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元类
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在面向对象程序设计中，元类（英语：metaclass）是一种实例是类的类。普通的类定义的是特定对象的行为，元类定义的则是特定的类及其实例的行为。不是所有面向对象编程语言都支持元类。在它能做的事情之中，元类可以覆写任何给定方面类行为的程度是不同的。元类可以通过使类成为头等对象来实现，在这种情况下元类简单的就是构造类的一个对象。每个语言都有它自己的元对象协议，给出对象、类和元类如何交互的规则[1]。
Smalltalk-80元类
在Smalltalk中，所有东西都是对象。此外，Smalltalk是基于类的系统，这意味着所有对象都有一个类，它定义这个对象的结构（比如说这个类拥有实例变量），和这个对象所理解的消息。二者在一起蕴含了，在Smalltalk中，类是一个对象，因此类也需要是它的元类的实例。
元类在Smalltalk-80系统中的主要角色，是提供协议来初始化类变量，和建立元类的唯一实例（也就是其对应的类）的初始化实例。
为了允许类拥有它们自己的方法，和叫作类实例变量它们自己的实例变量，Smalltalk-80为每个类C介入了它们自己的元类C class。就像实例方法实际上属于类一样，类方法实际上属于元类。在类中定义实例变量和类变量，而在元类中定义类实例变量。
每个元类在效果上都是单例类。就像连体双胞胎，类和元类是共生的。元类有一个实例变量thisClass，它指向它结合的类。平常的Smalltalk类浏览器，不将元类展示为单独的类，转而允许一起同时编辑类和它的元类。
要得到一个实例的类，需要向它发送消息调用class方法。类和元类继承了其超类的name方法，它返回接收者名字的字符串。例如，轿车对象c是类Car的实例，则c class返回Car类对象，而c class name返回'Car'；依次类推，Car class返回Car的元类对象，而Car class name返回依赖于实现，有的是nil，即没有名字，有的是'Car class'，即用空格分隔的类名字和'class'。
在早期的Smalltalk-76中，创建新类的方式是向Class类发送new消息[2][3]。在Smalltalk-80中，Class是元类的基础类，它是类而不是元类。所有元类都是一个Metaclass类的实例。Metaclass类是Metaclass class的实例，而Metaclass class作为元类，也是Metaclass类的实例。
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在Smalltalk-80中，终端对象是一个整数、一个组件、或一台车等，而类是像Integer、或Widget或Car等这样的东西，除了Object之外，所有的类都有一个超类。元类所继承的元类，就是元类对应的类所继承的类的元类。
在一个消息被发送到对象的时候，方法的查找开始于它的类。如果没有找到则在上行超类链，停止于Object而不管找到与否。在一个消息被发送到一个类的时候，类方法查找开始于它的元类，并上行超类链至Object class。直至Object class，元类的超类层级并行于类的超类层级。在Smalltalk-80中，Object class是Class的子类：
Object class superclass == Class.
