什么是元編程？Python元編程知識(shí)總結(jié)！

一、前言

首先說(shuō)，Python中一切皆對(duì)象，老生常談。還有，Python提供了許多特殊方法、元類等等這樣的“元編程”機(jī)制。像給對(duì)象動(dòng)態(tài)添加屬性方法之類的，在Python中根本談不上是“元編程”，但在某些靜態(tài)語(yǔ)言中卻是需要一定技巧的東西。我們來(lái)談些Python程序員也容易被搞糊涂的東西。

我們先來(lái)把對(duì)象分分層次，通常我們知道一個(gè)對(duì)象有它的類型，老早以前Python就將類型也實(shí)現(xiàn)為對(duì)象。這樣我們就有了實(shí)例對(duì)象和類對(duì)象。這是兩個(gè)層次。稍有基礎(chǔ)的讀者就會(huì)知道還有元類這個(gè)東西的存在，簡(jiǎn)言之，元類就是“類”的“類”，也就是比類更高層次的東西。這又有了一個(gè)層次。還有嗎？

二、ImportTime vs RunTime

如果我們換個(gè)角度，不用非得和之前的三個(gè)層次使用同樣的標(biāo)準(zhǔn)。我們?cè)賮?lái)區(qū)分兩個(gè)東西：ImportTime和RunTime，它們之間也并非界限分明，顧名思義，就是兩個(gè)時(shí)刻，導(dǎo)入時(shí)和運(yùn)行時(shí)。

當(dāng)一個(gè)模塊被導(dǎo)入時(shí)，會(huì)發(fā)生什么？在全局作用域的語(yǔ)句（非定義性語(yǔ)句）被執(zhí)行。函數(shù)定義呢？一個(gè)函數(shù)對(duì)象被創(chuàng)建，但其中的代碼不會(huì)被執(zhí)行。類定義呢？一個(gè)類對(duì)象被創(chuàng)建，類定義域的代碼被執(zhí)行，類的方法中的代碼自然也不會(huì)被執(zhí)行。

執(zhí)行時(shí)呢？函數(shù)和方法中的代碼會(huì)被執(zhí)行。當(dāng)然你要先調(diào)用它們。

三、元類

所以我們可以說(shuō)元類和類是屬于ImportTime的，import一個(gè)模塊之后，它們就會(huì)被創(chuàng)建。實(shí)例對(duì)象屬于RunTime，單import是不會(huì)創(chuàng)建實(shí)例對(duì)象的。不過(guò)話不能說(shuō)的太絕對(duì)，因?yàn)槿绻阋窃谀K作用域?qū)嵗?，?shí)例對(duì)象也是會(huì)被創(chuàng)建的。只不過(guò)我們通常把它們寫(xiě)在函數(shù)里面，所以這樣劃分。

如果你想控制產(chǎn)生的實(shí)例對(duì)象的特性該怎么做？太簡(jiǎn)單了，在類定義中重寫(xiě)__init__方法。那么我們要控制類的一些性質(zhì)呢？有這種需求嗎？當(dāng)然有！

經(jīng)典的單例模式，大家都知道有很多種實(shí)現(xiàn)方式。要求就是，一個(gè)類只能有一個(gè)實(shí)例。

最簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)方法是這樣的

class _Spam:
    def __init__(self):
        print("Spam!!！")

_spam_singleton =None

def Spam():
    global _spam_singleton
    if _spam_singleton is not None:
        return _spam_singleton
    else:
        _spam_singleton = _Spam()
        return _spam_singleton

工廠模式，不太優(yōu)雅。我們?cè)賮?lái)審視一下需求，要一個(gè)類只能有一個(gè)實(shí)例。我們?cè)陬愔卸x的方法都是實(shí)例對(duì)象的行為，那么要想改變類的行為，就需要更高層次的東西。元類在這個(gè)時(shí)候登場(chǎng)在合適不過(guò)了。前面說(shuō)過(guò)，元類是類的類。也就是說(shuō)，元類的__init__方法就是類的初始化方法。 我們知道還有__call__這個(gè)東西，它能讓實(shí)例像函數(shù)那樣被調(diào)用，那么元類的這個(gè)方法就是類在被實(shí)例化時(shí)調(diào)用的方法。

代碼就可以寫(xiě)出來(lái)了:

class Singleton(type):
    def __init__(self, *args, **kwargs):
        self._instance = None
        super().__init__(*args, **kwargs)

    def __call__(self, *args, **kwargs):
        if self._instance is None:
            self._instance = super().__call__(*args, **kwargs)
            return self._instance
        else:
            return self._instance


class Spam(metaclass=Singleton):
    def __init__(self):
        print("Spam!!!")

主要有兩個(gè)地方和一般的類定義不同，一是Singleton的基類是type，一是Spam定義的地方有一個(gè)metaclass=Singleton。type是什么？它是object的子類，object是它的實(shí)例。也就是說(shuō)，type是所有類的類，也就是最基本的元類，它規(guī)定了一些所有類在產(chǎn)生時(shí)需要的一些操作。所以我們的自定義元類需要子類化type。同時(shí)type也是一個(gè)對(duì)象，所以它又是object的子類。有點(diǎn)不太好理解，大概知道就可以了。

四、裝飾器

我們?cè)賮?lái)說(shuō)說(shuō)裝飾器。大多數(shù)人認(rèn)為裝飾器是Python里面最難理解的概念之一。其實(shí)它不過(guò)就是一個(gè)語(yǔ)法糖，理解了函數(shù)也是對(duì)象之后。就可以很輕易的寫(xiě)出自己的裝飾器了。

from functools import wraps

def print_result(func):

