提到元这个字，你也许会想到元数据，元数据就是描述数据本身的数据，元类就是类的类，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。
本文的主要目的是向大家介绍这些元编程技术，并且给出实例来演示它们是怎样定制化源代码的行为。
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 = timeit(test_timeit) test_timeit()
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): 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
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：
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
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: 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): ... 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
最后的话
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。