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一、元類介紹
什麼是元類呢?一切源自於一句話:python中一切皆爲對象,因此類也是對象
。讓我們先定義一個類,然後逐步分析:
class StanfordTeacher(object):
school='Stanford'
def __init__(self,name,age):
self.name=name
self.age=age
def say(self):
print('%s says welcome to the Stanford to learn Python' %self.name)
所有的對象都是實例化或者說調用類而得到的(調用類的過程稱爲類的實例化),比如對象t1是調用類StanfordTeacher得到的
t1=StanfordTeacher('lili',18)
print(type(t1)) #查看對象t1的類是<class '__main__.StanfordTeacher'>
如果一切皆爲對象,那麼類StanfordTeacher本質也是一個對象,既然所有的對象都是調用類得到的,那麼StanfordTeacher必然也是調用了一個類得到的,這個類稱爲元類(又稱類的類)
即:產生StanfordTeacher的過程一定發生了:StanfordTeacher=元類(...)
# 驗證
print(type(StanfordTeacher)) # 結果爲<class 'type'>,證明是調用了type這個元類而產生的StanfordTeacher,即默認的元類爲type
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二、class關鍵字創建類的流程分析
我們應該都曉得,標誌類的關鍵字是class,那麼創建類的過程就應該是由class關鍵字引導的。
class關鍵字在幫我們創建類時,必然幫我們調用了元類StanfordTeacher=type(...)
,那調用type時傳入的參數是什麼呢?必然是類的關鍵組成部分,一個類有三大組成部分
,分別是:
1、類名class_name='StanfordTeacher'
2、基類們class_bases=(object,)
3、類的名稱空間class_dic,類的名稱空間是執行類體代碼而得到的
調用type時會依次傳入以上三個參數
綜上,class關鍵字幫我們創建一個類應該細分爲以下四個過程
對於上圖的第3步是如何生成類名稱空間字典,做個補充:
# 整個類體代碼其實是一個字符串,把這個字符串交給exec函數,返回一個類名稱空間字典,下面爲exec詳解:
1. exec:三個參數
2. 參數一:包含一系列python代碼的字符串
3. 參數二:全局作用域(字典形式),如果不指定,默認爲globals()
4. 參數三:局部作用域(字典形式),如果不指定,默認爲locals()
5. 可以把exec命令的執行當成是一個函數的執行,會將執行期間產生的名字存放於局部名稱空間或全局名稱空間中,最後我們要的類名稱空間就是這個局部名稱空間字典。
g={ # 代表全局名稱空間,爲什麼裏面還有內容呢?
'x':1,
'y':2
}
l={}
exec('''
global x,z # 聲明x、z爲全局變量
x=100
z=200
m=300 # m爲局部變量
''',g,l)
print(g) # {'x': 100, 'y': 2......} # z不是全局變量嗎,爲什麼g裏面沒有呢?
print(l) # {'m': 300}
上面代碼中有人提出了兩個疑問
,這是由於你沒有把參數二、三的意思整明白,問題解析如下:
# 參數二、三解析
答:參數二實際應該爲globals(),這個globals函數獲取的是當前python程序的所有全局變量,並且將其變量名和值存在字典之中,代碼中的g只是模擬globals生成的字典。參數三也一樣的
# 接下來再說爲什麼g中還有內容呢?不可以爲空嗎?
答:可以爲空,但沒有意義。global x,z,聲明的是x、z爲全局變量,那麼globals()函數執行所得到的字典,是不是應該有這兩個變量?因此我們的g模擬globals函數也應該有x、z這兩個變量。
# z不是全局變量嗎,爲什麼g裏面沒有呢?
答:上面說了g模擬globals函數也應該有x、z這兩個變量,在我們上面的程序中,其中全局變量z是沒有,因此exec函數執行後,print(g)其中沒有z,其中有y,但是值沒改變,因此print(g)還是打印原值。
四、自定義元類
爲什麼要自定義元類?
