Python面向对象之元类
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22 分钟
Python面向对象之元类
【一】前言引入
- 千万不要被所谓“元类是99%的python程序员不会用到的特性”这类的说辞吓住。
- 因为每个中国人，都是天生的元类使用者
- 我们引用太极的思想
- 道生一，一生二，二生三，三生万物
- 即我是谁？我从哪里来？我到哪里去？
- 我们拿到Python中
- type就相当于我们的道，由 type 产生了其他一系列的产物
【二】道生一，一生二，二生三，三生万物
- 道
- 相当于我们的 type
- 一
- 相当于我们学到的metaclass
- 元类 --- 也叫类生成器
- 相当于我们学到的metaclass
- 二
- 相当于class类
- 类 --- 实例生成器
- 相当于class类
- 三
- 相当于instance
- 实例
- 相当于instance
- 万物
- 相当于各种属性和方法
- 我们日常调用的方法和属性
- 相当于各种属性和方法
【二】道和一
- 我们已经学会了实例化类和调用类的属性和方法
- 因此我们现在研究的是道(也就是type)
- 一(元类也就是metaclass)
【1】精简版二生三、三生万物
- 由上面我们将这些思想用我们的代码演示一下
- 首先我们定义一个类
# 这个类就相当于我们的 **二（类的实例容器）**class Person():- 这个类就相当于我们的 二（类的实例容器）
- 我们再向这个类里面添加一些属性
# 这个类就相当于我们的 **二（类的实例容器）**class Person():
# 这些属性就相当于我们的**万物** def say_hello(self, name='world'): print('Hello, %s.' % name)- 这些属性就相当于我们的万物
- 接下来我们再实例一个对象出来
# 这个类就相当于我们的 **二（类的实例容器）**class Person():
# 这些属性就相当于我们的**万物** def say_hello(self, name='world'): print('Hello, %s.' % name)
# 这个对象就相当于我们的 **三 （实例）**person = Person()- 这个对象就相当于我们的 三 （实例）
- 我们再调用其中的类方法或类属性
# 这个类就相当于我们的 **二（类的实例容器）**class Person():
# 这些属性就相当于我们的**万物** def say_hello(self, name='world'): print('Hello, %s.' % name)
# 这个对象就相当于我们的 **三 （实例）**person = Person()
# 这就相当于我们的利用万物person.say_hello()- 完整的如下
# 创建一个Person类，拥有属性say_hello ----二的起源class Person(): # 万物的容器内的方法和属性 def say_hello(self, name='world'): print('Hello, %s.' % name)
# 从Person类创建一个实例person ----二生三person = Person()
# 使用person调用方法say_hello() ----三生万物person.say_hello()- 由以上一步步，我们演示了二生三，三生万物的大致过程
- 从构建一个类，再到实例化一个对象，再到调用类中的属性或方法
- 那我们会发出疑问：
- 类从何来？
- 既然都有二生三，三生万物了，那这个二从何来？
- 一生二又是怎么来的？
- 于是我们开始研究一生二的过程
- class Hello() 这句话只是将一生二的部分缩减到了简简单单的一步，只是为了我们日常使用过程中更方便一些
- 那完整版的又是长什么样呢？
【三】完整版一生二，二生三，三生万物
- 我们假定我们已经定义好了一个方法
# 假如我们有一个函数叫rundef run(self, name='world'): print('Hello, %s.' % name)- 也就是我们已经是万物的一部分了
- 接下来我们要探究如何一生二，二生三，三生出来他
- 于是我们就用到了 一个 我们最开始说到的 道(type)
- 由这个 道(起源) 负责将这个给我造出来
- 于是就有了
