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在面向對象程序設計中，元類（英語：metaclass）是一種實例是類的類。普通的類定義的是特定對象的行為，元類定義的則是特定的類及其實例的行為。不是所有面向對象編程語言都支持元類。在它能做的事情之中，元類可以覆寫任何給定方面類行為的程度是不同的。元類可以通過使類成為頭等對象來實現，在這種情況下元類簡單的就是構造類的一個對象。每個語言都有它自己的元對象協議，給出對象、類和元類如何交互的規則[1]。
Smalltalk-80元類
在Smalltalk中，所有東西都是對象。此外，Smalltalk是基於類的系統，這意味着所有對象都有一個類，它定義這個對象的結構（比如說這個類擁有實例變量），和這個對象所理解的消息。二者在一起蘊含了，在Smalltalk中，類是一個對象，因此類也需要是它的元類的實例。
元類在Smalltalk-80系統中的主要角色，是提供協議來初始化類變量，和建立元類的唯一實例（也就是其對應的類）的初始化實例。
為了允許類擁有它們自己的方法，和叫作類實例變量它們自己的實例變量，Smalltalk-80為每個類C介入了它們自己的元類C class。就像實例方法實際上屬於類一樣，類方法實際上屬於元類。在類中定義實例變量和類變量，而在元類中定義類實例變量。
每個元類在效果上都是單例類。就像連體雙胞胎，類和元類是共生的。元類有一個實例變量thisClass，它指向它結合的類。平常的Smalltalk類瀏覽器，不將元類展示為單獨的類，轉而允許一起同時編輯類和它的元類。
要得到一個實例的類，需要向它發送消息調用class方法。類和元類繼承了其超類的name方法，它返回接收者名字的字符串。例如，轎車對象c是類Car的實例，則c class返回Car類對象，而c class name返回'Car'；依次類推，Car class返回Car的元類對象，而Car class name返回依賴於實現，有的是nil，即沒有名字，有的是'Car class'，即用空格分隔的類名字和'class'。
在早期的Smalltalk-76中，創建新類的方式是向Class類發送new消息[2][3]。在Smalltalk-80中，Class是元類的基礎類，它是類而不是元類。所有元類都是一個Metaclass類的實例。Metaclass類是Metaclass class的實例，而Metaclass class作為元類，也是Metaclass類的實例。
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在Smalltalk-80中，終端對象是一個整數、一個組件、或一台車等，而類是像Integer、或Widget或Car等這樣的東西，除了Object之外，所有的類都有一個超類。元類所繼承的元類，就是元類對應的類所繼承的類的元類。
在一個消息被發送到對象的時候，方法的查找開始於它的類。如果沒有找到則在上行超類鏈，停止於Object而不管找到與否。在一個消息被發送到一個類的時候，類方法查找開始於它的元類，並上行超類鏈至Object class。直至Object class，元類的超類層級並行於類的超類層級。在Smalltalk-80中，Object class是Class的子類：
Object class superclass == Class.
類方法的查找在元類鏈之後仍可繼續下去，所有元類都是Class的在繼承層級中的子類，它是所有元類的抽象超類，它描述這些類的一般性質，繼而最終可上溯至Object。
四個類提供描述新類的設施，下面是它們的繼承層級（起自Object），和它們提供的主要設施：
Object，對象類是所有類的基礎類，它為所有對象提供公共的方法，即公共的缺省行為。至少包括了：測試對象的功能比如class方法，比較對象，對象複製，訪問對象的各部份，打印和存儲對象，錯誤處理。Behavior，行為類定義了擁有實例的對象所需要的最小狀態。Behavior提供建立一個類的實例的new方法，包括了一個類層級連接（superclass:），一個方法字典（methodDictionary:、addSelector:withMethod:等），和對實例的描述（allInstances、instVarNames等）。Behavior還為Smalltalk解釋器提供到編譯器的基本接口來編譯方法源代碼（compile:等）。儘管一個類的多數設施都規定在Behavior中，但很多消息不能於此實現，對類的完全描述轉而在它的子類之中提供。ClassDescription，類描述類為Class和Metactass提供了共同的基礎類。它表現為：類命名（name）、類注釋（comment和comment:）、和命名實例變量（addlnstVarName:等）。特別是，它增加了結構來組織在方法字典中方法（compile:classified:）和類自身（category:）。ClassDescription還提供了在外部串流（文件）上存儲完全的類描述的機制，和記述對類描述的變更的機制。Metaclass，元類類是創建元類的類，它為所有元類提供公共的方法[4]。Metaclass增加了關鍵性消息，一個是發送到Metaclass自身的消息subclassOf: superMeta，用來創建元類superMeta的一個子類；另一個是發送到Metaclass某個實例的消息，用來建立這個元類的唯一實例，並對這個類進行完全的初始化，它的一系列參數中針對類和超類名字的參數是：name:……subclassOf:……。Class，類類是所有元類的基礎類，它為所有類提供公共的方法。Class提供比ClassDescription更具描述性的設施，尤其是增加了對類變量名字（addClassVarName:等）和共享的池變量（addSharedPool:等）的表示，並定義了預期在子類中覆寫的方法initialize，即在需要時定義在元類中的類方法initialize來初始化類變量。Class還提供比Behavior更綜合性的編程支持設施，比如創建一個類的子類的消息：subclass:instanceVariableNames:classVariableNames:poolDictionaries:category:。