    @wraps(func)
    def wrappper(*args, **kwargs):
        result = func(*args, **kwargs)
        print(result)
        return result

    return wrappper

@print_result
def add(x, y):
    return x + y
#相當(dāng)于：
#add = print_result(add)

add(1, 3)

這里我們還用到了一個(gè)裝飾器@wraps，它是用來(lái)讓我們返回的內(nèi)部函數(shù)wrapper和原來(lái)的函數(shù)擁有相同的函數(shù)簽名的，基本上我們?cè)趯?xiě)裝飾器時(shí)都要加上它。

在注釋里寫(xiě)了，@decorator這樣的形式等價(jià)于func=decorator（func），理解了這一點(diǎn)，我們就可以寫(xiě)出更多種類的裝飾器。比如類裝飾器，以及將裝飾器寫(xiě)成一個(gè)類。

def attr_upper(cls):
    for attrname,value in cls.__dict__.items():
        if isinstance(value,str):
            if not value.startswith('__'):
                setattr(cls,attrname,bytes.decode(str.encode(value).upper()))
    return cls    

@attr_upper
class Person:
    sex = 'man'

print(Person.sex) # MAN

注意普通的裝飾器和類裝飾器實(shí)現(xiàn)的不同點(diǎn)。

五、對(duì)數(shù)據(jù)的抽象–描述符

如果我們想讓某一些類擁有某些相同的特性，或者說(shuō)可以實(shí)現(xiàn)在類定義對(duì)其的控制，我們可以自定義一個(gè)元類，然后讓它成為這些類的元類。如果我們想讓某一些函數(shù)擁有某些相同的功能，又不想把代碼復(fù)制粘貼一遍，我們可以定義一個(gè)裝飾器。那么，假如我們想讓實(shí)例的屬性擁有某些共同的特點(diǎn)呢？有人可能會(huì)說(shuō)可以用property，當(dāng)然可以。但是這些邏輯必須在每個(gè)類定義的時(shí)候都寫(xiě)一遍。如果我們想讓這些類的實(shí)例的某些屬性都有相同的特點(diǎn)的話，就可以自定義一個(gè)描述符類。

這里我們給出一些例子

class TypedField:
    def __init__(self, _type):
        self._type = _type

    def __get__(self, instance, cls):
        if instance is None:
            return self
        else:
            return getattr(instance, self.name)

    def __set_name__(self, cls, name):
        self.name = name

    def __set__(self, instance, value):
        if not isinstance(value, self._type):
            raise TypeError('Expected' + str(self._type))
        instance.__dict__[self.name] = value

class Person:
    age = TypedField(int)
    name = TypedField(str)

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

jack = Person(15, 'Jack')
jack.age = '15'  # 會(huì)報(bào)錯(cuò)

在這里面有幾個(gè)角色，TypedField是一個(gè)描述符類，的屬性Person是描述符類的實(shí)例，看似描述符是作為Person，也就是類的屬性而不是實(shí)例屬性存在的。但實(shí)際上，一旦Person的實(shí)例訪問(wèn)了同名的屬性，描述符就會(huì)起作用。需要注意的是，在Python3.5及之前的版本中，是沒(méi)有__set_name__這個(gè)特殊方法的，這意味著如果你想要知道在類定義中描述符被起了一個(gè)什么樣的名字，是需要在描述符實(shí)例化時(shí)顯式傳遞給它的，也就是需要多一個(gè)參數(shù)。不過(guò)在Python3.6中，這個(gè)問(wèn)題得到了解決，只需要在描述符類定義中重寫(xiě)__set_name__這個(gè)方法就好了。還需要注意的是__get__的寫(xiě)法，基本上對(duì)instance的判斷是必需的，不然會(huì)報(bào)錯(cuò)。原因也不難理解，就不細(xì)說(shuō)了。

六、控制子類的創(chuàng)建——代替元類的方法

在Python3.6中，我們可以通過(guò)實(shí)現(xiàn)__init_subclass__特殊方法，來(lái)自定義子類的創(chuàng)建，這樣我們就可以在某些情況下擺脫元類這個(gè)討厭的東西。

class PluginBase:
    subclasses = []

    def __init_subclass__(cls, **kwargs):
        super().__init_subclass__(**kwargs)
        cls.subclasses.append(cls)

class Plugin1(PluginBase):
    pass

class Plugin2(PluginBase):
    pass

小結(jié)諸如元類等元編程對(duì)于大多數(shù)人來(lái)說(shuō)有些晦澀難懂，大多數(shù)時(shí)候也無(wú)需用到它們。但是大多數(shù)框架背后的實(shí)現(xiàn)都使用到了這些技巧，這樣才能讓使用者寫(xiě)出來(lái)的代碼簡(jiǎn)潔易懂。如果你想更深入的了解這些技巧，可以參看一些書(shū)籍例如《Fluent Python》、《Python Cookbook》（這篇文章有的內(nèi)容就是參考了它們），或者看官方文檔中的某些章節(jié)例如上文說(shuō)的描述符HowTo，還有Data Model一節(jié)等等?；蛘咧苯涌碢ython的源碼，包括用Python寫(xiě)的以及CPython的源碼。

記住，只有在充分理解了它們之后再去使用，也不要是個(gè)地方就想著使用這些技巧。

小結(jié)

到此這篇關(guān)于Python元編程知識(shí)總結(jié)的文章就介紹到這了,更多相關(guān)Python編程學(xué)習(xí)內(nèi)容請(qǐng)搜索W3Cschool以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章。