python基础（二十八）：元类python一点一滴铺就人生-

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鉴于本篇博文知识点较难，因此可能会有些错误，若有错误，恳请各位朋友指出，多谢各位小伙伴！

一、元类介绍

什么是元类呢？一切源自于一句话：python中一切皆为对象，因此类也是对象。让我们先定义一个类，然后逐步分析：

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) 

所有的对象都是实例化或者说调用类而得到的（调用类的过程称为类的实例化），比如对象t1是调用类StanfordTeacher得到的

t1=StanfordTeacher('lili',18) print(type(t1)) #查看对象t1的类是<class '__main__.StanfordTeacher'> 

如果一切皆为对象，那么类StanfordTeacher本质也是一个对象，既然所有的对象都是调用类得到的，那么StanfordTeacher必然也是调用了一个类得到的，这个类称为元类（又称类的类）即：产生StanfordTeacher的过程一定发生了：StanfordTeacher=元类(...)

# 验证 print(type(StanfordTeacher)) # 结果为<class 'type'>，证明是调用了type这个元类而产生的StanfordTeacher，即默认的元类为type 

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二、class关键字创建类的流程分析

我们应该都晓得，标志类的关键字是class，那么创建类的过程就应该是由class关键字引导的。
class关键字在帮我们创建类时，必然帮我们调用了元类StanfordTeacher=type(...)，那调用type时传入的参数是什么呢？必然是类的关键组成部分，一个类有三大组成部分，分别是：

1、类名class_name='StanfordTeacher' 2、基类们class_bases=(object,) 3、类的名称空间class_dic，类的名称空间是执行类体代码而得到的 

调用type时会依次传入以上三个参数

综上，class关键字帮我们创建一个类应该细分为以下四个过程
对于上图的第3步是如何生成类名称空间字典，做个补充：

# 整个类体代码其实是一个字符串，把这个字符串交给exec函数，返回一个类名称空间字典，下面为exec详解： 1. exec：三个参数  2. 参数一：包含一系列python代码的字符串  3. 参数二：全局作用域（字典形式），如果不指定，默认为globals() 4. 参数三：局部作用域（字典形式），如果不指定，默认为locals() 5. 可以把exec命令的执行当成是一个函数的执行，会将执行期间产生的名字存放于局部名称空间或全局名称空间中，最后我们要的类名称空间就是这个局部名称空间字典。 g={ # 代表全局名称空间，为什么里面还有内容呢？ 'x':1, 'y':2 } l={} exec(''' global x,z # 声明x、z为全局变量 x=100 z=200  m=300 # m为局部变量 ''',g,l) print(g) # {'x': 100, 'y': 2......} # z不是全局变量吗，为什么g里面没有呢？ print(l) # {'m': 300} 

上面代码中有人提出了两个疑问，这是由于你没有把参数二、三的意思整明白，问题解析如下：

# 参数二、三解析 答：参数二实际应该为globals(),这个globals函数获取的是当前python程序的所有全局变量，并且将其变量名和值存在字典之中，代码中的g只是模拟globals生成的字典。参数三也一样的  # 接下来再说为什么g中还有内容呢？不可以为空吗？ 答：可以为空，但没有意义。global x,z，声明的是x、z为全局变量，那么globals()函数执行所得到的字典，是不是应该有这两个变量？因此我们的g模拟globals函数也应该有x、z这两个变量。  # z不是全局变量吗，为什么g里面没有呢？ 答：上面说了g模拟globals函数也应该有x、z这两个变量，但是其中z没有，因此exec函数执行后，print(g)其中没有z，其中有y，但是值没改变，因此print(g)还是打印原值。 

四、自定义元类

为什么要自定义元类？

答：我们的类都是通过元类产生的，元类定义产生类这个对象的流程和规范，我们通过自定义元类，达到控制我们类的一些使用规范。比如类中必须有注释、类名必须大写，如果不这样就报错。 