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下列例子展示，從Smalltalk-80派生的Squeak和Pharo的樣例代碼的結構[5]，它們的繼承層級的根類實際上是ProtoObject，ProtoObject封裝了所有對象都必須擁有的極小化的消息集合，它被設計為引發儘可能多的錯誤，用來支持代理（proxy）定義[6]。例如Smalltalk-80的Object中，錯誤處理消息doesNotUnderstand:，和系統原始消息become:，就轉而在ProtoObject中定義了。
在示意圖中，縱向的綠色連接，展示繼承聯繫的「子→父」關係（隱含的自下而上），橫向的藍色連接展示實例聯繫的「成員→容器」關係，從x出的發藍色連接，指向x的最小實際容器，它是在調用在x上的方法時查找方法的繼承鏈起點：
r := ProtoObject.
c := Class.
mc := Metaclass.
Object subclass: #A.
A subclass: #B.
u := B new.
v := B new.
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這個結構由兩個部份構成，用戶部份有四個顯式的對象和類及其兩個隱式的元類：終端對象u和v，它們連接到的類A和B，它們兩個連接到的右側灰色節點表示的隱式的元類，其他的對象都是內建部份。
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下面是方法查找次序的辨析：
- 每個終端對象，在查找方法時，都首先查找自己的類；然後按類繼承鏈上溯，最終直接上溯至
Object（對象類）。 - 每個類，包括
Object（對象類）、Class（類類）和Metaclass（元類類），在查找查找方法時，首先查找自己的元類；然後按元類繼承鏈上溯，最終經過Object class（對象元類）而上溯至Class（類類）；接着按類繼承鏈上溯ClassDescription（類描述類），最終經過Behavior（行為類）上溯至Object（對象類）。 - 每個元類，包括
Metaclass class（元類元類），在查找方法時，首先查找Metaclass（元類類）；然後按類繼承鏈上溯ClassDescription（類描述類），最終經過Behavior（行為類）上溯至Object（對象類）。
下面是兩個示意圖，二者都是縱向連線表示實例聯繫，而橫向連線表示繼承聯繫。實例聯繫以Metaclass（元類類）及其元類為頂端，而繼承聯繫以Object（對象類）及其元類為中心，其中Object class（對象元類）繼承Class（類類）是串接元類繼承鏈與類繼承鏈的關鍵環節。前者圖示將Metaclass及其元類放置在最上方的獨立兩行，使得實例聯繫儘量成為樹狀向上匯聚；後者圖示將Metaclass及其元類放置在最左邊，使得繼承聯繫儘量都在同一行之上。
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Smalltalk中在類和元類之間的繼承和實例聯繫的示意圖，這裡從左至右，第一列是Metaclass元類和Metaclass（元類類），第二列是Class元類和Class（類類），第三列是ClassDescription元類與Behavior元類、和ClassDescription（類描述類）與Behavior（行為類），第四列是Object元類、Object（對象類）和Object實例，第五列是Foo元類、Foo類和Foo實例，第六列是Bar元類、Bar類和Bar實例。
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Objective-C元類
在Objective-C中的元類，幾乎同於Smalltalk-80的元類，這是因為Objective-C從Smalltalk引進了很多東西。就像Smalltalk，在Objective-C中實例變量和方法是對象的類定義的。類也是對象，因此它是元類的一個實例。
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在Objective-C中在類和元類之間的繼承和實例聯繫的示意圖。注意Objective-C有多個根類，每個根類都有獨立的層級。這個示意圖只展示了例子根類NSObject的層級。每個其他根類都有類似的層級。
就像Smalltalk，在Objective-C中類方法，簡單的是在類對象上調用的方法，因此一個類的類方法，必須定義為在它的元類中的實例方法。因為不同的類有不同的類方法集合，每個類都必須有它自己單獨的元類。類和元類總是成對創建：運行時系統擁有函數objc_allocateClassPair()和objc_registerClassPair()來分別的創建和註冊類-元類對。
元類沒有名字，但是到任何類對象的指針，可以通過泛化類型Class來提及（類似於用作到任何對象的指針的類型id）。
元類都是相同的類即根類元類的實例，而根類元類是自身的實例。因為類方法是通過繼承聯繫來繼承的，就像Smalltalk，除了根類元類之外，元類繼承聯繫必須並行於類繼承聯繫（比如說如果類A的父類是類B，則A的元類的父類是B的元類）。
不同於Smalltalk，根類元類繼承自根類自身（通常為使用Cocoa框架的NSObject）。這確保了所有的元類最終都是根類的子類，從而人們可以將根類的實例方法，它們通常是針對對象有用的實用方法，使用於類對象自身上。
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Python元類
