識點：元類

來源：劉羽衝

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本文轉載自知乎：python開發者

千萬不要被所謂“元類是99%的python程序員不會用到的特性”這類的說辭嚇住。因爲每個中國人，都是天生的元類使用者

學懂元類，你只需要知道兩句話：

道生一，一生二，二生三，三生萬物
我是誰？我從哪來裏？我要到哪裏去？

在python世界，擁有一個永恆的道，那就是“type”，請記在腦海中，type就是道。如此廣袤無垠的python生態圈，都是由type產生出來的。

道生一，一生二，二生三，三生萬物。

道即是 type
一即是 metaclass(元類，或者叫類生成器)
二即是 class(類，或者叫實例生成器)
三即是 instance(實例)
萬物即是實例的各種屬性與方法，我們平常使用python時，調用的就是它們。

道和一，是我們今天討論的命題，而二、三、和萬物，則是我們常常使用的類、實例、屬性和方法，用hello world來舉例：

# 創建一個Hello類，擁有屬性say_hello ----二的起源

class Hello():

def say_hello(self, name='world'):

print('Hello, %s.' % name)

# 從Hello類創建一個實例hello ----二生三

hello = Hello()

# 使用hello調用方法say_hello ----三生萬物

hello.say_hello()

輸出效果：

Hello, world.

這就是一個標準的“二生三，三生萬物”過程。從類到我們可以調用的方法，用了這兩步。

那我們不由自主要問，類從何而來呢？回到代碼的第一行。

class Hello其實是一個函數的“語義化簡稱”，只爲了讓代碼更淺顯易懂，它的另一個寫法是：

def fn(self, name='world'): # 假如我們有一個函數叫fn

print('Hello, %s.' % name)

Hello = type('Hello', (object,), dict(say_hello=fn)) # 通過type創建Hello class ---- 神祕的“道”，可以點化一切，這次我們直接從“道”生出了“二”

這樣的寫法，就和之前的Class Hello寫法作用完全相同，你可以試試創建實例並調用

# 從Hello類創建一個實例hello ----二生三，完全一樣

hello = Hello()

# 使用hello調用方法say_hello ----三生萬物，完全一樣

hello.say_hello()

輸出效果：

Hello, world. ----調用結果完全一樣。

我們回頭看一眼最精彩的地方，道直接生出了二：

Hello = type(‘Hello’, (object,), dict(say_hello=fn))

這就是“道”，python世界的起源，你可以爲此而驚歎。

注意它的三個參數！暗合人類的三大永恆命題：我是誰，我從哪裏來，我要到哪裏去。

第一個參數：我是誰。在這裏，我需要一個區分於其它一切的命名，以上的實例將我命名爲“Hello”
第二個參數：我從哪裏來。在這裏，我需要知道從哪裏來，也就是我的“父類”，以上實例中我的父類是“object”——python中一種非常初級的類。
第三個參數：我要到哪裏去。在這裏，我們將需要調用的方法和屬性包含到一個字典裏，再作爲參數傳入。以上實例中，我們有一個say_hello方法包裝進了字典中。

值得注意的是，三大永恆命題，是一切類，一切實例，甚至一切實例屬性與方法都具有的。理所應當，它們的“創造者”，道和一，即type和元類，也具有這三個參數。但平常，類的三大永恆命題並不作爲參數傳入，而是以如下方式傳入

class Hello(object){

# class 後聲明“我是誰”

# 小括號內聲明“我來自哪裏”

# 中括號內聲明“我要到哪裏去”

    def say_hello(){



    }

}

造物主，可以直接創造單個的人，但這是一件苦役。造物主會先創造“人”這一物種，再批量創造具體的個人。並將三大永恆命題，一直傳遞下去。
“道”可以直接生出“二”，但它會先生出“一”，再批量地製造“二”。
type可以直接生成類（class），但也可以先生成元類（metaclass），再使用元類批量定製類（class）。

元類——道生一，一生二

一般來說，元類均被命名後綴爲Metalass。想象一下，我們需要一個可以自動打招呼的元類，它裏面的類方法呢，有時需要say_Hello，有時需要say_Hi，有時又需要say_Sayolala，有時需要say_Nihao。

如果每個內置的say_xxx都需要在類裏面聲明一次，那將是多麼可怕的苦役！不如使用元類來解決問題。

以下是創建一個專門“打招呼”用的元類代碼：

class SayMetaClass(type):

    def __new__(cls, name, bases, attrs):

        attrs['say_'+name] = lambda self,value,saying=name: print(saying+','+value+'!')

        return type.__new__(cls, name, bases, attrs)

記住兩點：

元類是由“type”衍生而出，所以父類需要傳入type。【道生一，所以一必須包含道】
元類的操作都在 __new__中完成，它的第一個參數是將創建的類，之後的參數即是三大永恆命題：我是誰，我從哪裏來，我將到哪裏去。它返回的對象也是三大永恆命題，接下來，這三個參數將一直陪伴我們。

在__new__中，我只進行了一個操作，就是

attrs['say_'+name] = lambda self,value,saying=name: print(saying+','+value+'!')

