Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

В объектно-ориентированном программировании , метаклассом это класс , экземпляры которого являются классами. Так же, как обычный класс определяет поведение определенных объектов, метакласс определяет поведение определенных классов и их экземпляров. Не все объектно-ориентированные языки программирования поддерживают метаклассы. Среди тех, которые это делают, степень, в которой метаклассы могут переопределить любой заданный аспект поведения класса, варьируется. Метаклассы могут быть реализованы, если классы являются первоклассными гражданами , и в этом случае метакласс - это просто объект, который создает классы. У каждого языка есть свой собственный протокол метаобъектов , набор правил, регулирующих взаимодействие объектов, классов и метаклассов. [1]

Пример Python [ править ]

В Python встроенный класс type- это метакласс. [2] [3] [4] Рассмотрим этот простой класс Python:

class  Car :  def  __init__ ( self ,  make :  str ,  model :  str ,  year :  int ,  color :  str )  ->  None :  self . make  =  сделать  себя . модель  =  модель  себя . год  =  год  самостоятельно . color  =  цвет @property  def  description ( self ):  "" "Вернуть описание этой машины." ""  return  f " { self . color } { self . year } { self . make } { self . model } "

Во время выполнения Carсам является экземпляром type. Исходный код Carкласса, показанный выше, не включает такие детали, как размер Carобъектов в байтах , их двоичное расположение в памяти, способ их выделения, то, что __init__метод автоматически вызывается каждый раз при Carсоздании a и т. Д. Эти детали вступают в игру не только при создании нового Carобъекта, но и при каждом Carдоступе к любому атрибуту объекта . В языках без метаклассов эти детали определяются спецификацией языка и не могут быть изменены. В Python метакласс - typeконтролирует эти детали Carповедения. Их можно переопределить, используя другой метакласс вместо type.

Приведенный выше пример содержит некоторый избыточный код , чтобы сделать с четырьмя атрибутами make, model, year, и color. Отчасти эту избыточность можно устранить с помощью метакласса. В Python метакласс проще всего определить как подкласс type.

class  AttributeInitType ( type ):  def  __call__ ( self ,  * args ,  ** kwargs ):  "" "Создать новый экземпляр." "" # Сначала создайте объект обычным способом по умолчанию.  obj  =  тип . __call__ ( сам ,  * аргументы ) # Дополнительно установите атрибуты на новый объект.  для  имени ,  ценят  в  kwargs . items ():  setattr ( объект ,  имя ,  значение ) # Вернуть новый объект.  вернуть  объект

Этот метакласс отменяет только создание объекта. Все остальные аспекты поведения классов и объектов по-прежнему обрабатываются type.

Теперь класс Carможно переписать для использования этого метакласса. В Python 3 это делается путем предоставления "аргумента ключевого слова" metaclassопределению класса:

class  Car ( object ,  metaclass = AttributeInitType ):  @property  def  description ( self ):  "" "Вернуть описание этой машины." ""  return  "" . join ( str ( значение )  для  значения  в  self . __dict__ . values ())

Результирующий объект Carможет быть создан как обычно, но может содержать любое количество аргументов ключевого слова:

new_car  =  Автомобиль ( марка = 'Toyota' ,  модель = 'Prius' ,  год = 2005 ,  цвет = 'Зеленый' ,  двигатель = 'Гибрид' )

В Smalltalk-80 [ править ]

Иерархия метакласса Smalltalk-80 как диаграмма UML
Схема наследования и отношений экземпляров между классами и метаклассами в Smalltalk

В Smalltalk все является объектом . Кроме того, Smalltalk - это система на основе классов , что означает, что у каждого объекта есть класс, который определяет структуру этого объекта (т.е. переменные экземпляра, которые имеет объект) и сообщения, которые объект понимает. Вместе это означает, что класс в Smalltalk является объектом и, следовательно, класс должен быть экземпляром класса (называемого метаклассом).

Например, объект автомобиля cявляется экземпляром класса Car. В свою очередь, класс Carснова является объектом и, как таковой, экземпляром метакласса Carвызываемого Car class. Обратите внимание на пробел в имени метакласса. Имя метакласса - это выражение Smalltalk, которое при вычислении приводит к объекту метакласса. Таким образом, оценка Car classрезультатов в объекте метакласса Car, имя которого есть Car class(это можно подтвердить, оценив, Car class nameкоторый возвращает имя метакласса Car.)

Методы класса фактически принадлежат метаклассу, так же как методы экземпляра фактически принадлежат классу. Когда сообщение отправлено объекту 2, поиск метода начинается с Integer. Если он не найден, он переходит вверх по цепочке суперкласса, останавливаясь на объекте независимо от того, найден он или нет.

Когда сообщение отправлено, Integerпоиск метода начинается Integer classи продолжается вверх по цепочке суперкласса до Object class. Обратите внимание, что до сих пор цепочка наследования метакласса в точности повторяет цепочку наследования классов. Но цепочка метаклассов расширяется дальше, потому что Object classявляется подклассом Class. Все метаклассы являются подклассами класса.