类方法的查找在元类链之后仍可继续下去，所有元类都是Class的在继承层级中的子类，它是所有元类的抽象超类，它描述这些类的一般性质，继而最终可上溯至Object。
四个类提供描述新类的设施，下面是它们的继承层级（起自Object），和它们提供的主要设施：
Object，对象类是所有类的基础类，它为所有对象提供公共的方法，即公共的缺省行为。至少包括了：测试对象的功能比如class方法，比较对象，对象复制，访问对象的各部分，打印和存储对象，错误处理。Behavior，行为类定义了拥有实例的对象所需要的最小状态。Behavior提供建立一个类的实例的new方法，包括了一个类层级连接（superclass:），一个方法字典（methodDictionary:、addSelector:withMethod:等），和对实例的描述（allInstances、instVarNames等）。Behavior还为Smalltalk解释器提供到编译器的基本接口来编译方法源代码（compile:等）。尽管一个类的多数设施都规定在Behavior中，但很多消息不能于此实现，对类的完全描述转而在它的子类之中提供。ClassDescription，类描述类为Class和Metactass提供了共同的基础类。它表现为：类命名（name）、类注释（comment和comment:）、和命名实例变量（addlnstVarName:等）。特别是，它增加了结构来组织在方法字典中方法（compile:classified:）和类自身（category:）。ClassDescription还提供了在外部流（文件）上存储完全的类描述的机制，和记述对类描述的变更的机制。Metaclass，元类类是创建元类的类，它为所有元类提供公共的方法[4]。Metaclass增加了关键性消息，一个是发送到Metaclass自身的消息subclassOf: superMeta，用来创建元类superMeta的一个子类；另一个是发送到Metaclass某个实例的消息，用来建立这个元类的唯一实例，并对这个类进行完全的初始化，它的一系列参数中针对类和超类名字的参数是：name:……subclassOf:……。Class，类类是所有元类的基础类，它为所有类提供公共的方法。Class提供比ClassDescription更具描述性的设施，尤其是增加了对类变量名字（addClassVarName:等）和共享的池变量（addSharedPool:等）的表示，并定义了预期在子类中覆写的方法initialize，即在需要时定义在元类中的类方法initialize来初始化类变量。Class还提供比Behavior更综合性的编程支持设施，比如创建一个类的子类的消息：subclass:instanceVariableNames:classVariableNames:poolDictionaries:category:。
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下列例子展示，从Smalltalk-80派生的Squeak和Pharo的样例代码的结构[5]，它们的继承层级的根类实际上是ProtoObject，ProtoObject封装了所有对象都必须拥有的极小化的消息集合，它被设计为引发尽可能多的错误，用来支持代理（proxy）定义[6]。例如Smalltalk-80的Object中，错误处理消息doesNotUnderstand:，和系统原始消息become:，就转而在ProtoObject中定义了。
在示意图中，纵向的绿色连接，展示继承联系的“子→父”关系（隐含的自下而上），横向的蓝色连接展示实例联系的“成员→容器”关系，从x出的发蓝色连接，指向x的最小实际容器，它是在调用在x上的方法时查找方法的继承链起点：
r := ProtoObject.
c := Class.
mc := Metaclass.
Object subclass: #A.
A subclass: #B.
u := B new.
v := B new.
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这个结构由两个部分构成，用户部分有四个显式的对象和类及其两个隐式的元类：终端对象u和v，它们连接到的类A和B，它们两个连接到的右侧灰色节点表示的隐式的元类，其他的对象都是内置部分。
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下面是方法查找次序的辨析：
- 每个终端对象，在查找方法时，都首先查找自己的类；然后按类继承链上溯，最终直接上溯至
Object（对象类），而不经过Class（类类）、Metaclass（元类类）、ClassDescription（类描述类）和Behavior（行为类）。 - 每个类，包括
Object、Class和Metaclass，在查找查找方法时，首先查找自己的元类；然后按元类继承链上溯，最终经过Object class（对象元类）而上溯至Class；接着按类继承链上溯ClassDescription（类描述类），最终经过Behavior（行为类）上溯至Object（对象类）。 - 每个元类，包括
Metaclass class，在查找方法时，因为都是Metaclass的实例，所以首先查找Metaclass；然后按类继承链上溯ClassDescription（类描述类），最终经过Behavior（行为类）上溯至Object（对象类）。