它跟據類的名字，創建了一個類方法。比如我們由元類創建的類叫“Hello”，那創建時就自動有了一個叫“say_Hello”的類方法，然後又將類的名字“Hello”作爲默認參數saying，傳到了方法裏面。然後把hello方法調用時的傳參作爲value傳進去，最終打印出來。

那麼，一個元類是怎麼從創建到調用的呢？

來！一起根據道生一、一生二、二生三、三生萬物的準則，走進元類的生命週期吧！

# 道生一：傳入type

class SayMetaClass(type):

    # 傳入三大永恆命題：類名稱、父類、屬性

    def __new__(cls, name, bases, attrs):

        # 創造“天賦”

        attrs['say_'+name] = lambda self,value,saying=name: print(saying+','+value+'!')

        # 傳承三大永恆命題：類名稱、父類、屬性

        return type.__new__(cls, name, bases, attrs)

# 一生二：創建類

class Hello(object, metaclass=SayMetaClass):

    pass

# 二生三：創建實列

hello = Hello()

# 三生萬物：調用實例方法

hello.say_Hello('world!')

輸出爲

Hello, world!

注意：通過元類創建的類，第一個參數是父類，第二個參數是metaclass

普通人出生都不會說話，但有的人出生就會打招呼說“Hello”，“你好”,“sayolala”，這就是天賦的力量。它會給我們面向對象的編程省下無數的麻煩。

現在，保持元類不變，我們還可以繼續創建Sayolala， Nihao類，如下：

# 一生二：創建類

class Sayolala(object, metaclass=SayMetaClass):

pass

# 二生三：創建實列

s = Sayolala()

# 三生萬物：調用實例方法

s.say_Sayolala('japan!')

輸出

Sayolala, japan!

也可以說中文

# 一生二：創建類

class Nihao(object, metaclass=SayMetaClass):

pass

# 二生三：創建實列

n = Nihao()

# 三生萬物：調用實例方法

n.say_Nihao('中華!')

輸出

Nihao, 中華!

再來一個小例子：

# 道生一

class ListMetaclass(type):

    def __new__(cls, name, bases, attrs):

        # 天賦：通過add方法將值綁定

        attrs['add'] = lambda self, value: self.append(value)

        return type.__new__(cls, name, bases, attrs)



# 一生二

class MyList(list, metaclass=ListMetaclass):

    pass



# 二生三

L = MyList()

# 三生萬物

L.add(1)

現在我們打印一下L

print(L)

>>> [1]

而普通的list沒有add()方法

L2 = list()

L2.add(1)

>>>AttributeError: 'list' object has no attribute 'add'

太棒了！學到這裏，你是不是已經體驗到了造物主的樂趣？

python世界的一切，盡在掌握。

年輕的造物主，請隨我一起開創新世界。

我們選擇兩個領域，一個是Django的核心思想，“Object Relational Mapping”，即對象-關係映射，簡稱ORM。

這是Django的一大難點，但學完了元類，一切變得清晰。你對Django的理解將更上一層樓！

另一個領域是爬蟲領域（黑客領域），一個自動搜索網絡上的可用代理，然後換着IP去突破別的人反爬蟲限制。

這兩項技能非常有用，也非常好玩！

挑戰一：通過元類創建ORM

準備工作，創建一個Field類

class Field(object):

    def __init__(self, name, column_type):

        self.name = name

        self.column_type = column_type

    def __str__(self):

        return '<%s:%s>' % (self.__class__.__name__, self.name)

它的作用是

在Field類實例化時將得到兩個參數，name和column_type，它們將被綁定爲Field的私有屬性，如果要將Field轉化爲字符串時，將返回“Field:XXX” ， XXX是傳入的name名稱。

準備工作：創建StringField和IntergerField

class StringField(Field):

    def __init__(self, name):

        super(StringField, self).__init__(name, 'varchar(100)')

class IntegerField(Field):

    def __init__(self, name):

        super(IntegerField, self).__init__(name, 'bigint')

它的作用是

在StringField,IntegerField實例初始化時，時自動調用父類的初始化方式。

道生一

class ModelMetaclass(type):

    def __new__(cls, name, bases, attrs):

        if name=='Model':

            return type.__new__(cls, name, bases, attrs)

        print('Found model: %s' % name)

        mappings = dict()

        for k, v in attrs.items():

            if isinstance(v, Field):

                print('Found mapping: %s ==> %s' % (k, v))

                mappings[k] = v

        for k in mappings.keys():

            attrs.pop(k)

        attrs['__mappings__'] = mappings # 保存屬性和列的映射關係

        attrs['__table__'] = name # 假設表名和類名一致

        return type.__new__(cls, name, bases, attrs)

