彻底理解python3 metaclass

A metaclass is a class whose instances are classes. Like an "ordinary" class defines the behavior of instancs of the class,
a metaclass defines the behavior of classes and their instances.
metaclass的实例是class, 就像普通的class定义其instance一样.
There are numberours use cases for metaclasses. Just to name a few:
* logging and profiling 日志和解析
* interface checking 接口检查
* registering classes at creation time
* automatically adding new methods 自动添加方法
* automatically propery creation 自动创建属性
* proxies 代理
* automatic resource locking/synchronization 自动资源锁和同步

metaclass内置魔力方法研究(magic method)

Principially, metaclasses are defined like any other Python class, but they are classes that inherit from type.
原则上,metaclass定义想普通类一样, 但他们继承自type.

美化输出函数,主要用于打印函数内部参数和内部变量.以下演示都将用到此函数

from tabulate import tabulate #自动输出markdown格式表格
import pandas as pd


def pprint(name, **kwargs):
    print('****')
    print('*', '```' + name + '```', 'is called\n')
    df = pd.DataFrame(kwargs.items(), columns=['param', 'value'])
    print(tabulate(df, tablefmt='pipe', headers='keys', showindex=False))
    print('****')

__init____new__

class LittleMeta(type):
    def __init__(cls, clsname, superclasses, attributedict):
        """定义一个由此元类创建的class时触发此__init__,
        相当于给class增加类属性(class的attribute),就像
        class A:
            age = 18  
        """
        cls.age = 18    
        pprint('__init__', **locals())
    def __new__(cls, clsname, superclasses, attributedict):
        attributedict['name'] = clsname + '$tom'
        pprint('__new__', **locals())
        return type.__new__(cls, clsname, superclasses, attributedict)

# 定义一个继承自str类, 并由LittleMeta创建的类
# 使用LittleMeta创建类的两种方法
#方法1
class A(str, metaclass=LittleMeta):
    pass
# 方法2
B = LittleMeta('B', (str,), {})

  • 定义A类时 __new__ is called
param value
cls <class 'main.LittleMeta'>
clsname A
superclasses (<class 'str'>,)
attributedict {'module': 'main', 'qualname': 'A', 'name': 'A$tom'}

首先LittleMeta的__new__被调用, 第一个参数是LittleMeta自己,这里的attributedict是A.__dict__, attributedict['name'] = clsname + '$tom'给类A增加
了一个name属性.


  • 定义class A时元类的 __init__ 被调用
param value
cls <class 'main.A'>
clsname A
superclasses (<class 'str'>,)
attributedict {'module': 'main', 'qualname': 'A', 'name': 'A$tom'}

这里发现attributedict里面没有age, 是因为只有元类的__new__才能直接通过设置A的attributedict的方式给A增加属性,在元类的__init__ 通过cls.attributename = value的方式增加类属性, 也就是说在类A定义之后增加到A.__dict__
可以通过print(A.__dict__) 观察


  • 函数式调用LittleMeta创建B时__new__ is called
param value
cls <class 'main.LittleMeta'>
clsname B
superclasses (<class 'str'>,)
attributedict {'name': 'B$tom'}


  • 函数式调用LittleMeta创建B时__init__ is called
param value
cls <class 'main.B'>
clsname B
superclasses (<class 'str'>,)
attributedict {'name': 'B$tom'}

__call__

class LittleMeta(type):
    def __init__(cls, clsname, superclasses, attributedict):
        pprint('__init__', **locals())
    def __new__(cls, clsname, superclasses, attributedict):
        attributedict['name'] = clsname + '$tom'
        pprint('__new__', **locals())
        return type.__new__(cls, clsname, superclasses, attributedict)

    def __call__(cls, *args, **kwargs):
        """when the instance of LittleMeta is called, in other words,
        class is instantiate, e.g. a = A(),
        this magic method __call__ is called, bind `run` method to cls:A
        当元类的实例被调用, 也就是classA被实例化的时候触发.
        这里当class A被实例化的时候增加一个run方法.联想class的```__call__```使得其 
        实例可以被调用.
        """
        cls.run = lambda self, x: print(f'{self} run {x} meters')
        pprint('__call__', **locals())
        return super().__call__(*args, **kwargs)

class S:
    pass

class A(S, metaclass=LittleMeta):
    pass
print(A.__dict__)
a = A() # trigger LittleMeta's __call__, 此时才给A绑定一个run方法
a.run(88)
print(A.__dict__)

