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提到元這個(gè)字，你也許會(huì)想到元數(shù)據(jù)，元數(shù)據(jù)就是描述數(shù)據(jù)本身的數(shù)據(jù)，元類(lèi)就是類(lèi)的類(lèi)，相應(yīng)的元編程就是描述代碼本身的代碼，元編程就是關(guān)于創(chuàng)建操作源代碼(比如修改、生成或包裝原來(lái)的代碼)的函數(shù)和類(lèi)。主要技術(shù)是使用裝飾器、元類(lèi)、描述符類(lèi)。本文的主要目的是向大家介紹這些元編程技術(shù)，并且給出實(shí)例來(lái)演示它們是怎樣定制化源代碼的行為。

裝飾器

裝飾器就是函數(shù)的函數(shù)，它接受一個(gè)函數(shù)作為參數(shù)并返回一個(gè)新的函數(shù)，在不改變?cè)瓉?lái)函數(shù)代碼的情況下為其增加新的功能，比如最常用的計(jì)時(shí)裝飾器：

from functools import wraps 
 
def timeit(logger=None): 
    """ 
    耗時(shí)統(tǒng)計(jì)裝飾器，單位是秒，保留 4 位小數(shù) 
    """ 
 
    def decorator(func): 
        @wraps(func) 
        def wrapper(*args, **kwargs): 
            start = time.time() 
            result = func(*args, **kwargs) 
            end = time.time() 
            if logger: 
                logger.info(f"{func.__name__} cost {end - start :.4f} seconds") 
            else: 
                print(f"{func.__name__} cost {end - start :.4f} seconds") 
            return result 
 
        return wrapper 
 
    return decorator 

(注：比如上面使用 @wraps(func) 注解是很重要的， 它能保留原始函數(shù)的元數(shù)據(jù)) 只需要在原來(lái)的函數(shù)上面加上 @timeit() 即可為其增加新的功能：

@timeit() 
def test_timeit(): 
    time.sleep(1) 
 
test_timeit() 
#test_timeit cost 1.0026 seconds 

上面的代碼跟下面這樣寫(xiě)的效果是一樣的：

test_timeit = timeit(test_timeit) 
test_timeit() 

裝飾器的執(zhí)行順序

當(dāng)有多個(gè)裝飾器的時(shí)候，他們的調(diào)用順序是怎么樣的?

假如有這樣的代碼，請(qǐng)問(wèn)是先打印 Decorator1 還是 Decorator2 ?

from functools import wraps 
 
def decorator1(func): 
    @wraps(func) 
    def wrapper(*args, **kwargs): 
        print('Decorator 1') 
        return func(*args, **kwargs) 
    return wrapper 
 
def decorator2(func): 
    @wraps(func) 
    def wrapper(*args, **kwargs): 
        print('Decorator 2') 
        return func(*args, **kwargs) 
    return wrapper 
 
@decorator1 
@decorator2 
def add(x, y): 
    return x + y 
 
add(1,2) 
 
# Decorator 1 
# Decorator 2 

回答這個(gè)問(wèn)題之前，我先給你打個(gè)形象的比喻，裝飾器就像函數(shù)在穿衣服，離它最近的最先穿，離得遠(yuǎn)的最后穿，上例中 decorator1 是外套，decorator2 是內(nèi)衣。

add = decorator1(decorator2(add)) 

在調(diào)用函數(shù)的時(shí)候，就像脫衣服，先解除最外面的 decorator1，也就是先打印 Decorator1，執(zhí)行到 return func(*args, **kwargs) 的時(shí)候會(huì)去解除 decorator2，然后打印 Decorator2，再次執(zhí)行到 return func(*args, **kwargs) 時(shí)會(huì)真正執(zhí)行 add() 函數(shù)。

需要注意的是打印的位置，如果打印字符串的代碼位于調(diào)用函數(shù)之后，像下面這樣，那輸出的結(jié)果正好相反：

def decorator1(func): 
    @wraps(func) 
    def wrapper(*args, **kwargs): 
        result = func(*args, **kwargs) 
        print('Decorator 1') 
        return result 
    return wrapper 
 
def decorator2(func): 
    @wraps(func) 
    def wrapper(*args, **kwargs): 
        result = func(*args, **kwargs) 
        print('Decorator 2') 
        return result 
    return wrapper 

裝飾器不僅可以定義為函數(shù)，也可以定義為類(lèi)，只要你確保它實(shí)現(xiàn)了__call__() 和 __get__() 方法。

關(guān)于裝飾器的其他用法，可以參考前文：

• 我是裝飾器
• 再談裝飾器

元類(lèi)

Python 中所有類(lèi)(object)的元類(lèi)，就是 type 類(lèi)，也就是說(shuō) Python 類(lèi)的創(chuàng)建行為由默認(rèn)的 type 類(lèi)控制，打個(gè)比喻，type 類(lèi)是所有類(lèi)的祖先。我們可以通過(guò)編程的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)自定義的一些對(duì)象創(chuàng)建行為。

定一個(gè)類(lèi)繼承 type 類(lèi) A，然后讓其他類(lèi)的元類(lèi)指向 A，就可以控制 A 的創(chuàng)建行為。典型的就是使用元類(lèi)實(shí)現(xiàn)一個(gè)單例：

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!!!") 

