Python中的類元編程

導語：本文章記錄了本人在學習Python基礎之元編程篇的重點知識及我的心得，打算入門Python的朋友們能夠來一塊兒學習並交流。

本文重點：

一、瞭解運行時建立類的方法——類工廠函數；
二、熟悉元類的基礎知識和使用場景；
三、瞭解元類的__prepare__的意義；
四、瞭解class的屬性以及Python解釋器如何處理導入的模塊。

類元編程是指在運行時建立或定製類的技藝。

1、類工廠函數

類是一等對象，所以任什麼時候候均可以使用函數新建類，而無需使用class關鍵字。

實例： 下面咱們寫一個簡單的類工廠函數：

def record_factory(cls_name,field_names):
    try:
        field_names=field_names.replace(',',' ').split()
    except AttributeError:
        pass
    field_names=tuple(field_names)#使用屬性名構建元組，這將成爲新的__slots__。

    def __init__(self,*args,**kwards):#經過字典解析輸入數據，而後將值賦給新建的類的屬性。
        attrs=dict(zip(self.__slots__,args))
        attrs.update(kwards)
        for key,value in attrs.items():
            setattr(self,key,value)

    def __iter__(self):#迭代特殊方法的思想在於讓解釋器查詢到屬性對應的值。
        for name in self.__slots__:
            yield getattr(self,name)#實現迭代的方法在於：經過內置getattr方法獲取已經初始化的類屬性對應的值。
    def __repr__(self):#返回一個合適的字符串。
        msg=', '.join('{}={!r}'.format(*i) for i in zip(self.__slots__,self))
        return '{}({})'.format(self.__class__.__name__,msg)

    cls_attrs=dict(__slots__=field_names,
                   __init__=__init__,
                  __iter__=__iter__,
                   __repr__=__repr__)

    return type(cls_name,(object,),cls_attrs)#使用type構造方法構建新類並返回，注意object後的逗號很重要。
animal=record_factory('animal','name,age,price')
dog=animal('dog','Bob','1000')
print(dog)#構造animal實例對象
a,b,_=dog#能夠實現預期的拆包賦值
print(a,b）

輸出：

animal(name='dog', age='Bob', price='1000')
dog Bob

type的三個參數：class type(name, bases, dict)
type最後一個參數是一個映射，指定新類的屬性名和值。

注意：在Python中作元編程時, 最好不要用 exec 和 eval 函數.。若是接接收的字符串來自不可信的源，這兩個函數會帶來嚴重的安全風險.

2、定製描述符的類裝飾器

類裝飾器：本質上是高階函數，其參數是被裝飾的類，用於審查審查、修改、甚至把被裝飾的類替換成其餘類。

類裝飾器的重大缺點：只對直接依附的類有效。即被裝飾的類的子類可能繼承也可能不繼承裝飾器所作的改動，具體狀況視改動的方式而定。

3、元類

一、基礎知識

元類：是類元編程最高級的工具：使用元類能夠建立具備某種特質的全新變種，例如抽象基類。
功能：元類是建立類的類。
特色：

• 全部類都直接或間接地是type的實例，不過只有元類同時也是type的子類。
• 具體而言，元類能夠經過實現__init__方法定製類。
• 爲了不無限回溯，type.__class是type，即type是自身的實例。

建議：除非開發框架，不然不要在生產代碼中定義元類或抽象基類。

實例：使用元類定製描述符

class EntityMeta(type):
    """Metaclass for business entities with validated fields"""

    def __init__(cls, name, bases, attr_dict):
        super().__init__(name, bases, attr_dict)  # 建立類對象。
        for key, attr in attr_dict.items():  # <2>
            if isinstance(attr, Validated):
                type_name = type(attr).__name__
                attr.storage_name = '_{}#{}'.format(type_name, key)

class Entity(metaclass=EntityMeta):  # <3>
    """Business entity with validated fields"""

二、元類的使用場景：

• 驗證屬性
• 一次把裝飾器依附到多個方法上
• 序列化對象或轉換數據
• 對象關係映射
• 基於對象的持久存儲
• 動態轉換使用其餘語言編寫爲全部類定義的方法

4、元類的特殊方法__prepare__

__prepare__的功能：知道類的屬性定義的順序。
使用場景：__prepare__只在元類中有用，並且必須聲明爲類方法（即要使用@classmethod 裝飾器定義）。
參數要求：__prepare__方法的第一個參數是元類，隨後兩個參數分別是要構建的類的名稱和基類組成的元組， 返回值必須是映射。
工做原理：元類構建新類時，解釋器會先調用__prepare__ 方法，使用類定義體中的屬性建立映射。接着把__prepare__方法返回的映射會傳給__new__ 方法的最後一個參數，而後再傳給__init__ 方法。

實例：使用__prepare__

class EntityMeta(type):
    """Metaclass for business entities with validated fields"""

    @classmethod
    def __prepare__(cls, name, bases):
        return collections.OrderedDict()  # 返回一個空的 OrderedDict 實例，類屬性將存儲在裏面。

    def __init__(cls, name, bases, attr_dict):
        super().__init__(name, bases, attr_dict)
        cls._field_names = []  # 中建立一個 _field_names 屬性
        for key, attr in attr_dict.items():
            if isinstance(attr, Validated):
                type_name = type(attr).__name__
                attr.storage_name = '_{}#{}'.format(type_name, key)
                cls._field_names.append(key)

class Entity(metaclass=EntityMeta):
    """Business entity with validated fields"""

    @classmethod
    def field_names(cls):  # field_names 類方法的做用簡單：按照添加字段的順序產出字段的名稱
        for name in cls._field_names:
            yield name

5、其餘

一、Python中的導入時和運行時

在進程中首次導入模塊時，Python解釋器還會運行所導入模塊中的所有頂層代碼。之後導入相同的模塊則使用緩存，只作名稱綁定。

對函數而言，首次導入模塊時：解釋器會執行頂層的 def 語句，編譯函數的定義體，把函數對象綁定到對應的全局名稱上，可是顯然解釋器不會執行函數的定義體。一般這意味着解釋器在導入時定義頂層函數，可是僅當在運行時調用函數時纔會執行函數的定義體。

對類而言，首次導入模塊時：解釋器會執行每一個類的定義體，甚至會執行嵌套類的定義體。執行類定義體的結果是，定義了類的屬性和方法，並構建了類對象。從這個意義上理解，類的定義體屬於「頂層代碼」，由於它在導入時運行。

二、類的屬性

class除了除__mro__、__class__、和__name__以外還有如下屬性：

• cls.__bases__：由類的基類組成的元組。
• cls.__qualname__：其值是類或函數的限定名稱，即從模塊的全局做用域到類的點分路徑。
• cls.__subclasses__()：這個方法返回一個列表，包含類的直接子類。其實現使用弱引用，防止超類和子類之間出現循環引用。這個方法返回的列表是內存裏現存的子類。
• cls.mro()：構建類時，若是須要獲取儲存在類屬性__mro__ 中的超類元組，解釋器會調用這個方法。元類能夠覆蓋這個方法，定製要構建的類解析方法的順序。