Python元类

1、概念

在Python中，一切皆对象。你定义的类（即使是内置类型）本身也是一种对象。既然类是对象，那么它们也必然由某个“东西”创建。这个创建类的“东西”就是元类（Metaclass）。

• 元类是创建类的类。普通类定义了实例对象的行为，而元类定义了类的行为。
• 默认情况下，Python中所有的类都是由内置元类type创建的

class MyClass:passprint(type(MyClass))  # 输出：<class 'type'>
print(type(1))         # 输出：<class 'int'>
print(type("hello"))   # 输出：<class 'str'>

2、元类的工作原理：类创建过程

当你使用 class关键字定义一个类时，Python在幕后执行了以下几步，只要理解类本身就是元类的实例，就容易理解调用__new__和__init__的时机：

1. 收集类定义内容：解析类定义体，获取类名、基类和包含属性/方法的字典。
2. 确定元类：检查是否指定了自定义元类（通过metaclass关键字），若无则使用默认的type。
3. 执行元类的__new__方法：元类的__new__方法负责创建并返回这个类对象。这是干预类创建、修改类属性（如方法、类变量）的关键阶段。
4. 执行元类的__init__方法：元类的__init__方法负责对创建好的类对象进行初始化。
5. 将类对象绑定到类名：最终，创建的类对象被赋值给类定义头中的类名。

type函数除了可以查看对象的类型，还可以动态地创建类，其语法如下：

MyClass = type('MyClass', (BaseClass,), {'attribute': value, 'method': my_method})

3、定义自定义元类

自定义元类通常通过继承type并重写其__new__或 __init__方法来实现，元类的__new__和 __init__方法在类定义阶段就被调用了

3.1 基本元类结构

class MyMeta(type):"""自定义元类，继承自 type"""def __new__(cls, name, bases, attrs):"""在类创建时调用- cls: 元类本身- name: 要创建的类名- bases: 父类元组- attrs: 类属性字典"""print(f"创建类: {name}")print(f"父类: {bases}")print(f"属性: {list(attrs.keys())}")# 必须调用 type.__new__ 来实际创建类return super().__new__(cls, name, bases, attrs)def __init__(self, name, bases, attrs):"""类初始化时调用"""super().__init__(name, bases, attrs)print(f"初始化类: {name}")# 使用元类
class MyClass(metaclass=MyMeta):x = 42def method(self):return "hello"# 输出:
# 创建类: MyClass
# 父类: ()
# 属性: ['__module__', '__qualname__', 'x', 'method']
# 初始化类: MyClass

3.2 修改类定义

元类可以在类创建时修改其属性：

class UpperCaseMeta(type):"""将类中所有非特殊属性名改为大写"""def __new__(cls, name, bases, attrs):# 过滤出需要修改的属性uppercase_attrs = {}for attr_name, attr_value in attrs.items():if not attr_name.startswith('__'):  # 不处理特殊方法uppercase_attrs[attr_name.upper()] = attr_valueelse:uppercase_attrs[attr_name] = attr_valuereturn super().__new__(cls, name, bases, uppercase_attrs)class MyClass(metaclass=UpperCaseMeta):my_attr = "value"another_attr = 42def my_method(self):return "original"# 测试
obj = MyClass()
print(hasattr(obj, 'my_attr'))      # False
print(hasattr(obj, 'MY_ATTR'))      # True
print(hasattr(obj, 'my_method'))    # False  
print(hasattr(obj, 'MY_METHOD'))    # True

4、使用场景

4.1 单例模式实现

由于类是元类的对象，因此实例化对象就类似于普通对象直接加()，就会调用元类的__call__方法

class SingletonMeta(type):"""单例元类"""_instances = {}def __call__(cls, *args, **kwargs):if cls not in cls._instances:cls._instances[cls] = super().__call__(*args, **kwargs)return cls._instances[cls]class DatabaseConnection(metaclass=SingletonMeta):def __init__(self, connection_string):self.connection_string = connection_stringprint(f"连接到数据库: {connection_string}")def query(self, sql):return f"执行查询: {sql}"# 测试单例
db1 = DatabaseConnection("mysql://localhost:3306/mydb")
db2 = DatabaseConnection("mysql://localhost:3306/mydb")print(db1 is db2)  # True
print(db1.query("SELECT * FROM users"))

4.2 ORM（对象关系映射）框架

class Field:"""字段基类"""def __init__(self, field_type, required=True, default=None):self.field_type = field_typeself.required = requiredself.default = defaultclass CharField(Field):def __init__(self, max_length=255, **kwargs):super().__init__(str, **kwargs)self.max_length = max_lengthclass IntegerField(Field):def __init__(self, **kwargs):super().__init__(int, **kwargs)class ModelMeta(type):"""ORM 元类，用于收集字段信息"""def __new__(cls, name, bases, attrs):# 收集字段信息fields = {}for attr_name, attr_value in attrs.items():if isinstance(attr_value, Field):fields[attr_name] = attr_value# 从类属性中移除字段，避免干扰实例属性attrs[attr_name] = None# 添加_fields属性保存字段信息attrs['_fields'] = fieldsreturn super().__new__(cls, name, bases, attrs)class Model(metaclass=ModelMeta):"""模型基类"""def __init__(self, **kwargs):for field_name, field in self._fields.items():value = kwargs.get(field_name, field.default)setattr(self, field_name, value)def validate(self):"""验证字段值"""errors = []for field_name, field in self._fields.items():value = getattr(self, field_name)if value is None and field.required:errors.append(f"{field_name} is required")elif value is not None and not isinstance(value, field.field_type):errors.append(f"{field_name} must be {field.field_type.__name__}")return errors# 使用元类创建模型，子类的创建会继承父类的元类
class User(Model):name = CharField(max_length=100)age = IntegerField(required=False, default=0)email = CharField(max_length=255)# 测试
user = User(name="Alice", age=25, email="alice@example.com")
print(user.name)        # Alice
print(user.age)         # 25
print(user.validate())  # []user2 = User(name="Bob")
print(user2.validate())  # ['email is required']