1、自定义元类控制类StanfordTeacher的创建

一个类没有声明自己的元类，默认它的元类就是type，除了使用内置元类type，我们也可以通过继承type来自定义元类，然后使用metaclass关键字参数为一个类指定元类

class Mymeta(type): # 只有继承了type类才能称之为一个元类，否则就是一个普通的自定义类 pass            类名         父类们 类名称空间   # class相当于：StanfordTeacher=Mymeta('StanfordTeacher',(object),{...}) class StanfordTeacher(object,metaclass=Mymeta): # 这里如果不写object，会默认继承object，但是上面的传给Mymeta的第二个参数里面就没有，当然，没写也没有什么，python自己会默认传，只是你看不到，我写出来是为了让大家看到。     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) 

自定义元类可以控制类的产生过程，类的产生过程其实就是元类的调用过程,即StanfordTeacher=Mymeta('StanfordTeacher',(object),{...})，调用Mymeta会先产生一个空对象StanfordTeacher，然后连同调用Mymeta括号内的参数一同传给Mymeta下的__init__方法，完成初始化，返回初始化后的对象，于是我们可以：

class Mymeta(type): # 只有继承了type类才能称之为一个元类，否则就是一个普通的自定义类 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) # 重用父类的init功能 # 为什么要重用父类？因为我们现在只用重用父类方法，完成基本的初始化对象，然后加上自己的限制即可！！ # 下面为定制类的代码，也是对我们所做的对元类产生的类的限制 if class_name.islower(): # 规范类名 raise TypeError('类名%s请修改为驼峰体' %class_name) # 主动报错语句 if '__doc__' not in class_dic or len(class_dic['__doc__'].strip(' n')) == 0: # 规范文档注释 raise TypeError('类中必须有文档注释，并且文档注释不能为空') # 主动报错语句 # StanfordTeacher=Mymeta('StanfordTeacher',(object),{...}) class StanfordTeacher(object,metaclass=Mymeta): """     类StanfordTeacher的文档注释     """     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、自定义元类控制类StanfordTeacher的调用

核心知识：__call__方法

class Foo: def __call__(self, *args, **kwargs): print(self) print(args) print(kwargs)  obj=Foo() # 1、要想让obj这个对象变成一个可调用的对象，需要在该对象的类中定义一个方法__call__方法，该方法会在调用对象时自动触发 # 2、调用obj的返回值就是__call__方法的返回值 res=obj(1,2,3,x=1,y=2) # 相当于res=obj.__call__(1,2,3,x=1,y=2)，自动触发，因此可以obj() # 执行结果： <__main__.Foo object at 0x10874ccd0> # print(self) (1, 2, 3) # print(args) {'x': 1, 'y': 2} # print(kwargs) 

想一下，调用对象，执行个call方法这并没有什么用途，当然我也只是借调用对象，说明call的作用，引出下面这个重点，调用一个对象:obj()，就是触发对象所在类中的__call__方法的执行，类也是对象。那么调用一个类：StanfordTeacher(),就是触发类的元类中的__call__方法的执行。

class Mymeta(type): #只有继承了type类才能称之为一个元类，否则就是一个普通的自定义类 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) # 调用StanfordTeacher就是在调用Mymeta类中的__call__方法 # 然后将StanfordTeacher这个对象传给self,溢出的位置参数'lili'、18传给*，溢出的关键字参数传给** # 调用StanfordTeacher的返回值就是调用__call__的返回值 t1=StanfordTeacher('lili',18) print(t1) # 123 

默认地，我们常说调用t1=StanfordTeacher(‘lili’,18)会做三件事

1、产生一个空对象obj  2、调用__init__方法初始化对象obj  3、返回初始化好的obj 

其实这三件事就是在Mymeta类中的__call__方法中完成的。下面的代码演示完成这三件事的过程：

class Mymeta(type): # 只有继承了type类才能称之为一个元类，否则就是一个普通的自定义类 def __call__(self, *args, **kwargs): #self=<class '__main__.StanfordTeacher'> #1、调用__new__产生一个空对象obj         obj=self.__new__(self) # 此处的self是类StanfordTeacher，必须传参，代表创建一个StanfordTeacher的对象obj #2、调用StanfordTeacher的__init__方法初始化空对象obj，         self.__init__(obj,*args,**kwargs) #3、返回初始化好的对象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__相当于一个模板，我们可以在该基础上改写__call__的逻辑从而控制调用StanfordTeacher的过程，比如将StanfordTeacher的对象的所有属性都变成私有的

