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元类

问题​

什么是元类？type 和 metaclass 的关系是什么？元类有哪些实际应用？

答案​

类也是对象​

在 Python 中，类本身就是对象，它由元类创建。默认元类是 type：

class MyClass:
    pass

print(type(MyClass))        # <class 'type'>
print(type(type))           # <class 'type'>  — type 自身的类型也是 type
print(isinstance(MyClass, type))  # True

所以关系链是：type → 创建 → class → 创建 → instance

type 动态创建类​

# 常规方式
class Dog:
    sound = "汪汪"
    def speak(self):
        return self.sound

# 等价的 type() 方式
Dog = type("Dog", (object,), {
    "sound": "汪汪",
    "speak": lambda self: self.sound,
})

d = Dog()
print(d.speak())  # 汪汪

type(name, bases, attrs) 三个参数：类名、基类元组、属性字典。

自定义元类​

class SingletonMeta(type):
    """元类实现单例模式"""
    _instances = {}
    
    def __call__(cls, *args, **kwargs):
        if cls not in cls._instances:
            # 调用 type.__call__ 创建实例
            cls._instances[cls] = super().__call__(*args, **kwargs)
        return cls._instances[cls]

class Database(metaclass=SingletonMeta):
    def __init__(self):
        self.connection = "connected"

db1 = Database()
db2 = Database()
print(db1 is db2)  # True

__init_subclass__ — 元类的轻量替代​

Python 3.6+ 提供了 __init_subclass__，大多数场景下可以替代元类：

class Plugin:
    _registry = {}
    
    def __init_subclass__(cls, **kwargs):
        super().__init_subclass__(**kwargs)
        Plugin._registry[cls.__name__] = cls

class AudioPlugin(Plugin): pass
class VideoPlugin(Plugin): pass

print(Plugin._registry)
# {'AudioPlugin': <class 'AudioPlugin'>, 'VideoPlugin': <class 'VideoPlugin'>}
优先使用 __init_subclass__

元类强大但复杂，90% 的场景用 __init_subclass__ 或装饰器更简单。只在需要控制类创建过程本身时才用元类。

常见面试问题​

Q1: __new__ 在元类中的作用？​

答案：

元类的 __new__ 在类（不是实例）被创建时调用，可以修改类的属性和行为：

class UpperAttrMeta(type):
    def __new__(mcs, name, bases, attrs):
        # 将所有非魔术方法的属性名转为大写
        upper_attrs = {}
        for key, val in attrs.items():
            if not key.startswith("__"):
                upper_attrs[key.upper()] = val
            else:
                upper_attrs[key] = val
        return super().__new__(mcs, name, bases, upper_attrs)

class Foo(metaclass=UpperAttrMeta):
    bar = "hello"

print(hasattr(Foo, "bar"))  # False
print(hasattr(Foo, "BAR"))  # True
print(Foo.BAR)               # "hello"

Q2: ABCMeta 是什么？​

答案：

ABCMeta 是 abc 模块提供的元类，用于定义抽象基类：

from abc import ABC, abstractmethod

# ABC 等价于 metaclass=ABCMeta
class Shape(ABC):
    @abstractmethod
    def area(self) -> float: ...

# Shape() → TypeError

Q3: 什么时候用元类？什么时候用装饰器？​

答案：

场景推荐方案
修改类属性/方法装饰器或 __init_subclass__
注册子类__init_subclass__
验证类定义__init_subclass__
控制类的创建过程元类
ORM 字段映射元类（如 Django Model）
单例元类或装饰器

相关链接​