Trong những năm trở lại đây, khái niệm meta-programming đã không còn quá xa lạ với giới lập trình viên. Meta-programming có thể hiểu đơn giản là program tạo ra program. Trong bài viết này, chúng ta sẽ làm quen với feature trong Python, có chức năng tương tự như vậy. Hôm nay chúng ta sẽ cùng nghiên cứu qua metaclass trong Python, một cách ngắn gọn nhất, metaclass là class tạo ra class.

Type and Class

>>> class Foo:
...   pass
... 
>>> x = Foo()
  
>>> type(x)
<class '__main__.Foo'>
  
>>> type(Foo)
<class 'type'>

type của x là Foo, nhưng type của Foo là type. Một cách tổng quát, type của tất cả các class đều là type. type của các built-in classes cũng là type:

>>> for t in int, float, dict, list, tuple:
...     print(type(t))
...
<class 'type'>
<class 'type'>
<class 'type'>
<class 'type'>
<class 'type'>

Và cuối cùng, type của type cũng là type:

>>> type(type)
<class 'type'>

type là một metaclass, và tất cả các classes là instances. Giống như một object thông thường là instance của một class, tất cả class trong Python, đều là instance của type metaclass.

Như ví dụ dưới đây:

• x là một instance của class Foo
• Foo là một instance của type metaclass
• type cũng đồng thời là instance của type metaclass, và nó cũng là instane của chính nó.

Defining a Class Dynamically

built-in type() function, khi được truyền vào 1 tham số, sẽ trả về type của object. Kết quả trả về cũng chính là instance.class

>>> type(3)
<class 'int'>

>>> type(['foo', 'bar', 'baz'])
<class 'list'>

>>> t = (1, 2, 3, 4, 5)
>>> type(t)
<class 'tuple'>

>>> class Foo:
...     pass
...
>>> type(Foo())
<class '__main__.Foo'>

Khi được truyền 3 tham số - type(name, base, dct):

• name sẽ chỉ định class name. Nó sẽ trở thành __name__ attribute của class.

• bases chỉ định một tuple của các base classes để thừa kế. Nó sẽ trở thành __bases__ attribute của class.

• dct chỉ định namespace dictionary sẽ chứa các definition của class body. Nó sẽ trở thành __dict__ attribute của class.

Khi type được gọi với 3 tham số, nó sẽ tạo ra một instance của type metaclass, cũng giống như khi ta dùng từ khóa class để tạo class. Nói một cách khác, nó dynamically tạo class.

Trong các ví dụ tiếp theo, đoạn code ở trên sẽ dynamically định nghĩa class với type(), đoạn code ở dưới sẽ định nghĩa class theo cách thông thường, sử dụng class keyword. Với mỗi ví dụ, cả hai đoạn code sẽ cho ra kết quả như nhau:

Example 1

Trong ví dụ đầu tiên này, <bases> và <dct> được truyền vào type() là rỗng. Sẽ không có kế thừa từ lớp cha, và không có giá trị khởi tạo mặc định nào. Đây sẽ là một định nghĩa class đơn giản nhất có thể:

>>> Foo = type('Foo', (), {})

>>> x = Foo()
>>> x
<__main__.Foo object at 0x04CFAD50>

>>> class Foo:
...     pass
...
>>> x = Foo()
>>> x
<__main__.Foo object at 0x0370AD50>

Example 2

Ở ví dụ 2 này, <bases> là một type chứa duy nhất một phần từ Foo, chỉ định lớp cha mà Bar sẽ kế thừa. Và một attribute, attr, được mặc định định vào namespace dictionary:

>>> Bar = type('Bar', (Foo,), dict(attr=100))

>>> x = Bar()
>>> x.attr
100
>>> x.__class__
<class '__main__.Bar'>
>>> x.__class__.__bases__
(<class '__main__.Foo'>,)

>>> class Bar(Foo):
...     attr = 100
...

>>> x = Bar()
>>> x.attr
100
>>> x.__class__
<class '__main__.Bar'>
>>> x.__class__.__bases__
(<class '__main__.Foo'>,)

Example 3

Lần này, <bases> sẽ rỗng. Hai object sẽ được đặt vào namespace dictionary thông qua tham số <dct>. Tham số thứ nhất sẽ là attribute có tên là attr và tham số thứ hai sẽ là function tên là attr_val, nó sẽ trở thành method của class:

>>> Foo = type(
...     'Foo',
...     (),
...     {
...         'attr': 100,
...         'attr_val': lambda x : x.attr
...     }
... )

>>> x = Foo()
>>> x.attr
100
>>> x.attr_val()
100

>>> class Foo:
...     attr = 100
...     def attr_val(self):
...         return self.attr
...

>>> x = Foo()
>>> x.attr
100
>>> x.attr_val()
100

Example 4

Sữ chỉ có những function đơn giản được định nghĩa với lambda trong python. Trong ví dụ này, một function tương đối phức tạp sẽ được định nghĩa riêng, rồi gán cho biến attr_val trong namespace dictionary:

>>> def f(obj):
...     print('attr =', obj.attr)
...
>>> class Foo:
...     attr = 100
...     attr_val = f
...

