一、元类的基本概念

元类(metaclass)：用于创建类的类。

这个定义可能有些抽象，让我们逐步解析：

在大多数编程语言中，类是一组用于描述如何生成对象的代码结构，Python也不例外。

实例对象是由类创建的，而在Python中，类本身也是可以传递和自省的对象。

那么，类对象是由什么创建的呢？答案是元类。<strong>元类是一种知道如何创建和管理类的对象，也可以称为类生成器。</strong>

所有对象都是通过实例化类或调用类得到的（调用类的过程称为类的实例化）。Python提供了一个内置方法来查看类对象的类，那就是<strong>type</strong>**：

查看对象的类型：

查看类的类型

结果为<class 'type'>，证明是调用了type这个元类而产生的StanfordTeacher，即默认的元类为type，这是否让你感到意外？

由此我们可以推导出：

二、class关键字创建类的内部机制

基于Python中一切皆对象的概念，我们可以分析出：使用class关键字定义的类本身也是一个对象，负责创建该对象的类称为元类（元类可简称为类的类），Python内置的元类是type

class关键字在创建类时，必然调用了元类StanfordTeacher=type(...)，那么调用type时传入的参数是什么呢？必然是类的关键组成部分，一个类由三大要素组成：

1、类名class_name='StanfordTeacher'

2、基类们class_bases=(object,)

3、类的名称空间class_dic，类的名称空间是执行类体代码而得到的

调用type时会依次传入以上三个参数

type可以接受一个类的描述作为参数，然后返回一个类。type的工作方式如下：

type(类名, 由父类名称组成的元组（针对继承的情况，可以为空），包含属性的字典（名称和值）)

例如下面的代码：

可以手动这样创建：

那么class关键字底层具体做了什么？

<strong># 1、先获取类名</strong>
class_name = "StanfordTeacher"

<strong># 2、获取类的父类
</strong>class_bases = (object,)

<strong># 3、执行类体代码，将产生的名字放入名称空间
</strong>class_dic = {}
class_body = """
school = 'oldboy'

def __init__(self, name, age):
    self.name = name
    self.age = age

def say(self):
    print('%s says welcome to the oldboy to learn Python' % self.name)
"""<br></br>
exec(class_body, {}, class_dic)
# print(class_dic)

<strong># 4、调用元类（传入类的三大要素：类名、基类、类的名称空间）得到一个元类的对象，然后将该对象赋值给变量名StanfordTeacher，StanfordTeacher就是我们用class自定义的那个类
</strong>StanfordTeacher = type(class_name, class_bases, class_dic)

综上，class关键字创建一个类的过程可分为以下四个步骤

三、元类的本质

元类就是用来创建类的"工具"。你创建类是为了创建类的实例对象，不是吗？但我们已经了解到Python中的类也是对象。

元类就是用来创建这些类（对象）的，元类就是类的类，可以这样理解：

<strong>MyClass = MetaClass() #使用元类创建出一个对象，这个对象称为"类"
MyObject = MyClass() #使用"类"来创建出实例对象
</strong>

你已经看到type可以这样使用：

<strong>MyClass = type('MyClass', (), {})
</strong>

这是因为函数type实际上是一个元类。type是Python在背后用来创建所有类的元类。type就是创建类对象的类。你可以通过检查__class__属性来看到这一点。Python中的一切，注意，我是指一切——都是对象。这包括整数、字符串、函数以及类。它们全部都是对象，而且它们都是从类创建而来，这个类就是type。

四、通过自定义元类控制类的创建

一个类没有声明自己的元类，默认它的元类就是type，除了使用内置元类type，我们也可以通过继承type来自定义元类，然后使用metaclass关键字参数为一个类指定元类

class CustomMeta(type): <strong>#只有继承了type类才能称之为一个元类，否则就是一个普通的自定义类</strong>
    pass

# StanfordTeacher=CustomMeta('StanfordTeacher',(object),{...})
class StanfordTeacher(object, metaclass=CustomMeta): 
    school='Stanford'

    def __init__(self, name, age):
        self.name=name
        self.age=age

    def say(self):
        print('%s says welcome to the Stanford to learn Python' %self.name)

自定义元类可以控制类的创建过程，类的创建过程其实就是元类的调用过程，即

StanfordTeacher=CustomMeta('StanfordTeacher',(object),{...}),

调用CustomMeta会先产生一个空对象StanfordTeacher，

然后连同调用CustomMeta括号内的参数一同传给CustomMeta下的__init__方法，完成初始化，　　

于是我们可以自定义元类来控制StanfordTeacher类的创建：如下示例

1.自定义元类来控制StanfordTeacher类的创建

import re

class CustomMeta(type):  # 只有继承了type类的类才是自定义的元类
    def __init__(self, class_name, class_bases, class_dic):
        # print(self)  # 类<class '__main__.StanfordTeacher'>
        # print(class_name)
        # print(class_bases)
        # print(class_dic)

        if not re.match("[A-Z]", class_name):
            raise BaseException("类名必须使用驼峰命名法")

        if len(class_bases) == 0:
            raise BaseException("至少继承一个父类")