# 假如我们有一个函数叫rundef run(self, name='world'): print('Hello, %s.' % name)
# 通过type创建Hello class ---- 神秘的“道”，可以点化一切# 这次我们直接从“道”生出了“二”Person = type('Person', (object,), dict(say_hello=run))- 我们运行结果如下
# 假如我们有一个函数叫rundef run(self, name='world'): print('Hello, %s.' % name)
# 通过type创建Hello class ---- 神秘的“道”，可以点化一切# 这次我们直接从“道”生出了“二”Person = type('Person', (object,), dict(say_hello=run))
# 从Person类创建一个实例person ----二生三，完全一样person = Person()
# 使用person调用方法say_hello ----三生万物，完全一样person.say_hello()
# Hello, world.- 我们可以发现，运行效果和我们上面的用class造万物是一样的效果
- 我么可以发现其实，最重要的就是这一句 Person = type(‘Person’, (object,), dict(say_hello=run))
- 这句话给我们的感觉就是我们直接 就是 道生出了二 而没有一的参与
【四】道的分析
- Person = type(‘Person’, (object,), dict(say_hello=run))
- 在上面我们已经发现了这句话和我们的class 关键字具有一样的效果，那我们就来分析一下这句话，里面的三个参数 指的 都是什么含义？
- 这三个参数 和 我们上面所说的 我是谁？我从哪里来？我到哪里去？ 契合到了一起
第一个参数： 我是谁。 在这里，我需要一个区分于其它一切的命名，以上的实例将我命名为“Person”
第二个参数： 我从哪里来 在这里，我需要知道从哪里来，也就是我的“父类”，以上实例中我的父类是“object”——python中一种非常初级的类。
第三个参数： 我要到哪里去 在这里，我们将需要调用的方法和属性包含到一个字典里，再作为参数传入。以上实例中，我们有一个say_hello方法包装进了字典中。- 值得注意的是，三大永恒命题，是一切类，一切实例，甚至一切实例属性与方法都具有的。
- 理所应当，它们的“创造者”，道和一，即type和元类，也具有这三个参数。
- 但平常，类的三大永恒命题并不作为参数传入，而是以如下方式传入
class Hello(object){ # class 后声明“我是谁” # 小括号内声明“我来自哪里” # 中括号内声明“我要到哪里去” def say_hello(){
}}- 造物主，可以直接创造单个的人，但这是一件苦役。
- 造物主会先创造“人”这一物种，再批量创造具体的个人。
- 并将三大永恒命题，一直传递下去。
“道”可以直接生出“二”，但它会先生出“一”，再批量地制造“二”。
type可以直接生成类（class），但也可以先生成元类（metaclass），再使用元类批量定制类（class）。
【五】元类 ----> 道生一，一生二
【1】Metalass 原理
- 一般来说，元类均被命名后缀为Metalass
- 想象一下，我们需要一个可以自动打招呼的元类，它里面的类方法呢，有时需要say_Hello，有时需要say_Hi，有时又需要say_Sayolala，有时需要say_Nihao。
- 如果每个内置的say_xxx都需要在类里面声明一次，那将是多么可怕的苦役！
- 不如使用元类来解决问题。
- 以下是创建一个专门“打招呼”用的元类代码：
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)- 记住两点：
- 1、元类是由“type”衍生而出，所以父类需要传入type。
- 【道生一，所以一必须包含道】
- 2、元类的操作都在 __new__中完成，它的第一个参数是将创建的类，之后的参数即是三大永恒命题：
- 我是谁，我从哪里来，我将到哪里去。
- 它返回的对象也是三大永恒命题，接下来，这三个参数将一直陪伴我们。
- 1、元类是由“type”衍生而出，所以父类需要传入type。
- 在new中，我只进行了一个操作，就是attrs[‘say_‘+name] = lambda self,value,saying=name: print(saying+’,‘+value+’!’)
