浅谈Python的元编程

目录

• 一、装饰器
• 二、装饰器的执行顺序
• 三、元类
• 四、descriptor 类(描述符类)
• 五、总结

相应的元编程就是描述代码本身的代码，元编程就是关于创建操作源代码(比如修改、生成或包装原来的代码)的函数和类。主要技术是使用装饰器、元类、描述符类。

一、装饰器

装饰器就是函数的函数，它接受一个函数作为参数并返回一个新的函数，在不改变原来函数代码的情况下为其增加新的功能，比如最常用的计时装饰器：

from functools import wraps 
 
def timeit(logger=None): 
    """ 
    耗时统计装饰器，单位是秒，保留 4 位小数 
    """ 
 
    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， 它能保留原始函数的元数据) 只需要在原来的函数上面加上 @timeit() 即可为其增加新的功能：

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

上面的代码跟下面这样写的效果是一样的：

test_timeit =编程客栈 timeit(test_timeit) 
test_timeit() 

二、装饰器的执行顺序

当有多个装饰器的时候，他们的调用顺序是怎么样的?

假如有这样的代码，请问是先打印 Decorator1 还是 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 

回答这个问题之前，我先给你打个形象的比喻，装饰器就像函数在穿衣服，离它最近的最先穿，离得远的最后穿，上例中 decorator1 是外套，decorator2 是内衣。

add = decorator1(decorator2(add)) 

在调用函数的时候，就像脱衣服，先解除最外面的 decorator1，也就是先打印 Decorator1，执行到 return func(*args, **kwargs) 的时候会去解除 decorator2，然后打印 Decorator2，再次执行到 return func(*args, **kwargs) 时会真正执行 add() 函数。

需要注意的是打编程客栈印的位置，如果打印字符串的代码位于调用函数之后，像下面这样，那输出的结果正好相反：

def decorator1(func): 
    @wraps(func) 
    def wrapper(*args, **kwargs): 
        resuhttp://www.cppcns.comlt = 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 

装饰器不仅可以定义为函数，也可以定义为类，只要你确保它实现了__call__() 和 __get__() 方法。

关于装饰器的其他用法，可以参考前文：

• 我是装饰器
• 再谈装饰器

三、元类

python 中所有类(object)的元类，就是 type 类，也就是说 Python 类的创建行为由默认的 type 类控制，打个比喻，type 类是所有类的祖先。我们可以通过编程的方式来实现自定义的一些对象创建行为。

定一个类继承 type 类 A，然后让其他类的元类指向 A，就可以控制 A 的创建行为。典型的就是使用元类实现一个单例：

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!!!") 

元类 Singleton 的__init__和__new__ 方法会在定义 Spam 的期间被执行，而 __call__方法会在实例化 Spam 的时候执行。

如果想更好的理解元类，可以阅读Python黑魔法之metaclass详情

四、descriptor 类(描述符类)

descriptor 就是任何一个定义了 __get__()，__set__()或 __delete__()的对象，描述器让对象能够自定义属性查找、存储和删除的操作。这里举官方文档[1]一个自定义验证器的例子。

定义验证器类，它是一个描述符类，同时还是一个抽象类：

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 

自定义验证器需要从 Validator 继承，并且必须提供 validate() 方法以根据需要测试各种约束。

这是三个实用的数据验证工具：

OneOf 验证值是一组受约束的选项之一

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 验证值是否为 int 或 float。根据可选参数，它还可以验证值在给定的最小值或最大值之间。

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 验证值是否为 str。根据可选参数，它可以验证给定的最小或最大长度。它还可以验证用户定义的 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: 
     编程客栈       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}' 
            ) 

实际应用时这样写：

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 

描述器阻止无效实例的创建：

>>> 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): 
    ... 编程客栈
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 

五、总结

关于 Python 的元编程，总结如下：

如果希望某些函数拥有相同的功能，希望不改变原有的调用方式、不写重复代码、易维护，可以使用装饰器来实现。

如果希望某一些类拥有某些相同的特性，或者在类定义实现对其的控制，我们可以自定义一个元类，然后让它类的元类指向该类。

如果希望实例的属性拥有某些共同的特点，就可以自定义一个描述符类。

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