В ранних версиях Smalltalks был только один вызываемый метакласс Class. Это подразумевало, что методы всех классов были одинаковыми, в частности, метод создания новых объектов, т new. Е .. Чтобы позволить классам иметь свои собственные методы и свои собственные переменные экземпляра (называемые переменными экземпляра класса, и их не следует путать с переменными класса ), Smalltalk-80 представил для каждого класса Cсвой собственный метакласс C class. Это означает, что каждый метакласс фактически представляет собой одноэлементный класс.

Поскольку нет требования, чтобы метаклассы вели себя иначе, чем другие, все метаклассы являются экземплярами только одного вызываемого класса Metaclass. Метаклассом Metaclassназывается , Metaclass classкоторый снова является экземпляром класса Metaclass.

В Smalltalk-80 каждый класс (кроме Object) имеет суперкласс . Абстрактный суперкласс всех метаклассов Class, которая описывает общий характер классов.

Иерархия суперклассов для метаклассов аналогична иерархии классов, за исключением класса Object. ВСЕ метаклассы являются подклассами Class, поэтому:

  • Object class superclass == Class.

Как сиамские близнецы , классы и метаклассы рождаются вместе. Metaclassимеет переменную экземпляра thisClass, которая указывает на связанный с ним класс. Обратите внимание, что обычный браузер классов Smalltalk не показывает метаклассы как отдельные классы. Вместо этого браузер классов позволяет редактировать класс вместе с его метаклассом одновременно.

Имена классов в иерархии метаклассов легко спутать с одноименными концепциями. Например:

  • Objectэто базовый класс, который предоставляет общие методы для всех объектов; «объект» - это целое число, или виджет, или и Carт. д.
  • Classявляется базой метаклассов, которая предоставляет общие методы для всех классов (хотя сам метакласс не является); «класс» - это что-то вроде Integer, или Widget, или Carи т. д.
  • Metaclass предоставляет общие методы для всех метаклассов.

Четыре класса предоставляют возможности для описания новых классов. Их иерархия наследования (от Object) и основные возможности, которые они предоставляют:

Объект - поведение по умолчанию, общее для всех объектов, например доступ к классу
Behavior - минимальное состояние для компиляции методов и создания / запуска объектов
ClassDescription ( абстрактный класс ) - имя класса / переменной, комментарии
Класс - аналогичные, более широкие возможности суперклассов
Метакласс - инициализация переменных класса, сообщения о создании экземпляра

В Ruby [ править ]

Ruby очищает концепцию метаклассов в Smalltalk-80, вводя собственные классы , удаляя Metaclassкласс и ( отменяя ) переопределение класса map. Это изменение можно схематически представить следующим образом: [5]

Smalltalk-80
Классы
Неявные
метаклассы
  
Терминальные
объекты
→
Рубин
Классы
Собственные
классы классов
Собственные классы
собственных
классов
Терминальные
объекты
Собственные классы
конечных объектов

Обратите внимание на соответствие между неявными метаклассами Smalltalk и собственными классами классов Ruby. The Ruby eigenclass модель делает концепцию неявного метаклассами полностью однородным: каждый объект х имеет свой собственный мета-объект, называемый eigenclass из х , который является один мета-уровень выше , чем х . Собственные классы «более высокого порядка» обычно существуют чисто концептуально - они не содержат никаких методов и не хранят никаких (других) данных в большинстве программ Ruby. [6]

На следующих диаграммах показано сравнение типовой структуры ядра Smalltalk-80 и Ruby. [7] В обоих языках структура состоит из встроенной части, которая содержит круглые объекты (т.е. объекты, которые появляются в цикле, образованном комбинацией синих или зеленых ссылок), и пользовательской части, которая имеет четыре явных объекта: классы Aи Bи терминальные объекты uи v. Зеленые ссылки показывают отношение наследования дочерний → родительский (с неявным направлением вверх), синие ссылки показывают дополнительное отношение член → контейнер создания экземпляра (синяя ссылка от x указывает на наименее актуальный контейнер x, который является начальной точкой для поиск метода, когда метод вызывается на x). Серые узлы отображают собственные классы (соответственно неявные метаклассы в случае Smalltalk-80).

Smalltalk-80 Рубин

На диаграмме справа также показано ленивое вычисление собственных классов в Ruby. Собственный vкласс объекта может быть оценен (выделен) в результате добавления одноэлементных методов в v.

