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Python MetaClass元类详解

type() 函数更适合于动态地创建相对简单的类,如果要创建更复杂的类,则需要通过 MetaClass(元类)的方式。

MetaClass(元类),简单的理解,就是创建类的类,即创建类之后,再由类来创建实例进行应用。使用元类可以在创建类时动态修改类定义。为了使用元类动态修改类定义,程序需要先定义元类。

注意,不要从字面上去理解元类的含义,事实上,MetaClass 中的 Meta 这个词根,起源于希腊语词汇 meta,包含“超越”和“改变”的意思。

定义元类时,需令其继承与 type 类,且默认的命名习惯是,让类名以 MetaClass 结尾。不仅如此,元类中需要定义并实现 __new__() 方法(一定要有返回值)。因为元类在创建类时,该 __new__() 方法将会被调用,用来生成新建的类。

之所有要求元类继承 type 并实现 __new__() 方法,是因为在创建类时,内部调用了 type 的 __new__() 方法为这个类分配内存空间,当内存分配完成后,便会调用 type 的 _init__ 方法初始化。


下面程序定义了一个元类类:
# 定义Item元类,继承type
class ItemMetaClass(type):
    # cls代表动态修改的类
    # name代表动态修改的类名
    # bases代表被动态修改的类的所有父类
    # attr代表被动态修改的类的所有属性、方法组成的字典
    def __new__(cls, name, bases, attrs):
        # 动态为该类添加一个cal_price方法
        attrs['cal_price'] = lambda self: self.price * self.discount
        return type.__new__(cls, name, bases, attrs)
上面程序定义了一个 ItemMetaClass,该类继承了 type 类,并重写了 __new__ 方法,在重写该方法时为目标类动态添加了一个 cal_price 方法。

元类的 __new__ 方法的作用是:当程序使用 class 定义新类时,如果指定了元类,那么元类的 __new__ 方法就会被自动执行。

例如,如下程序使用元类定义了两个类:
# 定义Book类
class Book(metaclass=ItemMetaClass):
    __slots__ = ('name', 'price', '_discount')
    def __init__(self, name, price):
        self.name = name
        self.price = price
    @property
    def discount(self):
        return self._discount
    @discount.setter
    def discount(self, discount):
        self._discount = discount
# 定义cellPhone类
class CellPhone(metaclass=ItemMetaClass):
    __slots__ = ('price', '_discount' )
    def __init__(self, price):
        self.price = price
    @property
    def discount(self):
        return self._discount
    @discount.setter
    def discount(self, discount):
        self._discount = discount
上面程序定义了 Book 和 CellPhone 两个类,在定义这两个类时都指定了元类信息,因此当 Python 解释器在创建这两个类时,ItemMetaClass 的 __new__ 方法就会被调用,用于修改这两个类。

ItemMetaClass 类的 __new__ 方法会为目标类动态添加 cal_price 方法,因此,虽然在定义 Book、CellPhone 类时没有定义 cal_price() 方法,但这两个类依然有 cal_price() 方法。如下程序测试了 Book、CellPhone 两个类的 cal_price() 方法: 
b = Book("Python基础教程", 89)
b.discount = 0.76
# 创建Book对象的cal_price()方法
print(b.cal_price())
cp = CellPhone(2399)
cp.discount = 0.85
# 创建CellPhone对象的cal_price()方法
print(cp.cal_price())
运行上面程序,可以看到如下运行结果:

67.64
2039.1499999999999

从上面的运行结果来看,通过使用元类可以动态修改程序中的一批类,对它们集中进行某种修改。这个功能在开发一些基础性框架时非常有用,程序可以通过使用元类为某一批需要具有通用功能的类添加方法。

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