在Python中，內建的類type是元類[7]。Python中的元類type，在其專有功能上涉及到Smalltalk-80中的類描述類（ClassDescription）、元類類（Metaclass）和類類（Class）。
Python與Smalltalk-80在對象系統上最顯著區別，是Python中類方法的創建由內建的類方法修飾器classmethod統一處理，經過修飾的類方法與實例方法以同樣的方式存儲在類中。由於不需要為每個類建立自己的元類來持有它的類方法，也就無需再特設Smalltalk-80中的元類類Metaclass。每個類在創建自身子類時查找構造方法最終上溯到共同的一個類，它在Smalltalk-80中是類類Class，而在Python中就是類型類type。
在Python中可以創建繼承自缺省元類type的定製元類，用戶可以通過在類定義中提供關鍵字參數metaclass來使用這種定製元類。例如：
r = object
c = type
class M(c): pass
class A(metaclass=M): pass
class B(A):
def f(): pass
b = B()
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下面先建立輔助函數：
def review(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__]))
再內省這個例子所建立的類與對象，和內建的所有類的基類object與元類type:
>>> print(type(b).__name__, ' '*5, [*b.__dict__])
B []
>>> inspect(B)
M ['A'] ['__doc__', '__firstlineno__', '__module__', '__static_attributes__', 'f']
>>> assert dir(b) == dir(B) == sorted(b.__dir__()) != sorted(B.__dir__(B))
>>> assert vars(B) == B.__dict__
>>> 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__']
>>> assert type.__name__ in __builtins__.__dict__
>>> review(type)
type ['object']
>>> assert object.__name__ in __builtins__.__dict__
>>> review(object)
type []
>>> 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']
object字典減除type字典的差集中的方法或特性含攝：object字典與type字典的交集中的方法或特性含攝：type字典減除object字典的差集中的方法或特性主要含攝：- 標準類型層級中的做定製（custom）類的特殊特性
__name__、__bases__、__mro__和__dict__和特殊方法__subclasses__()[14]； - 對象特殊方法中的模擬可調用對象方法
__call__()[15]，和定製化實例與子類檢查特殊方法__instancecheck__()和__subclasscheck__()[16]。 - 對象特殊方法中的定製化類創建的方法
__prepare__()的缺省實現[17]，和數據描述器__abstractmethods__，這個特殊屬性由標準庫的抽象基類（ABC）模塊中的ABCMeta元類在__new__()方法中為其實例進行設置[18]，並可用函數update_abstractmethods()來更新[11]。
- 標準類型層級中的做定製（custom）類的特殊特性
接着內省標準類型層級中的實例方法[19]，和對象特殊方法中的實行（implementing）描述器方法[20]：
>>> type(b.f)
<class 'method'>
>>> type(B.f)
<class 'function'>
>>> assert B.f is B.__dict__['f']
>>> sorted({*b.f.__dir__()} - {*B.f.__dir__()})
['__func__', '__self__']
>>> assert b.f.__func__ is B.f
>>> assert b.f.__self__ is b
>>> assert A.__subclasscheck__(B) is True
>>> assert object.__subclasscheck__(type) is True
>>> assert type.__subclasscheck__(type, M) is True
>>> type(object.__subclasscheck__)
<class 'builtin_function_or_method'>
>>> sorted({*object.__subclasscheck__.__dir__()} - {*type.__subclasscheck__.__dir__()})
['__module__', '__self__']
>>> assert object.__subclasscheck__.__self__ is object
>>> assert object.__subclasscheck__.__module__ is None
>>> type(type.__subclasscheck__)
<class 'method_descriptor'>
>>> sorted({*type.__subclasscheck__.__dir__()} - {*object.__subclasscheck__.__dir__()})
['__get__', '__objclass__']
>>> type(type.__subclasscheck__.__get__(object))