它做了以下幾件事

創建一個新的字典mapping
將每一個類的屬性，通過.items()遍歷其鍵值對。如果值是Field類，則打印鍵值，並將這一對鍵值綁定到mapping字典上。
將剛剛傳入值爲Field類的屬性刪除。
創建一個專門的__mappings__屬性，保存字典mapping。
創建一個專門的__table__屬性，保存傳入的類的名稱。

一生二

class Model(dict, metaclass=ModelMetaclass):

    def __init__(self, **kwarg):

        super(Model, self).__init__(**kwarg)

    def __getattr__(self, key):

        try:

            return self[key]

        except KeyError:

            raise AttributeError("'Model' object has no attribute '%s'" % key)

    def __setattr__(self, key, value):

        self[key] = value

    # 模擬建表操作

    def save(self):

        fields = []

        args = []

        for k, v in self.__mappings__.items():

            fields.append(v.name)

            args.append(getattr(self, k, None))

        sql = 'insert into %s (%s) values (%s)' % (self.__table__, ','.join(fields), ','.join([str(i) for i in args]))

        print('SQL: %s' % sql)

        print('ARGS: %s' % str(args))

如果從Model創建一個子類User：

class User(Model):

    # 定義類的屬性到列的映射：

    id = IntegerField('id')

    name = StringField('username')

    email = StringField('email')

    password = StringField('password')

這時

id= IntegerField(‘id’)就會自動解析爲：

Model.__setattr__(self, ‘id’, IntegerField(‘id’))

因爲IntergerField(‘id’)是Field的子類的實例，自動觸發元類的__new__，所以將IntergerField(‘id’)存入__mappings__並刪除這個鍵值對。

二生三、三生萬物

當你初始化一個實例的時候並調用save()方法時候

u = User(id=12345, name='Batman', email='[email protected]', password='iamback')

u.save()

這時先完成了二生三的過程：

先調用Model.__setattr__，將鍵值載入私有對象
然後調用元類的“天賦”，ModelMetaclass.__new__，將Model中的私有對象，只要是Field的實例，都自動存入u.__mappings__。

接下來完成了三生萬物的過程：

通過u.save()模擬數據庫存入操作。這裏我們僅僅做了一下遍歷__mappings__操作，虛擬了sql並打印，在現實情況下是通過輸入sql語句與數據庫來運行。

輸出結果爲

Found model: User

Found mapping: name ==> <StringField:username>

Found mapping: password ==> <StringField:password>

Found mapping: id ==> <IntegerField:id>

Found mapping: email ==> <StringField:email>

SQL: insert into User (username,password,id,email) values (Batman,iamback,12345,batman@nasa.org)

ARGS: ['Batman', 'iamback', 12345, '[email protected]']

年輕的造物主，你已經和我一起體驗了由“道”演化“萬物”的偉大曆程，這也是Django中的Model版塊核心原理。

接下來，請和我一起進行更好玩的爬蟲實戰（嗯，你現在已經是初級黑客了）：網絡代理的爬取吧！

挑戰二：網絡代理的爬取

準備工作，先爬個頁面玩玩

請確保已安裝requests和pyquery這兩個包。

# 文件：get_page.py

import requests

base_headers = {

    'User-Agent': 'Mozilla/5.0 (Windows NT 10.0; Win64; x64) AppleWebKit/537.36 (KHTML, like Gecko) Chrome/54.0.2840.71 Safari/537.36',

    'Accept-Encoding': 'gzip, deflate, sdch',

    'Accept-Language': 'zh-CN,zh;q=0.8'

}

def get_page(url):

    headers = dict(base_headers)

    print('Getting', url)

    try:

        r = requests.get(url, headers=headers)

        print('Getting result', url, r.status_code)

        if r.status_code == 200:

            return r.text

    except ConnectionError:

        print('Crawling Failed', url)

        return None

這裏，我們利用request包，把百度的源碼爬了出來。

試一試抓百度

把這一段粘在get_page.py後面，試完刪除

if(__name__ == '__main__'):

rs = get_page('https://www.baidu.com')

print('result:\r\n', rs)

試一試抓代理

把這一段粘在get_page.py後面，試完刪除

if(__name__ == '__main__'):

    from pyquery import PyQuery as pq

    start_url = 'http://www.proxy360.cn/Region/China'

    print('Crawling', start_url)

    html = get_page(start_url)

    if html:

        doc = pq(html)

        lines = doc('div[name="list_proxy_ip"]').items()

        for line in lines:

            ip = line.find('.tbBottomLine:nth-child(1)').text()

            port = line.find('.tbBottomLine:nth-child(2)').text()

            print(ip+':'+port)

