元類與面向切麵編程

来源:http://www.cnblogs.com/linxiyue/archive/2017/12/15/8030604.html
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元類 在 Python中，實例對象是由類生成的，而類本身也是可以被傳遞和自省的對象。那麼類對象是用什麼創建和生成的呢？答案是元類，元類就是一種知道如何創建和管理類的對象。 讓我們回顧一個內置函數type()，type不僅可以返回對象的類型，而且可以使用類名稱、基類元組、類主體定義的字典作為參數來創建 ...


元類

在 Python中，實例對象是由類生成的，而類本身也是可以被傳遞和自省的對象。那麼類對象是用什麼創建和生成的呢？答案是元類，元類就是一種知道如何創建和管理類的對象。

讓我們回顧一個內置函數type()，type不僅可以返回對象的類型，而且可以使用類名稱、基類元組、類主體定義的字典作為參數來創建一個新類對象：

>>> Foo = type('Foo',(object,),{'foo':lambda self:'foo'})
>>> Foo
<class '__main__.Foo'>
>>> type(Foo)
<type 'type'>

實際上，新型類的預設元類就是type，類可以用__metaclass__類變數顯示的指定元類，上述代碼功能與下述相同：

class Foo():
    __metaclass__ = type

    def foo(self):
        return 'foo'

如果沒有顯式的指定元類，class語句會檢查基類元組中的第一個基類的元類，比如新型類都是繼承object類的，所以新型類與object類的元類相同，為type，繼承object而不顯式的指定元類：

class Foo(object):
    def foo(self):
        return 'foo'

如果沒有指定基類，class語句會檢查全局變數__metaclass__，如果沒有找到__metaclass__值，Python會使用預設的元類。

在python 2中，預設的元類是types.ClassType，就是所謂的舊樣式類。python2.2以後已不提倡使用，比如不指定元類並且不繼承object基類：

class Foo():
    def foo(self):
        return 'foo'

>>> import types
>>> isinstance(Foo, types.ClassType)
True

python 3以後，預設的元類皆為type了，顯式定義元類的時候需要在基類元組中提供metaclass關鍵字，class Foo(metaclass=type)如此定義。

 使用元類的時候，一般會自定義一個繼承自type的子類，並重新實現__init__()與__new__()方法：

class ExampleType(type):
    def __new__(cls, name, bases, dct):
        print 'create class %s'%name
        return type.__new__(cls, name, bases, dct)

    def __init__(cls, name, bases, dct):
        print 'Init class %s'%name
        type.__init__(cls, name, bases, dct)

class Foo(object):
    __metaclass__ = ExampleType

>>> 
create class Foo
Init class Foo
>>> Foo
<class '__main__.Foo'>

可見，使用class語句定義類後，元類就使用傳遞給元類的類名稱、基類元組和類方法字典創建類。

因為元類創建的實例是類對象，所以__init__方法的第一個參數按慣例寫為cls，其實與self功能相同。

面向切麵編程

在運行時，動態地將代碼切入到類的指定方法、指定位置上的編程稱為面向切麵的編程(AOP)。

簡單地說，如果不同的類要實現相同的功能，可以將其中相同的代碼提取到一個切片中，等到需要時再切入到對象中去。這些相同的代碼片段稱為切麵，而切入到哪些類、哪些方法則叫切入點。

比如，要為每個類方法記錄日誌，在python中一個可行的方法是使用裝飾器：

def trace(func):
    def callfunc(self, *args, **kwargs):
        debug_log = open('debug_log.txt', 'a')
        debug_log.write('Calling %s: %s ,%s\n'%(func.__name__, args, kwargs))
        result = func(self, *args, **kwargs)
        debug_log.write('%s returned %s\n'%(func.__name__, result))
        debug_log.close()
        return result
    return callfunc

def logcls(cls):
    for k, v in cls.__dict__.items():
        if k.startswith('__'):
            continue
        if not callable(v):
            continue
        setattr(cls, k, trace(v))
    return cls

@logcls
class Foo(object):
    num = 0

    def spam(self):
        Foo.num += 1
        return Foo.num

另外一個可行的方法就是使用元類了：

def trace(func):
    def callfunc(self, *args, **kwargs):
        debug_log = open('debug_log.txt', 'a')
        debug_log.write('Calling %s: %s ,%s\n'%(func.__name__, args, kwargs))
        result = func(self, *args, **kwargs)
        debug_log.write('%s returned %s\n'%(func.__name__, result))
        debug_log.close()
        return result
    return callfunc


class LogMeta(type):
    def __new__(cls, name, bases, dct):
        for k, v in dct.items():
            if k.startswith('__'):
                continue
            if not callable(v):
                continue
            dct[k] = trace(v)
        return type.__new__(cls, name, bases, dct)


class Foo(object):
    __metaclass__ = LogMeta
    num = 0

    def spam(self):
        Foo.num += 1
        return Foo.num

元類的一個主要用途就是檢查收集或者更改類定義的內容，包括類屬性、類方法、描述符等等。

元類與基類

元類中除了可以定義__init__和__new__方法外，還可以定義其它的屬性和方法：

class ExaMeta(type):
    name = 'ExaMeta'
    def get_cls_name(cls):
        print cls.__name__


class Foo(object):
    __metaclass__ = ExaMeta

那麼，類可不可以訪問元類定義的方法和屬性呢？

>>> Foo.get_cls_name()
Foo
>>> Foo.name
'ExaMeta'

這很好理解，類Foo是元類的一個實例，在實例的__dict__中查找不到要查詢的屬性時，就會到實例所屬的類字典中去查找，而元類正是定義類Foo的類。

可以再嘗試下使用類Foo的實例去訪問元類的屬性或者方法：

>>> Foo().get_cls_name()
AttributeError: 'Foo' object has no attribute 'get_cls_name'
>>> Foo().name
AttributeError: 'Foo' object has no attribute 'name'

顯然不能訪問。

查找一個不與實例關聯的屬性時，即先在實例的類中查找，然後再在從所有的基類中查找，查找的順序可以用__mro__屬性查看：

>>> Foo.__mro__
(<class '__main__.Foo'>, <type 'object'>)

元類並不在其中，畢竟，類與元類不是繼承關係，而是實例與類的創造關係。

元類屬性的可用性是不會傳遞的，也就是說，元類的屬性是對它的類實例是可用的，但是對它的類實例的實例是不可用的，這正是元類與基類的主要不同。

有時候，一個類會同時有元類和基類：

class M(type):
    name = 'M'

class B(object):
    name = 'B'

class A(B):
    __metaclass__ = M

屬性訪問是這樣的：

>>> A.name
'B'
>>> A().name
'B'

可見類會先到繼承的基類中去查找屬性。

元類衝突

假如有兩個不同元類的類，要生成一個繼承這兩個類的子類，會產生什麼情況呢？

class MA(type):
    pass

class A(object):
    __metaclass__ = MA

class MB(type):
    pass

class B(object):
    __metaclass__ = MB

class C(A, B):
    pass

結果會報錯，提示元類衝突：

TypeError: Error when calling the metaclass bases
    metaclass conflict: the metaclass of a derived class must be a (non-strict) subclass of the metaclasses of all its bases

我們需要手動構造新子類的元類，讓新子類的元類繼承自A和B的元類：

class MC(MA, MB):
    pass

class C(A, B):
    __metaclass__ = MC

　　


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