元類(lèi) Singleton 的__init__和__new__ 方法會(huì)在定義 Spam 的期間被執(zhí)行，而 __call__方法會(huì)在實(shí)例化 Spam 的時(shí)候執(zhí)行。

如果想更好的理解元類(lèi)，可以閱讀Python黑魔法之metaclass

descriptor 類(lèi)(描述符類(lèi))

descriptor 就是任何一個(gè)定義了 __get__()，__set__()或 __delete__()的對(duì)象，描述器讓對(duì)象能夠自定義屬性查找、存儲(chǔ)和刪除的操作。這里舉官方文檔[1]一個(gè)自定義驗(yàn)證器的例子。

定義驗(yàn)證器類(lèi)，它是一個(gè)描述符類(lèi)，同時(shí)還是一個(gè)抽象類(lèi)：

from abc import ABC, abstractmethod 
 
class Validator(ABC): 
 
    def __set_name__(self, owner, name): 
        self.private_name = '_' + name 
 
    def __get__(self, obj, objtype=None): 
        return getattr(obj, self.private_name) 
 
    def __set__(self, obj, value): 
        self.validate(value) 
        setattr(obj, self.private_name, value) 
 
    @abstractmethod 
    def validate(self, value): 
        pass 

自定義驗(yàn)證器需要從 Validator 繼承，并且必須提供 validate() 方法以根據(jù)需要測(cè)試各種約束。

這是三個(gè)實(shí)用的數(shù)據(jù)驗(yàn)證工具：

OneOf 驗(yàn)證值是一組受約束的選項(xiàng)之一。

class OneOf(Validator): 
 
    def __init__(self, *options): 
        self.options = set(options) 
 
    def validate(self, value): 
        if value not in self.options: 
            raise ValueError(f'Expected {value!r} to be one of {self.options!r}') 

Number 驗(yàn)證值是否為 int 或 float。根據(jù)可選參數(shù)，它還可以驗(yàn)證值在給定的最小值或最大值之間。

class Number(Validator): 
 
    def __init__(self, minvalue=None, maxvalue=None): 
        self.minvalue = minvalue 
        self.maxvalue = maxvalue 
 
    def validate(self, value): 
        if not isinstance(value, (int, float)): 
            raise TypeError(f'Expected {value!r} to be an int or float') 
        if self.minvalue is not None and value < self.minvalue: 
            raise ValueError( 
                f'Expected {value!r} to be at least {self.minvalue!r}' 
            ) 
        if self.maxvalue is not None and value > self.maxvalue: 
            raise ValueError( 
                f'Expected {value!r} to be no more than {self.maxvalue!r}' 
            ) 

String 驗(yàn)證值是否為 str。根據(jù)可選參數(shù)，它可以驗(yàn)證給定的最小或最大長(zhǎng)度。它還可以驗(yàn)證用戶(hù)定義的 predicate。

class String(Validator): 
 
    def __init__(self, minsize=None, maxsize=None, predicate=None): 
        self.minsize = minsize 
        self.maxsize = maxsize 
        self.predicate = predicate 
 
    def validate(self, value): 
        if not isinstance(value, str): 
            raise TypeError(f'Expected {value!r} to be an str') 
        if self.minsize is not None and len(value) < self.minsize: 
            raise ValueError( 
                f'Expected {value!r} to be no smaller than {self.minsize!r}' 
            ) 
        if self.maxsize is not None and len(value) > self.maxsize: 
            raise ValueError( 
                f'Expected {value!r} to be no bigger than {self.maxsize!r}' 
            ) 
        if self.predicate is not None and not self.predicate(value): 
            raise ValueError( 
                f'Expected {self.predicate} to be true for {value!r}' 
            ) 

實(shí)際應(yīng)用時(shí)這樣寫(xiě)：

class Component: 
 
    name = String(minsize=3, maxsize=10, predicate=str.isupper) 
    kind = OneOf('wood', 'metal', 'plastic') 
    quantity = Number(minvalue=0) 
 
    def __init__(self, name, kind, quantity): 
        self.name = name 
        self.kind = kind 
        self.quantity = quantity 

描述器阻止無(wú)效實(shí)例的創(chuàng)建：

>>> Component('Widget', 'metal', 5)      # Blocked: 'Widget' is not all uppercase 
Traceback (most recent call last): 
    ... 
ValueError: Expected <method 'isupper' of 'str' objects> to be true for 'Widget' 
 
>>> Component('WIDGET', 'metle', 5)      # Blocked: 'metle' is misspelled 
Traceback (most recent call last): 
    ... 
ValueError: Expected 'metle' to be one of {'metal', 'plastic', 'wood'} 
 
>>> Component('WIDGET', 'metal', -5)     # Blocked: -5 is negative 
Traceback (most recent call last): 
    ... 
ValueError: Expected -5 to be at least 0 
>>> Component('WIDGET', 'metal', 'V')    # Blocked: 'V' isn't a number 
Traceback (most recent call last): 
    ... 
TypeError: Expected 'V' to be an int or float 
 
>>> c = Component('WIDGET', 'metal', 5)  # Allowed:  The inputs are valid 

最后的話(huà)

關(guān)于 Python 的元編程，總結(jié)如下：

如果希望某些函數(shù)擁有相同的功能，希望不改變?cè)械恼{(diào)用方式、不寫(xiě)重復(fù)代碼、易維護(hù)，可以使用裝飾器來(lái)實(shí)現(xiàn)。

如果希望某一些類(lèi)擁有某些相同的特性，或者在類(lèi)定義實(shí)現(xiàn)對(duì)其的控制，我們可以自定義一個(gè)元類(lèi)，然后讓它類(lèi)的元類(lèi)指向該類(lèi)。

如果希望實(shí)例的屬性擁有某些共同的特點(diǎn)，就可以自定義一個(gè)描述符類(lèi)。