印象中，是在创建单例模式时知道可以用到元类（metaclass），但始终对其了解的不是很透彻，很多人也都说元类是Python中较难理解的概念之一，于是找来几本书，希望可以找到答案，本文以Python3为例。
本文参考：
《人人都懂设计模式》
《Python Cookbook》
《 流畅的Python》
先来简单介绍下：元类（metaclass）是一个类，你也可以理解为类的类，因为Python中的类是在运行时动态创建的，那么通过元类便可以控制类属性和类实例的创建过程。
来看看用元类实现的单例模式：
class Singleton(type):
"""
单例模式
"""
def __init__(cls, *args, **kwargs):
cls.__instance = None
super().__init__(*args, **kwargs)
def __call__(cls, *args, **kwargs):
if cls.__instance is None:
cls.__instance = super().__call__(*args, **kwargs)
return cls.__instance
class Test(metaclass=Singleton):
def __init__(self):
pass
a = Test()
b = Test()
print(id(a))
print(id(b))
具体的实现是：创建类时显式的指定类的metaclass，而自定义的metaclass继承type，并重新实现__call__方法。
于是，有了两个问题：
- 为什么自定义的metaclass继承type？
因为，在Python中，type是默认的metaclass（内建元类），Python允许我们自定义metaclass，自定义的metaclass必须继承自type，也就是：元类从type类继承了构建类的能力。
我们通常用type来获取对象所属的类，就像这样：
In [10]: a = 10
In [11]: type(a)
Out[11]: int
然而，type还是一个类，你可以通过type来新建一个类，看type的源码，通过type(name, bases, dict)便可以生成一个新的类：
In [44]: test_class = type('Test', (), dict({'name': None}))
In [45]: a = test_class()
In [46]: a.name = 'Tony'
In [47]: a.name
Out[47]: 'Tony'
默认情况下，Python中类都是type类的实例:
In [12]: class A:
...: pass
...:
In [13]: A.__class__
Out[13]: type
In [14]: int.__class__
Out[14]: type
当你使用class关键字时，Python在幕后做的事情，就是通过元类来实现的。
- 为什么重新定义
__call__方法？
提出该问题是因为，与Python类创建相关的方法是：
__new__：类方法，负责对象的创建，在定义类时需要返回一个实例，在我们通过类名进行实例化对象时自动调用。
__init__：初始化函数，负责对new实例化的对象进行初始化，负责对象状态的更新和属性的设置，在每一次实例化对象之后调用。
而我们常用__call__方法只是为了声明这个类的对象是可调用的（callable）。
但是，在metaclass中__call__方法还负责对象的创建，这就是为什么要重新定义的原因了。
重定义了__call__方法之后，一个对象的创建过程大概如下图：
我们验证一下：
class TestMetaClass(type):
def __init__(cls, what, bases=None, dict=None):
print("metaclass init")
super().__init__(what, bases, dict)
def __call__(cls, *args, **kwargs):
print("metaclass call")
self = super(TestMetaClass, cls).__call__(*args, **kwargs)
return self
class TestClass(metaclass=TestMetaClass):
def __init__(self, *args, **kwargs):
print("class init")
super().__init__()
def __new__(cls, *args, **kwargs):
print("class new")
self = super().__new__(cls)
return self
a = TestClass()
返回：
metaclass init
metaclass call
class new
class init
可以看到，__call__方法在类执行__new__和__init__之前执行，这样就可以解释：
在Singleton中的__call__方法对类属性__instance进行判断：
- 如果
__instance为None，表明类还未进行实例化，那么给__instance赋值为元类的父类（type）的__call__方法。 - 如果
__instance不为None，说明类已经进行过实例化，直接返回cls.__instance中的类实例。
便实现了单例模式。
除了重新定义__call__以外，元类可以通过实现__init__方法来定制实例，元类的__init__方法可以做到类装饰器能做到的任务事情，并且作用更大。
如果想要进一步定制类，可以在元类中实现__new__方法。
另，编写元类时，通常会把self参数改为cls，这样能更清楚的表明要构建的实例是类。
元类的调用
上述例子中，都是通过metaclass=''来设置类的元类，还可以这样：
class TestClass():
__metaclass__ = TestMetaClass
def __init__(self, *args, **kwargs):
print("class init")
super().__init__()
在执行类定义时，解释器会先寻找这个类属性中的__metaclass__，如果此属性存在，就将这个属性赋值给此类作为它的元类，如果此属性没有定义的话，就会向上查找父类的__metaclass__，如果没有发现任何的父类，并且解释器中也没有名字为__metaclass__的全局变量，这个类就是传统类，会使用type.ClassType作为此类的元类。
以上。