答:我們的類都是通過元類產生的,元類定義產生類這個對象的流程和規範,我們通過自定義元類,達到控制我們類的一些使用規範。比如類中必須有註釋、類名必須大寫,如果不這樣就報錯。
1、自定義元類控制類StanfordTeacher的創建
一個類沒有聲明自己的元類,默認它的元類就是type
,除了使用內置元類type,我們也可以通過繼承type來自定義元類,然後使用metaclass關鍵字參數爲一個類指定元類
class Mymeta(type): # 只有繼承了type類才能稱之爲一個元類,否則就是一個普通的自定義類
pass
類名 父類們 類名稱空間
# class相當於:StanfordTeacher=Mymeta('StanfordTeacher',(object),{...})
class StanfordTeacher(object,metaclass=Mymeta): # 這裏如果不寫object,會默認繼承object,但是上面的傳給Mymeta的第二個參數裏面就沒有,當然,沒寫也沒有什麼,python自己會默認傳,只是你看不到,我寫出來是爲了讓大家看到。
school='Stanford'
def __init__(self,name,age):
self.name=name
self.age=age
def say(self):
print('%s says welcome to the Stanford to learn Python' %self.name)
自定義元類可以控制類的產生過程,類的產生過程其實就是元類的調用過程,即StanfordTeacher=Mymeta('StanfordTeacher',(object),{...})
,調用Mymeta會先產生一個空對象StanfordTeacher
,然後連同調用Mymeta括號內的參數一同傳給Mymeta下的__init__方法,完成初始化
,返回初始化後的對象
,於是我們可以:
class Mymeta(type): # 只有繼承了type類才能稱之爲一個元類,否則就是一個普通的自定義類
def __init__(self,class_name,class_bases,class_dic):
# print(self) #<class '__main__.StanfordTeacher'>
# print(class_bases) #(<class 'object'>,)
# print(class_dic) #{'__module__': '__main__', '__qualname__': 'StanfordTeacher', 'school': 'Stanford', '__init__': <function StanfordTeacher.__init__ at 0x102b95ae8>, 'say': <function StanfordTeacher.say at 0x10621c6a8>}
super().__init__(class_name, class_bases, class_dic) # 重用父類的init功能
# 爲什麼要重用父類?因爲我們現在只用重用父類方法,完成基本的初始化對象,然後加上自己的限制即可!!
# 下面爲定製類的代碼,也是對我們所做的對元類產生的類的限制
if class_name.islower(): # 規範類名
raise TypeError('類名%s請修改爲駝峯體' %class_name) # 主動報錯語句
if '__doc__' not in class_dic or len(class_dic['__doc__'].strip(' \n')) == 0: # 規範文檔註釋
raise TypeError('類中必須有文檔註釋,並且文檔註釋不能爲空') # 主動報錯語句
# StanfordTeacher=Mymeta('StanfordTeacher',(object),{...})
class StanfordTeacher(object,metaclass=Mymeta):
"""
類StanfordTeacher的文檔註釋
"""
school='Stanford'
def __init__(self,name,age):
self.name=name
self.age=age
def say(self):
print('%s says welcome to the Stanford to learn Python' %self.name)
2、自定義元類控制類StanfordTeacher的調用
核心知識:__call__方法
class Foo:
def __call__(self, *args, **kwargs):
print(self)
print(args)
print(kwargs)
obj=Foo()
# 1、要想讓obj這個對象變成一個可調用的對象,需要在該對象的類中定義一個方法__call__方法,該方法會在調用對象時自動觸發
# 2、調用obj的返回值就是__call__方法的返回值
res=obj(1,2,3,x=1,y=2) # 相當於res=obj.__call__(1,2,3,x=1,y=2),自動觸發,因此可以obj()
# 執行結果:
<__main__.Foo object at 0x10874ccd0> # print(self)
(1, 2, 3) # print(args)
{'x': 1, 'y': 2} # print(kwargs)