        # print("文档注释：",class_dic.get('__doc__'))
        doc=class_dic.get('__doc__')

        if not (doc and len(doc.strip()) > 0):
            raise BaseException("必须要有文档注释，并且注释内容不能为空")

# StanfordTeacher = CustomMeta("StanfordTeacher",(object,),{...})
class StanfordTeacher(object, metaclass=CustomMeta):
    """
    adsaf
    """

    school = 'oldboy'

    def __init__(self, name, age):
        self.name = name
        self.age = age

    def say(self):
        print('%s says welcome to the oldboy to learn Python' % self.name)

自定义元类来控制StanfordTeacher类的调用:

预备知识：__call__

class DemoClass:
    def __call__(self, *args, **kwargs):
        print(self)
        print(args)
        print(kwargs)

obj=DemoClass()
#<strong>1、要让obj这个对象变成可调用对象，需要在该对象的类中定义__call__方法，该方法会在调用对象时自动触发</strong>
#2、调用obj的返回值就是__call__方法的返回值
res=obj(1,2,3,x=1,y=2)

由上例可知，调用一个对象，就是触发对象所在类中的__call__方法的执行，如果把StanfordTeacher也当作一个对象，那么在StanfordTeacher这个对象的类中也必然存在一个__call__方法

class CustomMeta(type): #只有继承了type类才能称之为一个元类，否则就是一个普通的自定义类
    def __call__(self, *args, **kwargs):
        print(self) #<class '__main__.StanfordTeacher'>
        print(args) #('lili', 18)
        print(kwargs) #{}
        return 123

class StanfordTeacher(object, metaclass=CustomMeta):
    school='Stanford'

    def __init__(self, name, age):
        self.name=name
        self.age=age

    def say(self):
        print('%s says welcome to the Stanford to learn Python' %self.name)



<strong># 调用StanfordTeacher就是在调用StanfordTeacher类中的__call__方法
# 然后将StanfordTeacher传给self,溢出的位置参数传给*，溢出的关键字参数传给**
# 调用StanfordTeacher的返回值就是调用__call__的返回值</strong>
t1=StanfordTeacher('lili',18)
print(t1) #123

默认情况下，调用t1=StanfordTeacher('lili',18)会做三件事:

1、产生一个空对象obj

2、调用__init__方法初始化对象obj

3、返回初始化好的obj

对应地，StanfordTeacher类中的__call__方法也应该做这三件事:

class CustomMeta(type): #只有继承了type类才能称之为一个元类，否则就是一个普通的自定义类
    def __call__(self, *args, **kwargs): #self=<class '__main__.StanfordTeacher'>
        #1、调用__new__产生一个空对象obj
        obj=self.__new__(self) # 此处的self是类StanfordTeacher，必须传参，代表创建一个StanfordTeacher的对象obj

        #2、调用__init__初始化空对象obj
        self.__init__(obj,*args,**kwargs)

        #3、返回初始化好的对象obj
        return obj

class StanfordTeacher(object, metaclass=CustomMeta):
    school='Stanford'

    def __init__(self, name, age):
        self.name=name
        self.age=age

    def say(self):
        print('%s says welcome to the Stanford to learn Python' %self.name)

t1=StanfordTeacher('lili',18)
print(t1.__dict__) #{'name': 'lili', 'age': 18}

上例的__call__相当于一个模板，我们可以在该基础上改写__call__的逻辑从而控制调用StanfordTeacher的过程，比如将StanfordTeacher的对象的所有属性都变成私有的

import re


class CustomMeta(type):  # 只有继承了type类的类才是自定义的元类
    def __init__(self, class_name, class_bases, class_dic):
        # print(self)  # 类<class '__main__.StanfordTeacher'>
        # print(class_name)
        # print(class_bases)
        # print(class_dic)

        if not re.match("[A-Z]", class_name):
            raise BaseException("类名必须使用驼峰命名法")

        if len(class_bases) == 0:
            raise BaseException("至少继承一个父类")

        # print("文档注释：",class_dic.get('__doc__'))
        doc = class_dic.get('__doc__')

        if not (doc and len(doc.strip()) > 0):
            raise BaseException("必须要有文档注释，并且注释内容不能为空")

    # res = StanfordTeacher('egon',18)
    def __call__(self, *args, **kwargs):
        # 1、先创建一个老师的空对象
        teacher_obj = object.__new__(self)
        # 2、调用老师类内的__init__函数，然后将老师的空对象连同括号内的参数一同传给__init__
        self.__init__(teacher_obj, *args, **kwargs)
        teacher_obj.__dict__ = {"_%s__%s" %(self.__name__,k): v for k, v in teacher_obj.__dict__.items()}

