Python “黑魔法” 之 Meta Classes

LeoHsiun 發布于2019-07-24 18:26 / 2070人閱讀

摘要：幸而，提供了造物主的接口這便是，或者稱為元類。接下來我們將通過一個栗子感受的黑魔法，不過在此之前，我們要先了解一個語法糖。此外，在一些小型的庫中，也有元類的身影。

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接觸過 Django 的同學都應該十分熟悉它的 ORM 系統。對于 python 新手而言，這是一項幾乎可以被稱作“黑科技”的特性：只要你在models.py中隨便定義一個Model的子類，Django 便可以：

獲取它的字段定義，并轉換成表結構

讀取Meta內部類，并轉化成相應的配置信息。對于特殊的Model（如abstract、proxy），還要進行相應的轉換

為沒有定義objects的Model加上一個默認的Manager

開發之余，我也曾腦補過其背后的原理。曾經，我認為是這樣的：

啟動時，遍歷models.py中的所有屬性，找到Model的子類，并對其進行上述的修改。

當初，我還以為自己觸碰到了真理，并曾將其應用到實際生產中——為 SAE 的 KVDB 寫了一個類 ORM 系統。然而在實現的過程中，我明顯感受到了這種方法的丑陋，而且性能并不出色（因為要遍歷所有的定義模塊）。

那么事實上，Django 是怎么實現的呢？

自古以來我們制造東西的方法都是“自上而下”的，是用切削、分割、組合的方法來制造。然而，生命是自下而上地，自發地建造起來的，這個過程極為低廉。
——王晉康《水星播種》

這句話揭示了生命的神奇所在：真正的生命都是由基本物質自發構成的，而非造物主流水線式的加工。

那么，如果類也有生命的話，對它自己的修飾就不應該由調用者來完成，而應該是自發的。

幸而，python 提供了造物主的接口——這便是 Meta Classes，或者稱為“元類”。

元類是什么？

簡單說：元類就是類的類。

首先，要有一個概念：

python 中，一切都是對象。

沒錯，一切，包括類本身。

既然，類是對象，對象是類的實例，那么——類也應該有類才對。

類的類：type

在 python 中，我們可以用type檢測一個對象的類，如：

print type(1) #

如果對一個類操作呢？

print type(int) # 

class MyClass(object): pass

print type(MyClass) # 

print type(type) #

這說明：type其實是一個類型，所有類——包括type自己——的類都是type。

type 簡介

從官方文檔中，我們可以知道：

和 dict 類似，type 也是一個工廠構造函數，調用其將返回一個type類型的實例（即類）。

type 有兩個重載版本：

type(object)，即我們最常用的版本。

type(name, bases, dict)，一個更強大的版本。通過指定類名稱（name）、父類列表（bases）和屬性字典（dict）動態合成一個類。

下面兩個語句等價：

class Integer(int):

   name = "my integer"

   def increase(self, num):
       return num + 1

    # -------------------

    Integer = type("Integer", (int, ), {
   "name": "my integer",
   "increase": lambda self, num: 
                   num + 1    # 很酷的寫法，不是么
    })

也就是說：類的定義過程，其實是type類型實例化的過程。

然而這和修飾一個已定義的類有什么關系呢？

當然有啦～既然“類的定義”就是“type類型的初始化過程”，那其中必定會調用到type的構造函數(__new__() 或 __init__())。只要我們繼承 type類并修改其 __new__函數，在這里面動手腳就可以啦。

接下來我們將通過一個栗子感受 python 的黑魔法，不過在此之前，我們要先了解一個語法糖。

__metaclass__ 屬性

有沒覺得上面第二段示例有些鬼畜呢？它勒令程序員將類的成員寫成一個字典，簡直是反人類。如果我們真的是要通過修改元類來改變類的行為的話，似乎就必須采用這種方法了～～簡直可怕～～

好在，python 2.2 時引進了一個語法糖：__metaclass__。

class Integer(int):

    __metaclass__ = IntMeta

現在將會等價于：

Integer = IntMeta("Integer", (int, ), {})

由此一來，我們在使用傳統類定義的同時，也可以使用元類啦。

栗子：子類凈化器

需求描述

你是一個有語言潔癖的開發者，平時容不得別人講一句臟話，在開發時也是如此。現在，你寫出了一個非常棒的框架，并馬上要將它公之于眾了。不過，你的強迫癥又犯了：如果你的使用者在代碼中寫滿了臟話，怎么辦？豈不是玷污了自己的純潔？

假如你就是這個喪心病狂的開發者，你會怎么做？

在知道元類之前，你可能會無從下手。不過，這個問題你可以用元類輕松解決——只要在類定義時過濾掉不干凈的字眼就好了（百度貼吧的干活～～）。

我們的元類看起來會是這樣的：

sensitive_words_list = ["asshole", "fuck", "shit"]

def detect_sensitive_words(string):
    """檢測敏感詞匯"""
    words_detected = filter(lambda word: word in string.lower(), sensitive_words_list)

    if words_detected:
        raise NameError("Sensitive words {0} detected in the string "{1}"." 
            .format(
                ", ".join(map(lambda s: ""%s"" % s, words_detected)),
                string
            )
        )

class CleanerMeta(type):

    def __new__(cls, class_name, bases, attrs):
        detect_sensitive_words(class_name) # 檢查類名
        map(detect_sensitive_words, attrs.iterkeys()) # 檢查屬性名

        print "Well done! You are a polite coder!" # 如無異常，輸出祝賀消息

        return super(CleanerMeta, cls).__new__(cls, class_name, bases, attrs)
        # 重要！這行一定不能漏！！這回調用內建的類構造器來構造類，否則定義好的類將會變成 None

現在，只需這樣定義基類：

class APIBase(object):

    __metaclass__ = CleanerMeta

    # ...

那么所有 APIBase 的派生類都會接受安全審查（奸笑～～）：

class ImAGoodBoy(APIBase):

    a_polite_attribute = 1

# [Output] Well done! You are a polite coder!

class FuckMyBoss(APIBase):

    pass

# [Output] NameError: Sensitive words "fuck" detected in the string "FuckMyBoss".

class PretendToBePolite(APIBase):

    def __fuck_your_asshole(self):
        pass

# [Output] NameError: Sensitive words "asshole", "fuck" detected in the string "_PretendToBePolite__fuck_your_asshole".

看，即使像最后一個例子中的私有屬性也難逃審查，因為它們本質都是相同的。

甚至，你還可以對有問題的屬性進行偷偷的修改，比如讓不文明的函數在調用時打出一行警告等等，這里就不多說了。

元類在實際開發中的應用

日常開發時，元類常用嗎？

當然，Django 的 ORM 就是一個例子，大名鼎鼎的 SQLAlchemy 也用了這種黑魔法。

此外，在一些小型的庫中，也有元類的身影。比如 abc（奇怪的名字～～）——這是 python 的一個內建庫，用于模擬抽象基類（Abstract Base Classes）。開發者可以使用 abc.abstractmethod 裝飾器，將指定了 __metaclass__ = abc.ABCMeta 的類的方法定義成抽象方法，同時這個類也成了抽象基類，抽象基類是不可實例化的。這便實現了對抽象基類的模擬。

倘若你也有需要動態修改類定義的需求，不妨也試試這種“黑魔法”。

小結

類也是對象，所有的類都是type的實例

元類（Meta Classes）是類的類

__metaclass__ = Meta 是 Meta(name, bases, dict) 的語法糖

可以通過重載元類的 __new__ 方法，修改類定義的行為

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