很多人不理解“元編程”是個什么東西，關(guān)于它也沒有一個十分準(zhǔn)確的定義。這篇文章要說的是Python里的元編程，實(shí)際上也不一定就真的符合“元編程”的定義。只不過我無法找到一個更準(zhǔn)確的名字來代表這篇文章的主題，所以就借了這么一個名號。

副標(biāo)題是控制你想控制的一切，實(shí)際上這篇文章講的都是一個東西，利用Python提供給我們的特性，盡可能的使代碼優(yōu)雅簡潔。具體而言，通過編程的方法，在更高的抽象層次上對一種層次的抽象的特性進(jìn)行修改。

首先說，Python中一切皆對象，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。像給對象動態(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)語言中卻是需要一定技巧的東西。我們來談些Python程序員也容易被搞糊涂的東西。

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

ImportTime vs RunTime

如果我們換個角度，不用非得和之前的三個層次使用同樣的標(biāo)準(zhǔn)。我們再來區(qū)分兩個東西：ImportTime和RunTime，它們之間也并非界限分明，顧名思義，就是兩個時刻，導(dǎo)入時和運(yùn)行時。

當(dāng)一個模塊被導(dǎo)入時，會發(fā)生什么？在全局作用域的語句（非定義性語句）被執(zhí)行。函數(shù)定義呢？一個函數(shù)對象被創(chuàng)建，但其中的代碼不會被執(zhí)行。類定義呢？一個類對象被創(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被執(zhí)行。

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

元類

所以我們可以說元類和類是屬于ImportTime的，import一個模塊之后，它們就會被創(chuàng)建。實(shí)例對象屬于RunTime，單import是不會創(chuàng)建實(shí)例對象的。不過話不能說的太絕對，因?yàn)槿绻阋窃谀K作用域?qū)嵗?#xff0c;實(shí)例對象也是會被創(chuàng)建的。只不過我們通常把它們寫在函數(shù)里面，所以這樣劃分。

如果你想控制產(chǎn)生的實(shí)例對象的特性該怎么做？太簡單了，在類定義中重寫__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，一個類只能有一個實(shí)例。

最簡單的實(shí)現(xiàn)方法是這樣的

class _Spam:def __init__(self):print("Spam!!！")_spam_singleton =Nonedef Spam():global _spam_singletonif _spam_singleton is not None:return _spam_singletonelse:_spam_singleton = _Spam()return _spam_singleton

工廠模式，不太優(yōu)雅。我們再來審視一下需求，要一個類只能有一個實(shí)例。我們在類中定義的方法都是實(shí)例對象的行為，那么要想改變類的行為，就需要更高層次的東西。元類在這個時候登場在合適不過了。前面說過，元類是類的類。也就是說，元類的__init__方法就是類的初始化方法。 我們知道還有__call__這個東西，它能讓實(shí)例像函數(shù)那樣被調(diào)用，那么元類的這個方法就是類在被實(shí)例化時調(diào)用的方法。

代碼就可以寫出來了:

class Singleton(type):def __init__(self, *args, **kwargs):self._instance = Nonesuper().__init__(*args, **kwargs)def __call__(self, *args, **kwargs):if self._instance is None:self._instance = super().__call__(*args, **kwargs)return self._instanceelse:return self._instanceclass Spam(metaclass=Singleton):def __init__(self):print("Spam!!!")

主要有兩個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metaclass=Singleton。type是什么？它是object的子類，object是它的實(shí)例。也就是說，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type也是一個對象，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。

裝飾器

我們再來說說裝飾器。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)它不過就是一個語法糖，理解了函數(shù)也是對象之后。就可以很輕易的寫出自己的裝飾器了。

from functools import wrapsdef print_result(func):@wraps(func)def wrappper(*args, **kwargs):result = func(*args, **kwargs)print(result)return resultreturn wrappper@print_result def add(x, y):return x + y #相當(dāng)于： #add = print_result(add)add(1, 3)

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這里我們還用到了一個裝飾器@wraps，它是用來讓我們返回的內(nèi)部函數(shù)wrapper和原來的函數(shù)擁有相同的函數(shù)簽名的，基本上我們在寫裝飾器時都要加上它。

我在注釋里寫了，@decorator這樣的形式等價于func=decorator（func），理解了這一點(diǎn)，我們就可以寫出更多種類的裝飾器。比如類裝飾器，以及將裝飾器寫成一個類。

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)。

對數(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，或者說可以實(shí)現(xiàn)在類定義對其的控制，我們可以自定義一個元類，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？有人可能會說可以用property，當(dāng)然可以。但是這些邏輯必須在每個類定義的時候都寫一遍。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，就可以自定義一個描述符類。

關(guān)于描述符，這篇文章https://docs.python.org/3/howto/descriptor.html講得很好，同時它還講解了描述符是怎么隱藏在函數(shù)的背后，實(shí)現(xiàn)函數(shù)、方法的統(tǒng)一和不同的。這里我們給出一些例子。

class TypedField:def __init__(self, _type):self._type = _typedef __get__(self, instance, cls):if instance is None:return selfelse:return getattr(instance, self.name)def __set_name__(self, cls, name):self.name = namedef __set__(self, instance, value):if not isinstance(value, self._type):raise TypeError('Expected' + str(self._type))instance.__dict__[self.name] = valueclass Person:age = TypedField(int)name = TypedField(str)def __init__(self, age, name):self.age = ageself.name = namejack = Person(15, 'Jack') jack.age = '15' # 會報(bào)錯

在這里面有幾個角色，TypedField是一個描述符類，Person的屬性是描述符類的實(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)例訪問了同名的屬性，描述符就會起作用。需要注意的是，在Python3.5及之前的版本中，是沒有__set_name__這個特殊方法的，這意味著如果你想要知道在類定義中描述符被起了一個什么樣的名字，是需要在描述符實(shí)例化時顯式傳遞給它的，也就是需要多一個參數(shù)。不過在Python3.6中，這個問題得到了解決，只需要在描述符類定義中重寫__set_name__這個方法就好了。還需要注意的是__get__的寫法，基本上對instance的判斷是必需的，不然會報(bào)錯。原因也不難理解，就不細(xì)說了。

控制子類的創(chuàng)建——代替元類的方法

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

class PluginBase:subclasses = []def __init_subclass__(cls, **kwargs):super().__init_subclass__(**kwargs)cls.subclasses.append(cls)class Plugin1(PluginBase):passclass Plugin2(PluginBase):pass

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小結(jié)

諸如元類等元編程對于大多數(shù)人來說有些晦澀難懂，大多數(shù)時候也無需用到它們。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出來的代碼簡潔易懂。

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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的Python元编程：控制你想控制的一切的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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