- 它跟据类的名字，创建了一个类方法。
- 比如我们由元类创建的类叫“Person”，那创建时就自动有了一个叫“say_Hello”的类方法，然后又将类的名字“Person”作为默认参数saying，传到了方法里面。
- 然后把hello方法调用时的传参作为value传进去，最终打印出来。
- 那么，一个元类是怎么从创建到调用的呢？
- 来！一起根据道生一、一生二、二生三、三生万物的准则，走进元类的生命周期吧！
# 道生一：传入typeclass SayMetaClass(type):
# 传入三大永恒命题：类名称、父类、属性 def __new__(cls, name, bases, attrs): # print(cls) # <class '__main__.SayMetaClass'> # print(name) # Hello # print(bases) # (<class 'object'>,) # print(attrs) # {'__module__': '__main__', '__qualname__': 'Hello'} # 创造“天赋” attrs['say_' + name] = lambda self, value, saying=name: print(saying + ',' + value + '!') # print(attrs) # {'__module__': '__main__', '__qualname__': 'Hello', 'say_Hello': <function SayMetaClass.__new__.<locals>.<lambda> at 0x000002490A581B40>} # 传承三大永恒命题：类名称、父类、属性 return type.__new__(cls, name, bases, attrs)
# 一生二：创建类class Hello(object, metaclass=SayMetaClass): pass
# 二生三：创建实列person = Hello()
# 三生万物：调用实例方法person.say_Hello('world!')# 道生一：传入type# 构建一个类(传承于始祖)，这个类具有部分始祖的功能# 利用希腊的例子 上帝(type) ----> 造了亚当(SayMetaClass) ----> 造了其他的人类class SayMetaClass(type):
# 传入三大永恒命题：类名称、父类、属性 # 这里实例化了 这个类的三个属性 这个类的名称、传入的这个类的父类、这个类的名称空间 def __new__(cls, name, bases, attrs): # 创造“天赋” # 向传入的这个类的名称空间里面塞 属性和方法 attrs['say_' + name] = lambda self, value, saying=name: print(saying + ',' + value + '!') # 传承三大永恒命题：类名称、父类、属性 # 基于以上的三个组成部分，调用始祖(造物主)的 方法 造出来一个类 # 亚当可以自己造人，但是他不干活，他就让上帝来干活 return type.__new__(cls, name, bases, attrs)
# 一生二：创建类# 上帝造完了这个人了，交给亚当来保管，因为是亚当负责 捏的人 ，所以应该具有亚当捏的特征class Hello(object, metaclass=SayMetaClass): pass
# 二生三：创建实列# 亚当和上帝造出来的那个人person = Hello()
# 三生万物：调用实例方法# 那个人学会的技能和特有的特征# ----> 这个人牛逼了，自学了某个东西。激活了血统person.say_Hello('world!')注意：通过元类创建的类，第一个参数是父类，第二个参数是metaclass
- 普通人出生都不会说话，但有的人出生就会打招呼说“Hello”，“你好”,“sayolala”，这就是天赋的力量。
- 它会给我们面向对象的编程省下无数的麻烦。
- 现在，保持元类不变，我们还可以继续创建Sayolala， Nihao类，如下：
# 道生一：传入type# 构建一个类(传承于始祖)，这个类具有部分始祖的功能# 利用希腊的例子 上帝(type) ----> 造了亚当(SayMetaClass) ----> 造了其他的人类class SayMetaClass(type):
# 传入三大永恒命题：类名称、父类、属性 # 这里实例化了 这个类的三个属性 这个类的名称、传入的这个类的父类、这个类的名称空间 def __new__(cls, name, bases, attrs): # 创造“天赋” # 向传入的这个类的名称空间里面塞 属性和方法 attrs['say_' + name] = lambda self, value, saying=name: print(saying + ',' + value + '!') # 传承三大永恒命题：类名称、父类、属性 # 基于以上的三个组成部分，调用始祖(造物主)的 方法 造出来一个类 # 亚当可以自己造人，但是他不干活，他就让上帝来干活 return type.__new__(cls, name, bases, attrs)
#######################################开始造第一个人了#######################################
# 一生二：创建类# 上帝造完了这个人了，交给亚当来保管，因为是亚当负责 捏的人 ，所以应该具有亚当捏的特征class Hello(object, metaclass=SayMetaClass): pass
# 二生三：创建实列# 亚当和上帝造出来的那个人hello = Hello()
# 三生万物：调用实例方法# 那个人学会的技能和特有的特征# ----> 这个人牛逼了，自学了某个东西。激活了血统hello.say_Hello('world!')
# Hello,world!!
#######################################开始造第二个人了######################################## 一生二：创建类# 亚当又闲得蛋疼捏出来一个人class Sayolala(object, metaclass=SayMetaClass): pass