想一下,調用對象,執行個call方法這並沒有什麼用途,當然我也只是借調用對象,說明call的作用,引出下面這個重點,調用一個對象:obj(),就是觸發對象所在類中的__call__方法的執行,類也是對象。那麼調用一個類:StanfordTeacher(),就是觸發類的元類中的__call__方法的執行。
class Mymeta(type): #只有繼承了type類才能稱之爲一個元類,否則就是一個普通的自定義類
def __call__(self, *args, **kwargs):
print(self) #<class '__main__.StanfordTeacher'>
print(args) #('lili', 18)
print(kwargs) #{}
return 123
class StanfordTeacher(object,metaclass=Mymeta):
school='Stanford'
def __init__(self,name,age):
self.name=name
self.age=age
def say(self):
print('%s says welcome to the Stanford to learn Python' %self.name)
# 調用StanfordTeacher就是在調用Mymeta類中的__call__方法
# 然後將StanfordTeacher這個對象傳給self,溢出的位置參數'lili'、18傳給*,溢出的關鍵字參數傳給**
# 調用StanfordTeacher的返回值就是調用__call__的返回值
t1=StanfordTeacher('lili',18)
print(t1) # 123
默認地,我們常說調用t1=StanfordTeacher(‘lili’,18)會做三件事
1、產生一個空對象obj
2、調用__init__方法初始化對象obj
3、返回初始化好的obj
其實這三件事就是在Mymeta類中的__call__方法中完成的。
下面的代碼演示完成這三件事的過程:
class Mymeta(type): # 只有繼承了type類才能稱之爲一個元類,否則就是一個普通的自定義類
def __call__(self, *args, **kwargs): #self=<class '__main__.StanfordTeacher'>
#1、調用__new__產生一個空對象obj
obj=self.__new__(self) # 此處的self是類StanfordTeacher,必須傳參,代表創建一個StanfordTeacher的對象obj
#2、調用StanfordTeacher的__init__方法初始化空對象obj,
self.__init__(obj,*args,**kwargs)
#3、返回初始化好的對象obj
return obj
class StanfordTeacher(object,metaclass=Mymeta):
school='Stanford'
def __init__(self,name,age):
self.name=name
self.age=age
def say(self):
print('%s says welcome to the Stanford to learn Python' %self.name)
t1=StanfordTeacher('lili',18)
print(t1.__dict__) #{'name': 'lili', 'age': 18}
上例的__call__相當於一個模板,我們可以在該基礎上改寫__call__的邏輯從而控制調用StanfordTeacher的過程
,比如將StanfordTeacher的對象的所有屬性都變成私有的
先看看私有屬性在dict中長啥樣
:
class Foo:
def __init__(self):
self.__name = '123'
obj=Foo()
print(obj.__dict__)
# 執行結果
{'_Foo__name': '123'}
# 我們獲取dict裏的內容,然後所有屬性改成_Foo__name這樣子,再覆蓋回dict,就完成了對所有屬性的私有化。
class Mymeta(type): #只有繼承了type類才能稱之爲一個元類,否則就是一個普通的自定義類
def __call__(self, *args, **kwargs): #self=<class '__main__.StanfordTeacher'>
#1、調用__new__產生一個空對象obj
obj=self.__new__(self) # 此處的self是類StanfordTeacher,必須傳參,代表創建一個StanfordTeacher的對象obj
#2、調用__init__初始化空對象obj
self.__init__(obj,*args,**kwargs)
# 在初始化之後,obj.__dict__裏就有值了
obj.__dict__={'_%s__%s' %(self.__name__,k):v for k,v in obj.__dict__.items()} # 這裏採用了字典生成式
#3、返回初始化好的對象obj
return obj
class StanfordTeacher(object,metaclass=Mymeta):
school='Stanford'
def __init__(self,name,age):
self.name=name
self.age=age
def say(self):
print('%s says welcome to the Stanford to learn Python' %self.name)
t1=StanfordTeacher('lili',18)