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下面是两个示意图，二者都是纵向连线表示实例联系，而横向连线表示继承联系。实例联系以Metaclass（元类类）及其元类为顶端，而继承联系以Object（对象类）及其元类为中心，其中Object class（对象元类）继承Class（类类）是串接元类继承链与类继承链的关键环节。前者图示将Metaclass及其元类放置在最上方的独立两行，使得实例联系尽量成为树状向上汇聚；后者图示将Metaclass及其元类放置在最左边，使得继承联系尽量都在同一行之上。
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Smalltalk中在类和元类之间的继承和实例联系的示意图，这里从左至右，第一列是Metaclass元类和Metaclass（元类类），第二列是Class元类和Class（类类），第三列是ClassDescription元类与Behavior元类、和ClassDescription（类描述类）与Behavior（行为类），第四列是Object元类、Object（对象类）和Object实例，第五列是Foo元类、Foo类和Foo实例，第六列是Bar元类、Bar类和Bar实例。
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Objective-C元类
在Objective-C中的元类，几乎同于Smalltalk-80的元类，这是因为Objective-C从Smalltalk引进了很多东西。就像Smalltalk，在Objective-C中实例变量和方法是对象的类定义的。类也是对象，因此它是元类的一个实例。
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在Objective-C中在类和元类之间的继承和实例联系的示意图。注意Objective-C有多个根类，每个根类都有独立的层级。这个示意图只展示了例子根类NSObject的层级。每个其他根类都有类似的层级。
就像Smalltalk，在Objective-C中类方法，简单的是在类对象上调用的方法，因此一个类的类方法，必须定义为在它的元类中的实例方法。因为不同的类有不同的类方法集合，每个类都必须有它自己单独的元类。类和元类总是成对创建：运行时系统拥有函数objc_allocateClassPair()和objc_registerClassPair()来分别的创建和注册类-元类对。
元类没有名字，但是到任何类对象的指针，可以通过泛化类型Class来提及（类似于用作到任何对象的指针的类型id）。
元类都是相同的类即根类元类的实例，而根类元类是自身的实例。因为类方法是通过继承联系来继承的，就像Smalltalk，除了根类元类之外，元类继承联系必须并行于类继承联系（比如说如果类A的父类是类B，则A的元类的父类是B的元类）。
不同于Smalltalk，根类元类继承自根类自身（通常为使用Cocoa框架的NSObject）。这确保了所有的元类最终都是根类的子类，从而人们可以将根类的实例方法，它们通常是针对对象有用的实用方法，使用于类对象自身上。
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Python元类
在Python中，内置的类type是元类[7][8]。Python中的元类type，在其专有功能上涉及到Smalltalk-80中的类描述类（ClassDescription）、元类类（Metaclass）和类类（Class）。
Python与Smalltalk-80在对象系统上最显著区别，是Python中类方法的创建由内置的类方法修饰器classmethod统一处理，经过修饰的类方法与实例方法以同样的方式存储在类中。由于不需要为每个类建立自己的元类来持有它的类方法，也就无需再特设Smalltalk-80中的元类类Metaclass。每个类在创建自身子类时查找构造方法最终上溯到共同的一个类，它在Smalltalk-80中是类类Class，而在Python中就是类型类type。
在Python中可以创建继承自缺省元类type的定制元类，用户可以通过在类定义中提供关键字参数metaclass来使用这种定制元类。例如：
r = object
c = type
class M(c): pass
class A(metaclass=M): pass
class B(A): pass
b = B()
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下面是对例子所建立的类和对象的内省:
>>> def view(cls):
... print(type(cls).__name__,
... [x.__name__ for x in cls.__bases__])
...
>>> def inspect(cls):
... print(type(cls).__name__,
... [x.__name__ for x in cls.__bases__],
... sorted([*cls.__dict__]))
...