先看看私有属性在dict中长啥样：

class Foo: def __init__(self):         self.__name = '123'  obj=Foo() print(obj.__dict__) # 执行结果 {'_Foo__name': '123'} # 我们获取dict里的内容，然后所有属性改成_Foo__name这样子，再覆盖回dict，就完成了对所有属性的私有化。 

class Mymeta(type): #只有继承了type类才能称之为一个元类，否则就是一个普通的自定义类 def __call__(self, *args, **kwargs): #self=<class '__main__.StanfordTeacher'> #1、调用__new__产生一个空对象obj         obj=self.__new__(self) # 此处的self是类StanfordTeacher，必须传参，代表创建一个StanfordTeacher的对象obj #2、调用__init__初始化空对象obj         self.__init__(obj,*args,**kwargs) # 在初始化之后，obj.__dict__里就有值了         obj.__dict__={'_%s__%s' %(self.__name__,k):v for k,v in obj.__dict__.items()} # 这里采用了字典生成式 #3、返回初始化好的对象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} 

上面的代码中涉及到查找属性的问题，比如self.__new__，请看第五点。

3、自定义元类的调用

class Mymeta(type): #只有继承了type类才能称之为一个元类，否则就是一个普通的自定义类     n=444 def __new__(cls, *args, **kwargs):         obj=type.__new__(cls,*args,**kwargs) # 必须按照这种传值方式 print(obj.__dict__) # return obj # 只有在返回值是type的对象时，才会触发下面的__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'> # 产生类StanfordTeacher的过程就是在调用Mymeta，而Mymeta也是type类的一个对象，那么Mymeta之所以可以调用，一定是在元类type中有一个__call__方法 # 该方法中同样需要做至少三件事： # class type: #     def __call__(self, *args, **kwargs): #self=<class '__main__.Mymeta'> #         obj=self.__new__(self,*args,**kwargs) # 调用Mymeta的new方法，产生Mymeta的一个空对象obj #         self.__init__(obj,*args,**kwargs)  # 调用Mymeta的init方法初始化空对象obj #         return obj 

4、总结

对象()->类内的__call__ 类()->自定义元类内的__call__ 自定义元类()->内置元类type的__call__ 

# 下面是内置元类type的部分代码 # class type: #     def __call__(self, *args, **kwargs): #self = <class '__main__.Mymeta'> #         obj=self.__new__(self,*args,**kwargs) # 调用的是Mymeta的new方法，但是产生的是StanfordTeacher的空对象，args中存储的类名、基类、类名称空间字典。 #         self.__init__(obj,*args,**kwargs)  #         return obj class Mymeta(type): #只有继承了type类才能称之为一个元类，否则就是一个普通的自定义类 def __call__(self, *args, **kwargs): # self = <class '__main__.StanfordTeacher'> print('StanfordTeacher的new方法准备运行了...') '''查看StanfordTeacher调用时，传入的参数有哪些？         print(self, args, kwargs)          self =  <class '__main__.StanfordTeacher'>          args = ('lili', 18)          kwargs = {}         '''                  obj=self.__new__(self) print('StanfordTeacher的init方法准备运行了...')         self.__init__(obj,*args,**kwargs) return obj      def __new__(cls, *args, **kwargs): print('Mymeta的new方法准备运行了...') ''' 查看内置元类中的type.call中传入的是哪些参数         print(cls, args, kwargs)           cls = <class '__main__.Mymeta'>              类名     基类     类名称空间字典          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) # 必须按照这种传值方式 return obj      def __init__(self,class_name,class_bases,class_dic): print('Mymeta的init方法准备运行了...') ''' 查看执行完Mymeta的new方法之后生成的对象是什么？         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) # 运行结果： Mymeta的new方法准备运行了... Mymeta的init方法准备运行了... StanfordTeacher的new方法准备运行了... StanfordTeacher的init方法准备运行了... 