  • __new__ is called
param value
cls <class 'main.LittleMeta'>
clsname A
superclasses (<class 'main.S'>,)
attributedict {'module': 'main', 'qualname': 'A', 'name': 'A$tom'}


  • __init__ is called
param value
cls <class 'main.A'>
clsname A
superclasses (<class 'main.S'>,)
attributedict {'module': 'main', 'qualname': 'A', 'name': 'A$tom'}

{'module': 'main', 'name': 'A$tom', 'doc': None}


  • __call__ is called
param value
cls <class 'main.A'>
args ()
kwargs {}
class <class 'main.LittleMeta'>

<main.A object at 0x7f41e4e694e0> run 88 meters
{'module': 'main', 'name': 'A$tom', 'doc': None, 'run': <function LittleMeta.call.<locals>.<lambda> at 0x7f41d4ef2ae8>}

此时新增了一个run方法


Creating instance cache using metaclass(使用元类实现实例缓存)

class InstCache(type):
    _instances = {}  #元类属性
    def __call__(cls, *args, **kwargs):
        _kw = dict(sorted(kwargs.items()))
        _key = (*args, *_kw.values())
        if _key not in cls._instances:
            cls._instances[_key] = super().__call__(*args, **kwargs)
            #  cls._instances[_key] = type.__call__(cls, *args, **kwargs)
        pprint('__call__', **locals())
        return cls._instances[_key]

class S(metaclass=InstCache):
    def __init__(self, name, age=18):
        self.name = name
        self.age = age

x = S('tom', 19)
y = S('tom', age=19)
print(x, y, x is y)

  • __call__ is called
param value
cls <class 'main.S'>
args ('tom', 19)
kwargs {}
_kw {}
_key ('tom', 19)
class <class 'main.InstCache'>

  • __call__ is called
param value
cls <class 'main.S'>
args ('tom',)
kwargs {'age': 19}
_kw {'age': 19}
_key ('tom', 19)
class <class 'main.InstCache'>

<main.S object at 0x7fc356f557b8> <main.S object at 0x7fc356f557b8> True

Creating instance cache using inhrit(继承实现实例缓存)

class InstCache(object):
    _instances = {}
    def __new__(cls, *args, **kwargs):
        """"实例创建时触发
        """
        _kw = dict(sorted(kwargs.items()))
        _key = (*args, *_kw.values())
        if _key not in cls._instances:
            cls._instances[_key] = super().__new__(cls)
            #  cls._instances[_key] = object.__new__(cls)
        return cls._instances[_key]

class S(InstCache):
    def __init__(self, name, age=18):
        self.name = name
        self.age = age

x = S('tom', 19)
y = S('tom', age=19)
print(x is y)

output

True

只要实例参数的值一致

The "count calls" metaclass 类方法调用次数的元类

from functools import wraps

class FuncCalls(type):
    @staticmethod
    def call_counter(func):
        @wraps(func)
        def wrapper(*args, **kwargs):
            wrapper.calls += 1
            return func(*args, **kwargs)
        wrapper.calls = 0
        return wrapper

    def __new__(cls, clsname, superclasses, attributedict):
        for attr, value in attributedict.items():
            if callable(value) and not attr.startswith('__'):
                value = cls.call_counter(value)  #相当于装饰器
                attributedict[attr] = value
        return super().__new__(cls, clsname, superclasses, attributedict)

class A(metaclass=FuncCalls):
    def foo(self):
        pass

a = A()
a.foo()
print(a.foo.calls)
a.foo()
print(a.foo.calls)
# output
1
2

参考:https://www.python-course.eu/python3_metaclasses.php

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