Python面試常用的高級用法,怎麼動態創建類?

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今天是Python專題的第16篇文章,今天我們來聊聊Python當中的元類。

元類是Python當中的高級用法,如果你之前從來沒見過這個術語或者是沒聽說過這個概念,這是非常正常的,因為一方面它的使用頻率不高,另外一方面就是它相對不太容易理解。以至於很多Python開發者都理解得不是很深入,導致了市面上相關的資料也並不太多。我也是讀了一些大牛的代碼才開啟了這扇新世界的大門。

一切都是對象

我們之前的時候曾經介紹過,在Python當中一切都是對象,注意,是一切都是對象。我們都知道對象是類實例化之後的結果,可以簡單地將類和對象類比成模具和成品的關係。模具是類,而根據模具做出來的產品是對象。

這個比喻思想比較接近,但是不完美。因為實際當中一個模具可以做出多個產品,一個產品只有一個模具。但編程語言當中不同,由於類之間可以繼承以及多繼承,也就是說一個對象可以對應多個類。所以這個比喻不是特別合適,但是類和對象的關係是沒錯的。

但是這就有了一個問題,既然Python當中一切都是對象,那麼是不是說類其實也是一個對象呢?也就是說一個模具其實也是另外一個模具的產品?同樣,這個模具的模具其實也是另外一個模具的產品,那麼我們一直追問下去會怎麼樣呢?

很簡單,我們做個實驗就知道了,我們可以用_class__關鍵字來查看一個變量的類型,那麼我們反覆調用就可以查看其中的關係了:

從上面的圖中我們可以發現,num是int類型的變量。我們繼續查看int這個類型的類型,得到了type類型。而當我們去查看type的類型的時候,會發現我們得到的還是一個type的類型。

所以我們可以明白了,type是Python中用來創建所有類的元類,是所有模具的模具。在Python當中,我們把一個類的類叫做元類(metaclass)。所以type就是Python當中內置的元類,我們也可以自己創建我們需要的元類。通過元類,我們創建的對象也是一個類,而不是一個實例。

動態創建類

理解了type是一切類基礎之後,再來看動態類就簡單了。動態類是動態語言最大的特性之一,作為典型的動態語言,Python自然也是支持類型的動態創建的。

在Python當中,創建動態類型的一種方式就是通過type關鍵字。說起來有些意想不到,type函數不是用來查詢對象所屬的類型的嗎,怎麼還可以創建類呢?

這其實是type的另外一種用法,作為元類來創建一個類。在這種用法,type函數接收3個參數,分別是類型的名稱,父類的元組,以及一個字典。除了第一個參數之外,後面兩個參數都可以為空。比如我們來看一個例子:

注意,type返回的結果是一個類,而不是一個實例。所以我們還可以通過它創建實例:

hello = Hello()

這樣創建出來的是最簡單的空類,它什麼也沒有,和下面的代碼等價。

class Hello:
    pass

我們也可以在type的參數當中為這個類填充屬性和方法:

def hello_world(self):
    print('hello')
    
Hello = type('Hello', (), {'hello':hello_world, 'num': 3})

這樣我們就為Hello這個類創建了一個方法叫做hello,一個屬性num等於3。我們可以來調用一下試試:

也就是說我們可以使用type來根據我們的需要自行定義類,只不過type既可以獲取對象的類型又可以創建新的類,看起來可能覺得有些不太直觀,但是其實這也是說得通的。我們在Python當中通過調用str創建一個string對象,通過int來創建一個integer對象,那麼通過type則是創建一個類的對象。

實現繼承

我們之前說了,當我們使用type來創建類的時候,還可以傳入父類的元組從而實現類的繼承。

比如我們再創建一個叫做World的類繼承剛才通過type創建出來的Hello類,然後在為它加上額外的函數:

def say_world(self):
    print('World')
    
World = type('World', (Hello, ), {'world': say_world})

注意這裏傳入第二個參數是父類的元組,既然是元組,那麼當元素只有一個的時候,需要加上逗號,表示這是一個元組。這樣創建出來的類和我們通過class定義的靜態類效果是一樣的:

也就是說,我們可以先把函數實現,然後再根據任務的需要把這些函數組裝成新的類。顯然,這和傳統的C++以及Java這些靜態類型的語言相比,要靈活得多。

總結

我們固然可以通過type來創建動態創建類,但是從上面的使用過程也應該看得出來,這樣使用起來並不太方便,並且很多進階的功能很難實現。舉個簡單的例子,比如我們想要動態地為一個已有的類添加一些動態的方法,生成新的類。我們使用type就很難實現。type也的確不是Python元類的主要運用,metaclass才是王道,但由於篇幅限制,這部分將放在下一篇文章當中。

當然,元類是一個非常高級的用法,以至於Python的創始人說99%的Python程序員並不需要用到它。所以如果你覺得理解起來非常費勁的話也沒有關係,知道這麼個概念就可以了。

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