>>> print(type(b).__name__, ' '*5, [*b.__dict__])
B []
>>> inspect(B)
M ['A'] ['__doc__', '__firstlineno__', '__module__', '__static_attributes__']
>>> assert [dir(b)] == [dir(B)]
>>> inspect(A)
M ['object'] ['__dict__', '__doc__', '__firstlineno__', '__module__', '__static_attributes__', '__weakref__']
>>> [x.__name__ for x in A.__subclasses__()]
['B']
>>> inspect(M)
type ['type'] ['__doc__', '__firstlineno__', '__module__', '__static_attributes__']
>>> view(type)
type ['object']
>>> view(object)
type []
>>> assert B.__instancecheck__(b) is True
>>> assert M.__instancecheck__(M, B) is True
>>> assert type.__instancecheck__(type, M) is True
>>> assert A.__subclasscheck__(B) is True
>>> assert object.__subclasscheck__(type) is True
>>> assert type.__subclasscheck__(type, M) is True
>>> sorted({*object.__dict__} - {*type.__dict__})
['__class__', '__eq__', '__format__', '__ge__', '__getstate__', '__gt__', '__hash__', '__init_subclass__', '__le__', '__lt__', '__ne__', '__reduce__', '__reduce_ex__', '__str__', '__subclasshook__']
>>> sorted({*object.__dict__} & {*type.__dict__})
['__delattr__', '__dir__', '__doc__', '__getattribute__', '__init__', '__new__', '__repr__', '__setattr__', '__sizeof__']
>>> sorted({*type.__dict__} - {*object.__dict__})
['__abstractmethods__', '__annotations__', '__base__', '__bases__', '__basicsize__', '__call__', '__dict__', '__dictoffset__', '__flags__', '__instancecheck__', '__itemsize__', '__module__', '__mro__', '__name__', '__or__', '__prepare__', '__qualname__', '__ror__', '__subclasscheck__', '__subclasses__', '__text_signature__', '__type_params__', '__weakrefoffset__', 'mro']
>>> view(int)
type ['object']
>>> import numbers
>>> view(numbers.Integral)
ABCMeta ['Rational']
>>> [x.__name__ for x in numbers.Integral.__mro__]
['Integral', 'Rational', 'Real', 'Complex', 'Number', 'object']
>>> assert numbers.Integral.__subclasscheck__(int) is True
>>> assert numbers.Integral.__subclasshook__(int) is NotImplemented
>>> sorted({*numbers.Integral.__dict__} - {*int.__dict__})
['__abstractmethods__', '__firstlineno__', '__module__', '__slots__', '__static_attributes__', '_abc_impl']
>>> class MyInt(int): pass
...
>>> numbers.Integral.register(MyInt)
<class '__main__.MyInt'>
>>> assert numbers.Integral.__subclasscheck__(MyInt) is True
>>> assert numbers.Integral.__instancecheck__(MyInt()) is True
>>> from abc import ABC, ABCMeta
>>> assert ABC.__subclasscheck__(numbers.Integral) is False
>>> view(ABC)
ABCMeta ['object']
>>> sorted({*ABC.__dict__} - {*A.__dict__})
['__abstractmethods__', '__slots__', '_abc_impl']
>>> ABC.__abstractmethods__
frozenset()
>>> assert type.__instancecheck__(ABCMeta, numbers.Integral) is True
>>> view(ABCMeta)
type ['type']
>>> assert {*ABCMeta.__dict__} > {*M.__dict__}
>>> sorted({*ABCMeta.__dict__} - {*M.__dict__})
['__instancecheck__', '__new__', '__subclasscheck__', '_abc_caches_clear', '_abc_registry_clear', '_dump_registry', 'register']
>>> [x.__module__+'.'+x.__qualname__ for x in type.__subclasses__(type)]
['abc.ABCMeta', 'enum.EnumType', 'ast._ABC', 'typing._AnyMeta', 'typing.NamedTupleMeta', 'typing._TypedDictMeta', '__main__.M']
object字典减除type字典的差集中的方法或特性含摄：object字典与type字典的交集中的方法或特性含摄：type字典减除object字典的差集中的方法或特性主要含摄：- 标准类型层级中的做定制（custom）类的特殊特性