print(t1.__dict__) #{'_StanfordTeacher__name': 'lili', '_StanfordTeacher__age': 18}
上面的代碼中涉及到查找屬性的問題,比如self.__new__
,請看第五點。
3、自定義元類的調用
class Mymeta(type): #只有繼承了type類才能稱之爲一個元類,否則就是一個普通的自定義類
n=444
def __new__(cls, *args, **kwargs):
obj=type.__new__(cls,*args,**kwargs) # 必須按照這種傳值方式
print(obj.__dict__)
# return obj # 只有在返回值是type的對象時,纔會觸發下面的__init__
return 123
def __init__(self,class_name,class_bases,class_dic):
print('run。。。')
class StanfordTeacher(object,metaclass=Mymeta): #StanfordTeacher=Mymeta('StanfordTeacher',(object),{...})
n=111
school='Stanford'
def __init__(self,name,age):
self.name=name
self.age=age
def say(self):
print('%s says welcome to the Stanford to learn Python' %self.name)
print(type(Mymeta)) #<class 'type'>
# 產生類StanfordTeacher的過程就是在調用Mymeta,而Mymeta也是type類的一個對象,那麼Mymeta之所以可以調用,一定是在元類type中有一個__call__方法
# 該方法中同樣需要做至少三件事:
# class type:
# def __call__(self, *args, **kwargs): #self=<class '__main__.Mymeta'>
# obj=self.__new__(self,*args,**kwargs) # 調用Mymeta的new方法,產生Mymeta的一個空對象obj
# self.__init__(obj,*args,**kwargs) # 調用Mymeta的init方法初始化空對象obj
# return obj
4、總結
對象()->類內的__call__
類()->自定義元類內的__call__
自定義元類()->內置元類type的__call__
# 下面是內置元類type的部分代碼
# class type:
# def __call__(self, *args, **kwargs): #self = <class '__main__.Mymeta'>
# obj=self.__new__(self,*args,**kwargs) # 調用的是Mymeta的new方法,但是產生的是StanfordTeacher的空對象,args中存儲的類名、基類、類名稱空間字典。
# self.__init__(obj,*args,**kwargs)
# return obj
class Mymeta(type): #只有繼承了type類才能稱之爲一個元類,否則就是一個普通的自定義類
def __call__(self, *args, **kwargs): # self = <class '__main__.StanfordTeacher'>
print('StanfordTeacher的new方法準備運行了...')
'''查看StanfordTeacher調用時,傳入的參數有哪些?
print(self, args, kwargs)
self = <class '__main__.StanfordTeacher'>
args = ('lili', 18)
kwargs = {}
'''
obj=self.__new__(self)
print('StanfordTeacher的init方法準備運行了...')
self.__init__(obj,*args,**kwargs)
return obj
def __new__(cls, *args, **kwargs):
print('Mymeta的new方法準備運行了...')
''' 查看內置元類中的type.call中傳入的是哪些參數
print(cls, args, kwargs)
cls = <class '__main__.Mymeta'>
類名 基類 類名稱空間字典
args = ('StanfordTeacher' , (<class 'object'>,) , {'__module__': '__main__', '__qualname__': 'StanfordTeacher', 'n': 111, 'school': 'Stanford', '__init__': <function StanfordTeacher.__init__ at 0x10e33fcb0>, 'say': <function StanfordTeacher.say at 0x10e33fd40>})
kwargs = {}
'''
obj=type.__new__(cls,*args,**kwargs) # 必須按照這種傳值方式
return obj
def __init__(self,class_name,class_bases,class_dic):
print('Mymeta的init方法準備運行了...')
