Python 元类详解

一、Type介绍

在Python中一切皆对象，类它也是对象，而元类其实就是用来创建类的对象（由于一切皆对象，所以元类其实也是一个对象）。

先来看这几个例子：

例1：

In [1]: type(12)
Out[1]: int

通过 type 可以查看对象的类型，也就是查看对象是那一类的，这里可以看出来 12 是 int 类型的也就是整数类。由于一切皆对象，那么我们也可以查看 int 是属于哪一个类型的。

In [2]: type(int)
Out[2]: type

通过这样的操作可以看出来 int 是 type 类型的，也就是说 int 类是 type 类实例化得到的对象。按照这样的思路在来看看 type 类是什么类型。

In [3]: type(type)
Out[3]: type

从上面可以看出来 type 是 type 类型的对象

例2：在来看这样一个规律

In [4]: class Foo:
   ...:     pass
   ...:

In [5]: f = Foo()

In [6]: type(f)
Out[6]: __main__.Foo

In [7]: type(Foo)
Out[7]: type

In [8]: type(type)
Out[8]: type

由上可以看出，实例 f 是 Foo 类的对象，Foo 这个自定义的类它是 type 类型的，并且 type 也是 type 类型的。

总结：

• 实例是类的实例；----------------------> f 是 Foo 类的实例
• 类是 type 类的实例；-----------------> Foo 类是 type 类的实例
• type 类是 type 类的实例；

从上面的规律可以看出，所有的类终归都是由 type 实例化得来的，它就是最元始的，同时它也是一个类，所以也可以称之为元类（Metaclass）

实例、类、元类之间的关系如图所示：

二、Type 使用方法

在 help(type) 显示的帮助文档中，可以看到这样两种使用方法；

class type(object)
 |  type(object) -> the object's type
 |  type(name, bases, dict, **kwds) -> a new type

第一种：直接带入对象，返回对象的类型，也是我们最常用的。

第二种：type(name, bases, dict, **kwds) 返回一个新的类型，也就是一个新的类。

• name：新类的名称；
• bases：以元组的形式，声明父类；
• dict：以字典的形式声明类的属性；

实例1：用 type 创建一个名为 Foo1 的类

In [10]: Foo1 = type("Foo1", (), {})

In [11]: Foo1.__bases__
Out[11]: (object,)

虽然没有给 bases 赋值，但是 Python 中所有的类都是以 object 为基类，所以查看类 Foo1 的父类，会得到这样一个结果。PS：__bases__查看父类。

也可以将 Foo1 实例化，就能看见 f 是 Foo1 类型，并且仿照之前的样子查找它的类型，可以一直查找到元类 type。

In [12]: f = Foo1()

In [13]: f.__class__
Out[13]: __main__.Foo1

In [14]: f.__class__.__class__
Out[14]: type

__class__ 是类的一个内置属性，表示类的类型，也是类的实例的属性，表示实例对象的类

实例2：利用元类 type 所创建的类 Bar 继承了 Foo1 和 Book 两个类

In [15]: class Book:
    ...:     def __new__(cls, *args, **kwargs):
    ...:         cls.website = 'www.cnblogs.com'
    ...:         return super().__new__(cls)
    ...:

In [16]: Bar = type('Bar', (Foo1, Book), {'name': 'python'})

In [17]: b = Bar()

In [18]: b.name
Out[18]: 'python'

In [19]: b.website
Out[19]: 'www.cnblogs.com'

In [20]: b.__class__
Out[20]: __main__.Bar

In [21]: b.__class__.__class__
Out[21]: type

In [22]: Bar.__bases__
Out[22]: (__main__.Foo1, __main__.Book)

In [23]: Bar.__dict__
Out[23]: mappingproxy({'name': 'python',
              '__module__': '__main__',
              '__doc__': None,
              'website': 'www.cnblogs.com'})

上述中 Bar 类除了在创建时设置的 name 外，还有从 Book 类继承来的 website，实例化后也可以读取到 name 和 website 两个属性的值，并且实例的类型是 Bar。

三、Metaclass

虽然使用第二种方法能定义出所需要的各种类型的类，但是，在实践中，这种形式并不常用，而是用这种形式；

In [24]: class Meta(type):
    ...:     pass
    ...:

In [25]: class Spam(metaclass=Meta):
    ...:     pass
    ...:

In [26]: s = Spam()

类 Meta 继承了 type ，也可以称为元类，而 Spam 类与之前定义的类的不同之处就在于，类名后括号内添加了参数 metaclass 来说明或指定元类，这样就利用了元类 Meta 创建了类 Spam。

总结描述：

• 类 Spam 是元类 Meta 的实例；
• 元类 Meta 实例化得到了类 Spam；

In [27]: s.__class__
Out[27]: __main__.Spam

In [28]: s.__class__.__class__
Out[28]: __main__.Meta

In [29]: s.__class__.__class__.__class__
Out[29]: type

下面做一个更详细的实例，来了解 Spam 与 Meta 之间的关系。

class Meta(type):

    def __new__(cls, name, bases, attrs):
        print("执行了元类 Meta!")
        attrs['author'] = "xiaoyang-sir"
        spam_class = super().__new__(cls, name, bases, attrs)
        print(spam_class)
        return spam_class

class Spam(metaclass=Meta):

    def __init__(self, website):
        self.website = website

print(Spam.author)

"""
Out：
    执行了元类 Meta!
    <class '__main__.Spam'>
    xiaoyang-sir

"""

从上面程序运行的的结果可以直接看出当该段程序运行的时候，虽然并没有直接实例化 Spam 类，但是由于指定了 Meta 为 Spam 类的元类 ，所以 Meta 会直接实例化 Spam 类，并且元类 Meta 的构造方法 __new__() 中定义的属性 author 已经成为了实例 Spam 类的类属性。

那么接下来将 Spam 实例化后，也就能得到想要的结果。

s = Spam('www.cnblogs.com')
print(s.website)
print(s.author)

"""
Out:
    执行了元类 Meta!
    <class '__main__.Spam'>
    www.cnblogs.com
    xiaoyang-sir
"""

四、元类实现单例模式

元类实现单例模式可以在元类中定义 __call__() 方法，__call__() 方法主要是在对象加括号被调用的时候执行 __call__() 方法中的内容。由于类是一个对象，所以在类加括号的时候就会执行元类中的__call__()方法。

class Meta(type):
    __instance = None

    def __call__(cls, *args, **kwargs):
        if not cls.__instance:
            cls.__instance = type.__call__(cls, *args, **kwargs)
        return cls.__instance

class Spam(metaclass=Meta):
    pass

x = Spam()
y = Spam()
print(x)
print(y)
print(x==y)

"""
Out:
    <__main__.Spam object at 0x00000251A51E7E50>
    <__main__.Spam object at 0x00000251A51E7E50>
    True
"""