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Python MetaClass元类实现的底层原理

要理解 MetaClass 的底层原理,首先要深入理解 Python 类型模型。本节将从以下 2 点对 Python 类型模型做详细的介绍。

1) 所有的 Python 的用户定义类,都是 type 这个类的实例

事实上,类本身不过是一个名为 type 类的实例,可以通过如下代码进行验证:
class MyClass:
  pass

instance = MyClass()
print(type(instance))
print(type(MyClass))
输出结果为:

<class '__main__.MyClass'>
<class 'type'>

可以看到,instance 是 MyClass 的实例,而 MyClass 是 type 的实例。

2) 用户自定义类,只不过是 type 类的 __call__ 运算符重载。

当定义完成一个类时,真正发生的情况是 Python 会调用 type 类的 __call__ 运算符。

简单来说,当定义一个类时,例如下面语句:
class MyClass:
  data = 1
Python 底层执行的是下面这段代码:
class = type(classname, superclasses, attributedict)
其中等号右边的 type(classname, superclasses, attributedict) 就是 type 的 __call__ 运算符重载,它会进一步调用下面这 2 个函数:
type.__new__(typeclass, classname, superclasses, attributedict)
type.__init__(class, classname, superclasses, attributedict)
以上整个过程,可以通过如下代码进行论证:
class MyClass:
  data = 1
 
instance = MyClass()
print(MyClass,instance)
print(instance.data)
MyClass = type('MyClass', (), {'data': 1})
instance = MyClass()

print(MyClass,instance)
print(instance.data)
运行结果为:

<class '__main__.MyClass'> <__main__.MyClass object at 0x000001CB469F7400>
1
<class '__main__.MyClass'> <__main__.MyClass object at 0x000001CB46A50828>
1

由此可见,正常的 MyClass 定义,和手工调用 type 运算符的结果是完全一样的。

总之,正是 Python 的类创建机制,给了 metaclass 大展身手的机会,即一旦把一个类型 MyClass 设置成元类 MyMeta,那么它就不再由原生的 type 创建,而是会调用 MyMeta 的 __call__ 运算符重载:
class = type(classname, superclasses, attributedict)
# 变为了
class = MyMeta(classname, superclasses, attributedict)

使用 metaclass 的风险

正如上面所看到的那样,metaclass 这样“逆天”的存在,会"扭曲变形"正常的 Python 类型模型,所以,如果使用不慎,对于整个代码库造成的风险是不可估量的。

换句话说,metaclass 仅仅是给小部分 Python 开发者,在开发框架层面的 Python 库时使用的。而在应用层,metaclass 往往不是很好的选择。

建议初学者不要轻易尝试使用 mateclass。

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