''' 查看執行完Mymeta的new方法之後生成的對象是什麼?
print(self,class_name,class_bases,class_dic)
# self = <class '__main__.StanfordTeacher'>
# class_name = StanfordTeacher
# class_bases = (<class 'object'>,)
# class_dic = {'__module__': '__main__', '__qualname__': 'StanfordTeacher', 'n': 111, 'school': 'Stanford', '__init__': <function StanfordTeacher.__init__ at 0x10e33fcb0>, 'say': <function StanfordTeacher.say at 0x10e33fd40>}
'''
type.__init__(self,class_name,class_bases,class_dic)
class StanfordTeacher(object,metaclass=Mymeta): # StanfordTeacher=Mymeta('StanfordTeacher',(object),{...})
n=111
school='Stanford'
def __init__(self,name,age):
self.name=name
self.age=age
def say(self):
print('%s says welcome to the Stanford to learn Python' %self.name)
obj = StanfordTeacher('lili',18)
# 運行結果:
Mymeta的new方法準備運行了...
Mymeta的init方法準備運行了...
StanfordTeacher的new方法準備運行了...
StanfordTeacher的init方法準備運行了...
執行順序解析:
# 因爲元類產生類這個對象,類這個對象又實例化產生類的對象!
# 因此產生類StanfordTeacher的過程稱之爲類對象的實例化流程,而下面這整個流程是類對象的實例對象的實例化流程
1. obj = StanfordTeacher('lili',18) # 先產生類StanfordTeacher,再調用
👇
2. 類的產生過程其實就是元類的調用過程:StanfordTeacher=Mymeta('StanfordTeacher',(object),{類名稱空間})
👇
3. 自定義元類的調用就是調用內置元類type的__call__:type.call('Mymeta',*args,**kwargs),因此先執行Mymeta的new、init方法,call中傳入的參數是什麼,我們在Mymeta的new方法裏print(cls, args, kwargs)就曉得了
# 注意type.call,調用的Mymeta的new方法生成的是StanfordTeacher空對象,爲什麼?因爲args中存儲的是StanfordTeacher的類名、基類、類名稱空間字典,這個在Mymeta的init方法裏print(self)就曉得了,
👇
5. 然後type.call返回創建好的對象給StanfordTeacher,因此產生類StanfordTeacher完成
👇
6. 調用StanfordTeacher('lili',18)就是調用自定義元類的__call__方法:Mymeta.__call__('StanfordTeacher','lili', 18)。args是('lili', 18),kwargs接收關鍵字參數,沒有,因此是個空字典
👇
7. 因此這個時候就該StanfordTeacher的new、init方法執行了
👇
8. 自定義元類的__call__方法返回創建好的對象給obj
有人可能有疑問,在第2步元類調用過程,在這裏是自定義元類的調用過程,但是自定義元類也需要產生吧?
然後認爲自定義元類的產生就是內置元類的調用過程。這種想法是正確
的,自定義元類其實也是一個由class定義的普通類,只是我們繼承了type類,擴展type類的功能
。但是我們不需要研究這麼深入,只需要享受它繼承type,帶來的擴展type元類的功能
。
五、屬性查找
結合python繼承的實現原理+元類
重新看屬性的查找應該是什麼樣子呢???