<class 'builtin_function_or_method'>
>>> assert type.__subclasscheck__.__get__(object)(type) is True
>>> assert B.__instancecheck__(b) is True
>>> assert M.__instancecheck__(M, B) is True
>>> assert type.__instancecheck__(type, M) is True
>>> type(object.__instancecheck__)
<class 'builtin_function_or_method'>
>>> type(type.__instancecheck__)
<class 'method_descriptor'>
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下面承接上例，內省內建類型int、抽象基類numbers.Integral和作為元類type子類的抽象基類元類ABCMeta[21]:
>>> assert int.__name__ in __builtins__.__dict__
>>> review(int)
type ['object']
>>> import numbers
>>> review(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
>>> review(ABC)
ABCMeta ['object']
>>> sorted({*ABC.__dict__} - {*A.__dict__})
['__abstractmethods__', '__slots__', '_abc_impl']
>>> ABC.__abstractmethods__
frozenset()
>>> assert type.__instancecheck__(ABCMeta, numbers.Integral) is True
>>> review(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']
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Python中的靜態方法和類方法修飾器，基於了非數據描述器協議[22]，下面是靜態方法描述器的純Python等價者[23]：
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)
這裡的__get__(self, obj)直接返回所包裝的函數f，而__call__(self, *args, **kwds)以指定實際參數執行所包裝的函數f。
在Python中，類型和方法可以在運行時動態創建[24]，下面是類方法描述器的純Python等價者[23]：
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)
這裡的__get__(self, obj)通過方法類型MethodType，在從類或從實例發起調用而有傳入的類引用cls的常見情況下，建立將函數f綁定到了cls上的方法對象；在沒有傳入的類引用的情況下，建立將函數f綁定到了type(obj)上的方法對象。
考慮下面這個最簡單的Python類：
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碼來處理初始化特性，也可以使用元類來完成這種任務：
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
這個元類只覆寫實例類和對象創建部份功能。元類行為的所有其他方面仍由type處理。現在可以重寫類Car使用這個新元類：
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元類
Ruby通過介入其自稱的本徵類（eigenclass），提煉了Smalltalk-80的元類概念，去除了Metaclass類，並重新定義了class-of映射。變更可以圖示如下[25]：
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特別要注意在Smalltalk的隱含的元類和Ruby類的本徵類之間的對應。Ruby的本徵類模型，使得隱式元類概念完全統一：所有對象x，都有它自己的元對象，它叫作x的本徵類，它比x高一個元層級。高階本徵類通常是純粹概念上的存在，在大多數Ruby程序中，它們不包含任何方法也不存儲任何（其他）數據[26]。
下面的示意圖展示Ruby樣例代碼的核心結構[27]。這裡的灰色節點表示打開A和v本徵類後擴張出來的本徵類。
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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在語言和工具中的支持
下面是支持元類的一些最顯著的編程語言。
- Common Lisp，通過CLOS
- Delphi和受它影響的其他Object Pascal版本
- Groovy
- Objective-C
- Python
- Perl，通過元類pragma，還有Moose
- Ruby
- Smalltalk
- C++有關提議[28]
一些不甚廣泛傳播的語言支持元類，包括OpenJava、OpenC++、OpenAda、CorbaScript、ObjVLisp、Object-Z、MODEL-K、XOTcl和MELDC。其中幾種語言可追溯日期至1990年代早期並具有學術價值[29]。
Logtalk是Prolog的面向對象擴展，它也支持元類。
另見
引用
Wikiwand - on
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