# 二生三：创建实列# 这个人出生了s = Sayolala()
# 三生万物：调用实例方法# 这个人又学会了新东西s.say_Sayolala('japan!')
# Sayolala,japan!!
#######################################开始造第三个人了#######################################
# 一生二：创建类class Nihao(object, metaclass=SayMetaClass): pass
# 二生三：创建实列n = Nihao()
# 三生万物：调用实例方法n.say_Nihao('中华!')
# Nihao, 中华!【2】 list 方法
- 普通的 list方法是没有 add 的功能的
- 普通的list方法
L2 = list()L2.add(1)
# AttributeError: 'list' object has no attribute 'add'- 而我们用上面的方法造了一个新的list方法，不让他按照原来的走
# 道生一class ListMetaclass(type): def __new__(cls, name, bases, attrs): # 天赋：通过add方法将值绑定 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()
# 三生万物L.add(1)
print(L)# [1]【六】总结
【1】年轻的造物主，请随我一起开创新世界。
- 我们选择两个领域，一个是Django的核心思想，“Object Relational Mapping”
- 即对象-关系映射，简称ORM。
- 这是Django的一大难点，但学完了元类，一切变得清晰。
- 你对Django的理解将更上一层楼！
- 另一个领域是爬虫领域（黑客领域）
- 一个自动搜索网络上的可用代理，然后换着IP去突破别的人反爬虫限制。
【2】挑战一：通过元类创建ORM
（1）准备工作，创建一个Field类
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类实例化时将得到两个参数，name和column_type，
- 它们将被绑定为Field的私有属性
- 如果要将Field转化为字符串时，将返回“Field
” - XXX是传入的name名称。
（2）准备工作：创建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实例初始化时，
- 自动调用父类的初始化方式。
【3】道生一
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)
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')
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) # 保存属性和列的映射关系 attrs['__mappings__'] = mappings # 假设表名和类名一致 attrs['__table__'] = name return type.__new__(cls, name, bases, attrs)- 它做了以下几件事
- 创建一个新的字典mapping
- 将每一个类的属性，通过.items()遍历其键值对。如果值是Field类，则打印键值，并将这一对键值绑定到mapping字典上。
- 将刚刚传入值为Field类的属性删除。
- 创建一个专门的__mappings__属性，保存字典mapping。
- 创建一个专门的__table__属性，保存传入的类的名称。
【4】一生二
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)
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')
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) # 保存属性和列的映射关系 attrs['__mappings__'] = mappings # 假设表名和类名一致 attrs['__table__'] = name return type.__new__(cls, name, bases, attrs)
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
# 模拟建表操作 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))- 如果从Model创建一个子类User：
class User(Model): # 定义类的属性到列的映射： id = IntegerField('id') name = StringField('username') email = StringField('email') password = StringField('password')- 这时id= IntegerField(‘id’)就会自动解析为：
- Model.setattr(self, ‘id’, IntegerField(‘id’))
- 因为IntergerField(‘id’)是Field的子类的实例
- 自动触发元类的__new__
- 所以将IntergerField(‘id’)存入__mappings__并删除这个键值对。
【4】二生三、三生万物
- 当你初始化一个实例的时候并调用save()方法时候
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)
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')
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) # 保存属性和列的映射关系 attrs['__mappings__'] = mappings # 假设表名和类名一致 attrs['__table__'] = name return type.__new__(cls, name, bases, attrs)
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
# 模拟建表操作 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))
class User(Model): # 定义类的属性到列的映射： id = IntegerField('id') name = StringField('username') email = StringField('email') password = StringField('password')
u = User(id=12345, name='Batman', email='batman@nasa.org', password='iamback')u.save()- 这时先完成了二生三的过程：
- 先调用Model.setattr，将键值载入私有对象
- 然后调用元类的“天赋”，ModelMetaclass.new，将Model中的私有对象，只要是Field的实例，都自动存入u.mappings。
- 接下来完成了三生万物的过程：
- 通过u.save()模拟数据库存入操作。
- 这里我们仅仅做了一下遍历__mappings__操作，虚拟了sql并打印，在现实情况下是通过输入sql语句与数据库来运行。
- 输出结果为
Found model: UserFound 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, 'batman@nasa.org']支持与分享
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构建时间2026年9月27日 14:40:31
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