执行顺序解析：

1. obj = StanfordTeacher('lili',18) # 先产生类StanfordTeacher，再调用    👇 2. 类的产生过程其实就是元类的调用过程：StanfordTeacher=Mymeta('StanfordTeacher',(object),{类名称空间})    👇 3. 自定义元类的调用就是调用内置元类type的__call__：type.call('Mymeta',*args,**kwargs)，因此先执行Mymeta的new、init方法,call中传入的参数是什么，我们在Mymeta的new方法里print(cls, args, kwargs)就晓得了 # 注意type.call,调用的Mymeta的new方法生成的是StanfordTeacher空对象，为什么？因为args中存储的是StanfordTeacher的类名、基类、类名称空间字典，这个在Mymeta的init方法里print(self)就晓得了，    👇 5. 然后type.call返回创建好的对象给StanfordTeacher，因此产生类StanfordTeacher完成    👇 6. 调用StanfordTeacher('lili',18)就是调用自定义元类的__call__方法：Mymeta.__call__('StanfordTeacher','lili', 18)。args是('lili', 18),kwargs接收关键字参数，没有，因此是个空字典    👇 7. 因此这个时候就该StanfordTeacher的new、init方法执行了    👇 8. 自定义元类的__call__方法返回创建好的对象给obj 

有人可能有疑问，在第2步元类调用过程，在这里是自定义元类的调用过程，但是自定义元类也需要产生吧？然后认为自定义元类的产生就是内置元类的调用过程。这种想法是正确的，自定义元类其实也是一个由class定义的普通类，只是我们继承了type类，扩展type类的功能。但是我们不需要研究这么深入，只需要享受它继承type，带来的扩展type元类的功能。

五、属性查找

结合python继承的实现原理+元类重新看属性的查找应该是什么样子呢？？？

在学习完元类后，其实我们用class自定义的类也全都是对象（包括object类本身也是元类type的 一个实例，可以用type(object)查看），我们学习过继承的实现原理，如果把类当成对象去看，将下述继承应该说成是：对象StanfordTeacher继承对象Foo，对象Foo继承对象Bar，对象Bar继承对象object

1、类查找属性（StanfordTeacher.属性）的顺序

（1）寻找类查找属性顺序，代码验证

class Mymeta(type): #只有继承了type类才能称之为一个元类，否则就是一个普通的自定义类     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) #自下而上依次注释各个类中的n=xxx，运行一次，注释一个，发现n的查找顺序为StanfordTeacher->Foo->Bar->object->Mymeta->type 

于是属性查找应该分成两层，一层是继承类查找（基于c3算法的MRO）的查找，另外一个层则是元类层的查找。

#查找顺序： #1、先对象层：StanfordTeacher->Foo->Bar->object #2、然后元类层：Mymeta->type 

（2）类查找属性顺序图解

（2）元类Mymeta中__call__里的self.__new__的属性查找

依据上述总结，我们来分析下元类Mymeta中__call__里的self.__new__的查找，注意self就是一个类，所以是符合类查找属性的顺序的：

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) #触发StanfordTeacher的类中的__call__方法的执行，进而执行self.__new__开始查找 

总结：Mymeta下的__call__里的self.__new__在StanfordTeacher、Foo、Bar里都没有找到__new__的情况下，会去找object里的__new__，而object下默认就有一个__new__，所以即便是之前的类均未实现__new__,也一定会在object中找到一个，根本不会、也根本没必要再去找元类Mymeta->type中查找__new__

注意：

1. 对于上面的代码。我们在其他继承类并没有new方法，相当于我们直接用的object的new方法，因此我们在元类的__call__中也可以直接用object.__new__(self)去造对象 2. 但我们还是推荐在__call__中使用self.__new__(self)去创造空对象，因为这种方式会检索三个类StanfordTeacher->Foo->Bar,而object.__new__则是直接跨过了他们三个 

2、对象查找属性顺序

（1）何为对象查找属性顺序？

obj = StanfordTeacher('lili',18) print(obj.n) # obj这个对象查找属性n的值 

（2）寻找对象查找属性的顺序，代码验证

class Mymeta(type): #只有继承了type类才能称之为一个元类，否则就是一个普通的自定义类     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) 

上述代码运行发现报错：
这是为什么呢？

答：因为对象的属性查找不会到元类去找，只会在继承体系中的类去找！因此它说没有这个属性n。 

（3）对象属性查找顺序图解

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