接下來進入正題：使用元類批量抓取代理

批量處理抓取代理

from getpage import get_page

from pyquery import PyQuery as pq

# 道生一：創建抽取代理的metaclass

class ProxyMetaclass(type):

    """

        元類，在FreeProxyGetter類中加入

        __CrawlFunc__和__CrawlFuncCount__

        兩個參數，分別表示爬蟲函數，和爬蟲函數的數量。

    """

    def __new__(cls, name, bases, attrs):

        count = 0

        attrs['__CrawlFunc__'] = []

        attrs['__CrawlName__'] = []

        for k, v in attrs.items():

            if 'crawl_' in k:

                attrs['__CrawlName__'].append(k)

                attrs['__CrawlFunc__'].append(v)

                count += 1

        for k in attrs['__CrawlName__']:

            attrs.pop(k)

        attrs['__CrawlFuncCount__'] = count

        return type.__new__(cls, name, bases, attrs)

# 一生二：創建代理獲取類

class ProxyGetter(object, metaclass=ProxyMetaclass):

    def get_raw_proxies(self, site):

        proxies = []

        print('Site', site)

        for func in self.__CrawlFunc__:

            if func.__name__==site:

                this_page_proxies = func(self)

                for proxy in this_page_proxies:

                    print('Getting', proxy, 'from', site)

                    proxies.append(proxy)

        return proxies

    def crawl_daili66(self, page_count=4):

        start_url = 'http://www.66ip.cn/{}.html'

        urls = [start_url.format(page) for page in range(1, page_count + 1)]

        for url in urls:

            print('Crawling', url)

            html = get_page(url)

            if html:

                doc = pq(html)

                trs = doc('.containerbox table tr:gt(0)').items()

                for tr in trs:

                    ip = tr.find('td:nth-child(1)').text()

                    port = tr.find('td:nth-child(2)').text()

                    yield ':'.join([ip, port])

    def crawl_proxy360(self):

        start_url = 'http://www.proxy360.cn/Region/China'

        print('Crawling', start_url)

        html = get_page(start_url)

        if html:

            doc = pq(html)

            lines = doc('div[name="list_proxy_ip"]').items()

            for line in lines:

                ip = line.find('.tbBottomLine:nth-child(1)').text()

                port = line.find('.tbBottomLine:nth-child(2)').text()

                yield ':'.join([ip, port])

    def crawl_goubanjia(self):

        start_url = 'http://www.goubanjia.com/free/gngn/index.shtml'

        html = get_page(start_url)

        if html:

            doc = pq(html)

            tds = doc('td.ip').items()

            for td in tds:

                td.find('p').remove()

                yield td.text().replace(' ', '')

if __name__ == '__main__':

    # 二生三：實例化ProxyGetter

    crawler = ProxyGetter()

    print(crawler.__CrawlName__)

    # 三生萬物

    for site_label in range(crawler.__CrawlFuncCount__):

        site = crawler.__CrawlName__[site_label]

        myProxies = crawler.get_raw_proxies(site)

道生一：元類的__new__中，做了四件事：

將“crawl_”開頭的類方法的名稱推入ProxyGetter.__CrawlName__
將“crawl_”開頭的類方法的本身推入ProxyGetter.__CrawlFunc__
計算符合“crawl_”開頭的類方法個數
刪除所有符合“crawl_”開頭的類方法

怎麼樣？是不是和之前創建ORM的__mappings__過程極爲相似？

一生二：類裏面定義了使用pyquery抓取頁面元素的方法

分別從三個免費代理網站抓取了頁面上顯示的全部代理。

如果對yield用法不熟悉，可以查看：廖雪峯的python教程：生成器

二生三：創建實例對象crawler

略

三生萬物：遍歷每一個__CrawlFunc__

在ProxyGetter.__CrawlName__上面，獲取可以抓取的的網址名。
觸發類方法ProxyGetter.get_raw_proxies(site)
遍歷ProxyGetter.__CrawlFunc__,如果方法名和網址名稱相同的，則執行這一個方法
把每個網址獲取到的代理整合成數組輸出。

那麼。。。怎麼利用批量代理，衝擊別人的網站，套取別人的密碼，狂發廣告水貼，定時騷擾客戶？呃！想啥呢！這些自己悟！如果悟不到，請聽下回分解！

年輕的造物主，創造世界的工具已經在你手上，請你將它的威力發揮到極致！

請記住揮動工具的口訣：

道生一，一生二，二生三，三生萬物
我是誰，我來自哪裏，我要到哪裏去

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