__name__、__bases__、__mro__和__dict__和特殊方法__subclasses__()[15]； - 对象特殊方法中的模拟可调用对象方法
__call__()[16]，和定制化实例与子类检查特殊方法__instancecheck__()和__subclasscheck__()[17]。 - 对象特殊方法中的定制化类创建的方法
__prepare__()的缺省实现[18]，和数据描述器__abstractmethods__，这个特殊属性由标准库的抽象基类（ABC）模块中的ABCMeta元类在__new__()方法中为其实例进行设置[19]，并可用函数update_abstractmethods()来更新[12]。
- 标准类型层级中的做定制（custom）类的特殊特性
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Python中的静态方法和类方法修饰器，基于了非数据描述器协议[21]，下面是静态方法描述器的纯Python等价者：
import functools
class StaticMethod():
"模拟cpython/Objects/funcobject.c中的PyStaticMethod_Type()"
def __init__(self, f):
self.f = f
functools.update_wrapper(self, f)
def __get__(self, obj, objtype=None):
return self.f
def __call__(self, *args, **kwds):
return self.f(*args, **kwds)
这里的__get__(self, obj)直接返回所包装的函数f，而__call__(self, *args, **kwds)以指定实际参数执行所包装的函数f。
下面是类方法描述器的纯Python等价者：
import functools
class ClassMethod():
"模拟cpython/Objects/funcobject.c中的PyClassMethod_Type()"
def __init__(self, f):
self.f = f
functools.update_wrapper(self, f)
def __get__(self, obj, cls=None):
if cls is None:
cls = type(obj)
return MethodType(self.f, cls)
这里的__get__(self, obj)通过方法类型MethodType，在从类或从实例发起调用而有传入的类引用cls的常见情况下，建立将函数f绑定到了cls上的方法对象；在没有传入的类引用的情况下，建立将函数f绑定到了type(obj)上的方法对象。
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考虑下面这个最简单的Python类：
class Car():
descr = None
def __init__(self, *args, **kwargs):
self.descr = kwargs
def __call__(self, *args, **kwargs):
self.descr |= kwargs
@property
def description(self):
"""返回这辆车的描述。"""
return " ".join(str(value) for value in self.descr.values())
>>> new_car = Car(make='Toyota', model='Prius', year=2005, engine='Hybrid')
>>> new_car(color='Green')
>>> new_car.description
'Toyota Prius 2005 Hybrid Green'
上面的例子包含了一些代码来处理初始化特性，也可以使用元类来完成这种任务：
class AttrInitType(type):
def __init__(cls, *args, **kwargs):
"""初始化新建的类。"""
#为新建的类增加类特性。
cls.descr = None
def __call__(cls, *args, **kwargs):
"""返回为所建的类新建的对象。"""
#截留给类构造子的关键字参数，以缺省方式建立对象。
obj = type.__call__(cls, *args)
#在对象初始化之后，按关键字参数在对象上设置特性。
obj.descr = kwargs
return obj
这个元类只覆写实例类和对象创建部分功能。元类行为的所有其他方面仍由type处理。现在可以重写类Car使用这个新元类：
class Car(object, metaclass=AttrInitType):
def __call__(self, *args, **kwargs):
self.descr |= kwargs
@property
def description(self):
"""返回这辆车的描述。"""
return " ".join(str(value) for value in self.descr.values())
Ruby元类
Ruby通过介入其自称的本征类（eigenclass），提炼了Smalltalk-80的元类概念，去除了Metaclass类，并重新定义了class-of映射。变更可以图示如下[22]：
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特别要注意在Smalltalk的隐含的元类和Ruby类的本征类之间的对应。Ruby的本征类模型，使得隐式元类概念完全统一：所有对象x，都有它自己的元对象，它叫作x的本征类，它比x高一个元层级。高阶本征类通常是纯粹概念上的存在，在大多数Ruby程序中，它们不包含任何方法也不存储任何（其他）数据[23]。
下面的示意图展示Ruby样例代码的核心结构[24]。这里的灰色节点表示打开A和v本征类后扩张出来的本征类。
r = BasicObject
c = Class
class A; end
class B < A; end
u = B.new
v = B.new
class << A; end
class << v; end
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在语言和工具中的支持
下面是支持元类的一些最显著的编程语言。
- Common Lisp，通过CLOS
- Delphi和受它影响的其他Object Pascal版本
- Groovy
- Objective-C
- Python
- Perl，通过元类pragma，还有Moose
- Ruby
- Smalltalk
- C++有关提议[25]
一些不甚广泛传播的语言支持元类，包括OpenJava、OpenC++、OpenAda、CorbaScript、ObjVLisp、Object-Z、MODEL-K、XOTcl和MELDC。其中几种语言可追溯日期至1990年代早期并具有学术价值[26]。
Logtalk是Prolog的面向对象扩展，它也支持元类。
另见
引用
Wikiwand - on
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