        # 3、将初始化好的老师对象赋值给变量名res
        return teacher_obj


# StanfordTeacher = CustomMeta("StanfordTeacher",(object,),{...})
class StanfordTeacher(object, metaclass=CustomMeta):
    """
    adsaf
    """

    school = 'oldboy'

    #            teacher_obj,'egon',18
    def __init__(self, name, age):
        self.name = name  # teacher_obj.name='egon'
        self.age = age  # teacher_obj.age=18

    def say(self):
        print('%s says welcome to the oldboy to learn Python' % self.name)


res = StanfordTeacher('egon', 18)
print(res.__dict__)
# print(res.name)
# print(res.age)
# print(res.say)

# 调用StanfordTeacher类做的事情：
<strong># 1、先创建一个老师的空对象
# 2、调用老师类内的__init__方法，然后将老师的空对象连同括号内的参数一同传给__init__
# 3、将初始化好的老师对象赋值给变量名res
</strong>

最后说明一点

class CustomMeta(type): #只有继承了type类才能称之为一个元类，否则就是一个普通的自定义类
    n=444

    def __new__(cls, *args, **kwargs):
        obj=type.__new__(cls,*args,**kwargs) # 必须按照这种传值方式
        print(obj.__dict__)
        # return obj # 只有在返回值是type的对象时，才会触发下面的__init__
        return 123

    def __init__(self,class_name,class_bases,class_dic):
        print('run。。。')


class StanfordTeacher(object, metaclass=CustomMeta): #StanfordTeacher=CustomMeta('StanfordTeacher',(object),{...})
    n=111

    school='Stanford'

    def __init__(self,name,age):
        self.name=name
        self.age=age

    def say(self):
        print('%s says welcome to the Stanford to learn Python' %self.name)


print(type(CustomMeta)) #<class 'type'>
# 产生类StanfordTeacher的过程就是在调用CustomMeta，而CustomMeta也是type类的一个对象，那么CustomMeta之所以可以调用，一定是在元类type中有一个__call__方法
# 该方法中同样需要做至少三件事：
# class type:
#     def __call__(self, *args, **kwargs): #self=<class '__main__.CustomMeta'>
#         obj=self.__new__(self,*args,**kwargs)  # 产生CustomMeta的一个对象
#         self.__init__(obj,*args,**kwargs) 
#         return obj

五、元类冲突

假设有两个不同的元类，要创建一个继承这两个类的子类，会发生什么情况呢？

这时会报错，出现元类冲突。

我们需要手动构造新的子类元类，让新的子类元类继承自A和B的元类：

六、元类的应用场景

使用元类编程前，我们需要了解其缺点：

实现复杂
代码可读性不高
不易维护

实际上，Tim Peters的名言就说明了这一点，不要在生产代码中随意使用元类，而且现有的编码规范也不推荐使用。

就元类本身而言，它的作用是：

拦截类的创建
修改类
返回修改后的类

意图更加明确。当然你的metaclass名称要起好
面向对象。可以隐式继承到子类
可以更好地组织代码
可以使用__new__，__init__,__call__等方法更好地控制

七、Python中__call__,__new__,__init__三者的关系

在类实例化的过程中，哪个对象加()就寻找产生这个对象的类的__call__方法，只要是__call__方法，一定会做三件事：

第一：调用__new__方法，构造新的对象，相当于其他语言中的构造函数。（对象自己的__new__）

第二：调用__init__方法,去初始化这个对象（对象自己的__init__）

第三：返回这个对象.

注意:__new__更像是其他语言中的构造函数，必须有返回值，返回实例化的对象，__init__只是初始化构造函数，必须没有返回值，仅用于初始化功能，不能创建对象。

也就是说,一个类在实例化时实际上是做了三件事：

第一：触发元类中（创建这个类的类）的__call__方法

第二：通过__new__产生一个空对象

第三：通过__init__初始化这个对象

第四：返回这个对象

类在实例化对象时的函数调用顺序依次是:

__call__==>__new__==>__init__

八、练习：

1、在元类中控制把自定义类的数据属性都变成大写

class UpperAttrMeta(type):
    def __new__(cls,name,bases,attrs):
        updated_attrs={}
        for k,v in attrs.items():
            if not callable(v) and not k.startswith('__'):
                updated_attrs[k.upper()]=v
            else:
                updated_attrs[k]=v
        return type.__new__(cls,name,bases,updated_attrs)

class Chinese(metaclass=UpperAttrMeta):
    country='China'
    tag='Legend of the Dragon' #龙的传人
    def walk(self):
        print('%s is walking' %self.name)


print(Chinese.__dict__)
'''
{'__module__': '__main__',
 'COUNTRY': 'China', 
 'TAG': 'Legend of the Dragon',
 'walk': <function Chinese.walk at 0x0000000001E7B950>,
 '__dict__': <attribute '__dict__' of 'Chinese' objects>,                                         
 '__weakref__': <attribute '__weakref__' of 'Chinese' objects>,
 '__doc__': None}
'''