>>> x = Foo()
>>> x.attr
100
>>> x.attr_val()
attr = 100

Custom Metaclasses

Chúng ta cùng xem lại ví dụ này:

>>> class Foo:
...     pass
...
>>> f = Foo()

Biểu thức Foo() sẽ tạo một instance mới của class Foo. Khi trình thông dịch gặp biểu thức Foo(), những xử lý sau sẽ xảy ra:

• Foo là instance của class type, cho nên, phương thức __call__() ở class type sẽ được gọi.
• Function __call__() sẽ thực thi lần lượt:
  • __new__()
  • __init__()

Nếu Foo không định nghĩa __new__() và __init__(), chúng sẽ được thừa kế từ lớp cha của Foo. Trường hợp tại Foo có định nghĩa, thì chúng sẽ override các thuộc tính này ở lớp cha, cho phép chúng ta tùy biến behavior khi khởi tạo Foo instance.

Trong ví dụ sau đây, một custom method gọi là new() sẽ được định nghĩa và gán cho __new__() method của Foo.

>>> def new(cls):
...     x = object.__new__(cls)
...     x.attr = 100
...     return x
...
>>> class Foo:
...     pass
..
>>> Foo.__new__ = new

>>> f = Foo()
>>> f.attr
100

>>> g = Foo()
>>> g.attr
100

Như vậy, mỗi khi một instance của class Foo tạo ra, nó sẽ mặc định có một thuộc tính attr, giá trị là 100. (thông thường để thực hiện behavior này, chúng ta sẽ đặt nó vào __init__())

Như chúng ta đã biết thì trong Python, mọi thứ đều là objects, và classes cũng là objects (classes là instance của metaclass type). Trường hợp ta muốn can thiệp và chỉnh sửa quá trình tạo ra một class. Ta có thể làm như sau:

>>> class Meta(type):
...     def __new__(cls, name, bases, dct):
...         x = super().__new__(cls, name, bases, dct)
...         x.attr = 100
...         return x
...

Dòng đầu tiên, class Meta(type): có nghĩa class Meta sẽ kế thừa từ metaclass type. Điều đó cũng có nghĩa, Meta lúc này cũng là một metaclass. (Metaclass là class được dùng để tạo ra class).

Chú ý ở phương thức __new__() được định nghĩa trong lớp Meta. Khi được sử dụng như vậy, nó sẽ override phương thức __new__() này ở lớp type. Phương thức này sẽ làm những việc sau đây:

• Delegate thông qua super() tới phương thức __new__() của lớp metaclass cha (type) để nó tạo ra class.
• Gán một thuộc tính attr cho class, với giá trị 100
• Trả về lớp vừa được tạo ra.

Nào, bây giờ chúng ta hãy cùng nhau sử dụng metaclass vừa định nghĩa:

>>> class Foo(metaclass=Meta):
...     pass
...
>>> Foo.attr
100

Voila! class Foo tự động có thuộc tính attr từ Meta metaclass.

Cúng tương tự như việc, các class functions sẽ là template để tạo ra các objects, các metaclass functions sẽ là template để tạo ra các classes. Metaclass thỉnh thoảng còn được gọi là "class factories".

Hãy thử so sánh 2 ví dụ sau đây:

Object Factory:

>>> class Foo:
...     def __init__(self):
...         self.attr = 100
...

>>> x = Foo()
>>> x.attr
100

>>> y = Foo()
>>> y.attr
100

>>> z = Foo()
>>> z.attr
100

Class Factory

>>> class Meta(type):
...     def __init__(
...         cls, name, bases, dct
...     ):
...         cls.attr = 100
...
>>> class X(metaclass=Meta):
...     pass
...
>>> X.attr
100

>>> class Y(metaclass=Meta):
...     pass
...
>>> Y.attr
100

>>> class Z(metaclass=Meta):
...     pass
...
>>> Z.attr
100

Is This Really Necessary?

Sau khi đã tìm hiểu qua về metaclass, cũng như cách tạo một custome metaclass, thứ mà chúng ta quan tâm bây giờ là, tính năng này có thực sự cần thiết không ?

Metaclass, nó cũng đơn giản như là ví dụ về class factory ở trên vậy, nó chính là bản chất của cách mà metaclass hoạt động. Tất cả những gì nó làm là customize quá trình tạo ra class.

Nếu chỉ đơn thuần là thêm một custom attribute attr vào cho cái class mới, thì có nhiều kỹ thuật khác cũng cho ra behavior tương tự.

Simple Inheritance

>>> class Base:
...     attr = 100
...

>>> class X(Base):
...     pass
...

>>> class Y(Base):
...     pass
...

>>> class Z(Base):
...     pass
...

>>> X.attr
100
>>> Y.attr
100
>>> Z.attr
100

Class Decorator

>>> def decorator(cls):
...     class NewClass(cls):
...         attr = 100
...     return NewClass
...
>>> @decorator
... class X:
...     pass
...
>>> @decorator
... class Y:
...     pass
...
>>> @decorator
... class Z:
...     pass
...

>>> X.attr
100
>>> Y.attr
100
>>> Z.attr
100

Vậy thì, quay lại câu hỏi của chúng ta, metaclass có thực sự cần thiết ? Đây thực sự là một câu hỏi mở và không có câu trả lời chính xác, nên ta có thể tạm kết ở đây là một câu nói của một người khá nổi tiếng trong cộng đồng Python, Tim Peters, tác giả của Zen of Python

“Metaclasses are deeper magic than 99% of users should ever worry about. If you wonder whether you need them, you don’t (the people who actually need them know with certainty that they need them, and don’t need an explanation about why).”

— Tim Peters

Reference

1. https://realpython.com/python-metaclasses/