Pythonのメタクラス

typeはどこ？

そもそもPythonのクラスは、全てオブジェクトです。インスタンスはもちろん、インスタンスのもとになるクラスもオブジェクトです。全てのオブジェクトは必ず「型」を持ちます。

そして、 クラスはtypeのインスタンスです 。

例）文字列’abc’の型は以下のようになります。

>>> type('abc')
<type 'str'>

str型です。

この例では、「str」がクラスオブジェクトとなります。では、クラスオブジェクト「str」の型はどうなるか？以下のようにして調べます。

>>> type(str)
<type 'type'>

type型でした。

目に見えなくてもtypeが存在します。このように、クラスオブジェクトの型の「type」をメタクラスと呼びます。

メタクラスを何に使うか？

クラスに同じメソッドを持たせたい場合があります。サブクラスという方法で可能ですが、まったく無関係なクラスをサブクラスとして派生させるわけにはいきません。このような場合、Pythonでは「メタクラス」という仕組みを利用します。

環境

メタクラスの基本的な使い方

メタクラスの定義方法は、通常のクラス定義と変わりありません。ただし、特定の引数を用意する必要があります。

たとえば、次のような形です。

例）以下のようにMyMetaClassというメタクラスを定義しています。

>>> def extra(self): 
>>>     print("追加されたメソッド")
...  
>>> class MyMetaClass(type): 
>>>      def __init__(cls, classname, superclases, attributes):
>>>           cls.extra = extra

関数extraの中にメタクラスMyMetaClassが存在します。

>>> class MyClass(metaclass=MyMetaClass):
>>>     pass
... 
>>> myclass = MyClass()
>>> myclass.extra()
追加されたメソッド

class MyClass(metaclass=MyMetaClass):
    pass

myclass = MyClass()
myclass.extra()
追加されたメソッド 

メタクラスでシングルトンを実装する

シングルトンはデザインパターンの一種です。クラスが唯一のオブジェクトしか持たないことを保証するものです。（※つまり、クラスのインスタンスをひとつに制限します。）

これは、複数のインスタンスを持つ必要がないクラスを作るときに使います。これをメタクラスで実現します。

>>> class Singleton(type):
...     def __init__(cls, classname, superclases, attributes): 
...         cls.instance = None
...     def __call__(cls, *args, **kwargs):
...         if cls.instance is None:
...             cls.instance = super(Singleton, cls).__call__(*args, **kwargs)
...         return cls.instance
... 
>>> class SingletonClass(metaclass=Singleton):
...    pass

メタクラスを使ったクラス「SingletonClass」からインスタンスを作ります。

>>> ins1 = SingletonClass() 
>>> ins2 = SingletonClass()

同じインスタンスか判定します。

>>> if ins1 == ins2:
...     print("同じインスタンスです")
... else:
...     print("異なるインスタンスです")
... 
同じインスタンスです

インスタンスのidを表示してみます。

>>> print(id(ins1))
140534320890824
>>> print(id(ins2))
140534320890824

...     def __call__(cls, *args, **kwargs):
...         if cls.instance is None:
...             cls.instance = super(Singleton, cls).__call__(*args, **kwargs)
...         return cls.instance

...             cls.instance = super(Singleton, cls).__call__(*args, **kwargs)

if ins1 == ins2:
    print("同じインスタンスです")
else:
    print("異なるインスタンスです")

同じインスタンスです

print(id(ins1))
140534320890824
print(id(ins2))
140534320890824

「class Meta」はメタクラスではない

WEBフレームワークのDjangoでは、以下のような記述をする時があります。

class Question(models.Model):
    class Meta:
        verbose_name = '質問'
        verbose_name_plural = '質問の複数形'

まとめ

• メタクラスとは、インスタンスがクラスとなるクラスのことです。
• メタクラスは、関係のない別々のクラスに同じメソッドを持たせたい時に使います。
• メタクラスを定義するには、特定の引数を用意する必要があります。
• Pythonでは、特に指定がなければtypeがメタクラスです。
• 新しくメタクラスを追加する場合、typeクラスのサブクラスにする必要があります。