2、在元类中控制自定义的类不使用__init__方法完成以下

​1.元类帮其完成创建对象，以及初始化操作；

2.要求实例化时传参必须为关键字形式，否则抛出异常TypeError: must use keyword argument

3.key作为用户自定义类产生对象的属性，且所有属性变成大写

class KeywordOnlyMeta(type):
    def __call__(self, *args, **kwargs):
        if args:
            raise TypeError('必须使用关键字参数')
        obj = object.__new__(self) #创建对象，self为类Chinese

        for k,v in kwargs.items():
            obj.__dict__[k.upper()]=v
        return obj

class Chinese(metaclass=KeywordOnlyMeta):
    country='China'
    tag='Legend of the Dragon' #龙的传人
    def walk(self):
        print('%s is walking' %self.name)


p=Chinese(name='lili',age=18,sex='male')
print(p.__dict__)

3、在元类中控制自定义的类产生的对象相关的属性全部为隐藏属性

class PrivateAttrMeta(type):
    def __init__(self,class_name,class_bases,class_dic):
        #控制类Chinese的创建
        super(PrivateAttrMeta,self).__init__(class_name,class_bases,class_dic)

    def __call__(self, *args, **kwargs):
        #控制Chinese的调用过程，即Chinese对象的产生过程
        obj = self.__new__(self)
        self.__init__(obj, *args, **kwargs)
        obj.__dict__={'_%s__%s' %(self.__name__,k):v for k,v in obj.__dict__.items()}

        return obj

class Chinese(object, metaclass=PrivateAttrMeta):  # Chinese=PrivateAttrMeta(...)
    def __init__(self, name, age,sex):
        self.name=name
        self.age=age
        self.sex=sex


obj=Chinese('lili',18,'male')
print(obj.__dict__)

4、基于元类实现单例模式

# 单例：即单个实例，指的是同一个类实例化多次的结果指向同一个对象，用于节省内存空间
# 如果我们从配置文件中读取配置来进行实例化，在配置相同的情况下，就没必要重复产生对象浪费内存了
#config.py文件内容如下
HOST='1.1.1.1'
PORT=3306　　

方式一:定义一个类方法实现单例模式

import config

class Database:
    __instance=None
    def __init__(self,host,port):
        self.host=host
        self.port=port

    @classmethod
    def singleton(cls):
        if not cls.__instance:
            cls.__instance=cls(config.HOST,config.PORT)
        return cls.__instance

obj1=Database('1.1.1.2',3306)
obj2=Database('1.1.1.3',3307)
print(obj1 is obj2) #False

obj3=Database.singleton()
obj4=Database.singleton()
print(obj3 is obj4) #True

方式二：定制元类实现单例模式

import config

class SingletonMeta(type):
    def __init__(self,name,bases,dic): #定义类Database时就触发
        # 事先先从配置文件中取配置来造一个Database的实例出来
        self.__instance = object.__new__(self)  # 产生对象
        self.__init__(self.__instance, config.HOST, config.PORT)  # 初始化对象

    def __call__(self, *args, **kwargs): #Database(...)时触发
        if args or kwargs: # args或kwargs内有值
            obj=object.__new__(self)
            self.__init__(obj,*args,**kwargs)
            return obj
        return self.__instance

class Database(metaclass=SingletonMeta):
    def __init__(self,host,port):
        self.host=host
        self.port=port

obj1=Database() # 没有传值则默认从配置文件中读配置来实例化，所有的实例应该指向一个内存地址
obj2=Database()
obj3=Database()
print(obj1 is obj2 is obj3)
obj4=Database('1.1.1.4',3307)

方式三:定义一个装饰器实现单例模式

import config

def singleton(cls): #cls=Database
    _instance=cls(config.HOST,config.PORT)

    def wrapper(*args,**kwargs):
        if args or kwargs:
            obj=cls(*args,**kwargs)
            return obj
        return _instance
    return wrapper


@singleton # Database=singleton(Database)
class Database:
    def __init__(self,host,port):
        self.host=host
        self.port=port

obj1=Database()
obj2=Database()
obj3=Database()
print(obj1 is obj2 is obj3) #True

obj4=Database('1.1.1.3',3307)
obj5=Database('1.1.1.4',3308)
print(obj3 is obj4) #False　　

参考来源：https://zhuanlan.zhihu.com/p/109336845