在學習完元類後,其實我們用class自定義的類也全都是對象(包括object類本身也是元類type的 一個實例,可以用type(object)查看)
,我們學習過繼承的實現原理,如果把類當成對象去看,將下述繼承應該說成是:對象StanfordTeacher繼承對象Foo,對象Foo繼承對象Bar,對象Bar繼承對象object
1、類查找屬性(StanfordTeacher.屬性)的順序
(1)尋找類查找屬性順序,代碼驗證
class Mymeta(type): #只有繼承了type類才能稱之爲一個元類,否則就是一個普通的自定義類
n=444
def __call__(self, *args, **kwargs): #self=<class '__main__.StanfordTeacher'>
obj=self.__new__(self)
self.__init__(obj,*args,**kwargs)
return obj
class Bar(object):
n=333
class Foo(Bar):
n=222
class StanfordTeacher(Foo,metaclass=Mymeta):
n=111
school='Stanford'
def __init__(self,name,age):
self.name=name
self.age=age
def say(self):
print('%s says welcome to the Stanford to learn Python' %self.name)
print(StanfordTeacher.n) #自下而上依次註釋各個類中的n=xxx,運行一次,註釋一個,發現n的查找順序爲StanfordTeacher->Foo->Bar->object->Mymeta->type
於是屬性查找應該分成兩層,一層是繼承類查找
(基於c3算法的MRO)的查找,另外一個層則是元類層的查找
。
#查找順序:
#1、先對象層:StanfordTeacher->Foo->Bar->object
#2、然後元類層:Mymeta->type
(2)類查找屬性順序圖解
(2)元類Mymeta中__call__裏的self.__new__的屬性查找
依據上述總結,我們來分析下元類Mymeta中__call__裏的self.__new__的查找
,注意self就是一個類,所以是符合類查找屬性的順序的:
class Mymeta(type):
n=444
def __call__(self, *args, **kwargs): #self=<class '__main__.StanfordTeacher'>
obj=self.__new__(self)
print(self.__new__ is object.__new__) #True
class Bar(object):
n=333
# def __new__(cls, *args, **kwargs):
# print('Bar.__new__')
class Foo(Bar):
n=222
# def __new__(cls, *args, **kwargs):
# print('Foo.__new__')
class StanfordTeacher(Foo,metaclass=Mymeta):
n=111
school='Stanford'
def __init__(self,name,age):
self.name=name
self.age=age
def say(self):
print('%s says welcome to the Stanford to learn Python' %self.name)
# def __new__(cls, *args, **kwargs):
# print('StanfordTeacher.__new__')
StanfordTeacher('lili',18) #觸發StanfordTeacher的類中的__call__方法的執行,進而執行self.__new__開始查找
總結:Mymeta下的__call__裏的self.__new__在StanfordTeacher、Foo、Bar裏都沒有找到__new__的情況下,會去找object裏的__new__,而object下默認就有一個__new__,所以即便是之前的類均未實現__new__,也一定會在object中找到一個
,根本不會、也根本沒必要再去找元類Mymeta->type中查找__new__
注意:
1. 對於上面的代碼。我們在其他繼承類並沒有new方法,相當於我們直接用的object的new方法,因此我們在元類的__call__中也可以直接用object.__new__(self)去造對象
2. 但我們還是推薦在__call__中使用self.__new__(self)去創造空對象,因爲這種方式會檢索三個類StanfordTeacher->Foo->Bar,而object.__new__則是直接跨過了他們三個
2、對象查找屬性順序
(1)何爲對象查找屬性順序?
obj = StanfordTeacher('lili',18)
print(obj.n) # obj這個對象查找屬性n的值
(2)尋找對象查找屬性的順序,代碼驗證
class Mymeta(type): #只有繼承了type類才能稱之爲一個元類,否則就是一個普通的自定義類
n=444
def __call__(self, *args, **kwargs): #self=<class '__main__.StanfordTeacher'>
obj=self.__new__(self)
self.__init__(obj,*args,**kwargs)
return obj
class Bar(object):
#n=333
pass
class Foo(Bar):
# n=222
pass
class StanfordTeacher(Foo,metaclass=Mymeta):
# n=111
school='Stanford'
def __init__(self,name,age):
self.name=name
self.age=age
def say(self):
print('%s says welcome to the Stanford to learn Python' %self.name)
obj = StanfordTeacher('lili',18)
print(obj.n)
上述代碼運行發現報錯:
這是爲什麼呢?
答:因爲對象的屬性查找不會到元類去找,只會在繼承體系中的類去找!因此它說沒有這個屬性n。
(3)對象屬性查找順序圖解
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