Согласно названному методу интроспекции Ruby class, класс каждого класса (и каждого собственного класса) постоянно является Classклассом (обозначенным cна схеме как). Class, и Structявляются единственными классами, у которых есть классы как экземпляры. [8] [ оспаривается - обсудить ] Создание подклассов Classзапрещено. Следуя стандартному определению метаклассов, мы можем сделать вывод, что Classи Structявляются единственными метаклассами в Ruby. Кажется, это противоречит соответствию между Ruby и Smalltalk, поскольку в Smalltalk-80 каждый класс имеет свой собственный метакласс. Несоответствие основано на разногласиях между classметодом интроспекции в Ruby и Smalltalk. Пока картах ↦ х. classна терминальных объектах совпадает, отличается ограничением на классы. Как уже упоминалось выше, для класса xвыражение Ruby x.classпостоянно оценивается как Class. В Smalltalk-80, если xэто класс, тогда выражение x classсоответствует Ruby, x.singleton_classкоторое оценивается как собственный класс x.

В Objective-C [ править ]

Схема наследования и отношений экземпляров между классами и метаклассами в Objective-C. Обратите внимание, что Objective-C имеет несколько корневых классов; каждый корневой класс будет иметь отдельную иерархию. Эта диаграмма показывает только иерархию для примера корневого класса NSObject. Каждый другой корневой класс будет иметь аналогичную иерархию.

Метаклассы в Objective-C почти такие же, как и в Smalltalk-80, что неудивительно, поскольку Objective-C многое заимствует из Smalltalk. Как и в Smalltalk, в Objective-C переменные и методы экземпляра определяются классом объекта. Класс - это объект, следовательно, это экземпляр метакласса.

Как и в Smalltalk, в Objective-C методы класса - это просто методы, вызываемые для объекта класса, поэтому методы класса должны быть определены как методы экземпляра в его метаклассе. Поскольку разные классы могут иметь разные наборы методов класса, каждый класс должен иметь свой собственный отдельный метакласс. Классы и метаклассы всегда создаются как пара: среда выполнения имеет функции objc_allocateClassPair()и objc_registerClassPair()для создания и регистрации пар класс-метакласс соответственно.

У метаклассов нет имен; однако указатель на любой объект класса может упоминаться с помощью универсального типа Class(аналогично типу id, используемому для указателя на любой объект).

Поскольку методы класса наследуются через наследование, как и Smalltalk, метаклассы должны следовать схеме наследования, параллельной схеме наследования классов (например, если родительский класс класса A является классом B, то родительский класс метакласса A является метаклассом B), за исключением корневого класса.

В отличие от Smalltalk, метакласс корневого класса наследуется от самого корневого класса (обычно NSObjectиспользующего структуру Какао ). Это гарантирует, что все объекты класса в конечном итоге являются экземплярами корневого класса, так что вы можете использовать методы экземпляра корневого класса, обычно полезные служебные методы для объектов, на самих объектах класса.

Поскольку объекты метакласса не ведут себя по-разному (вы не можете добавлять методы класса для метакласса, поэтому все объекты метакласса имеют одинаковые методы), все они являются экземплярами одного и того же класса - метакласса корневого класса (в отличие от Smalltalk). Таким образом, метакласс корневого класса является экземпляром самого себя. Причина этого в том, что все метаклассы наследуются от корневого класса; следовательно, они должны наследовать методы класса корневого класса. [9]

Поддержка языков и инструментов [ править ]

Ниже приведены некоторые из наиболее известных языков программирования , поддерживающих метаклассы.

  • Common Lisp через CLOS
  • Delphi и другие версии Object Pascal, на которые он повлиял
  • Groovy
  • Цель-C
  • Python
  • Perl через прагму метакласса, а также Moose
  • Рубин
  • Болтовня
  • C ++ (планируется для C ++ 23 ) [10]

Некоторые менее распространенные языки, поддерживающие метаклассы, включают OpenJava , OpenC ++ , OpenAda , CorbaScript , ObjVLisp , Object-Z , MODEL-K , XOTcl и MELDC . Некоторые из этих языков появились в начале 1990-х годов и представляют академический интерес. [11]

Logtalk , объектно-ориентированное расширение Prolog , также поддерживает метаклассы.

Платформа описания ресурсов (RDF) и унифицированный язык моделирования (UML) поддерживают метаклассы.

См. Также [ править ]

  • Метамодель
  • Метапрограммирование
  • Метаобъект
  • Добрый (теория типов)
  • Отражение
  • Динамизм
  • Шаблон адаптера
  • Метакласс (семантическая сеть)
  • Что такое метакласс?

Ссылки [ править ]

  1. ↑ Ира Р. Форман и Скотт Дэнфорт (1999). Запуск метаклассов в работу . ISBN 0-201-43305-2.
  2. ^ Программирование IBM Metaclass на Python, части 1 Архивировано 3 сентября2008 г. на Wayback Machine , 2 и 3
  3. ^ Форум Artima: Метаклассы в Python 3.0 (часть 1 из 2) (часть 2 из 2)
  4. ^ Дэвид Мертц. "Учебник по программированию метаклассов Python" . ONLamp . Архивировано из оригинала на 30 апреля 2003 года . Проверено 28 июня 2006 года .
  5. ^ «Объектная модель Ruby: сравнение с Smalltalk-80» .
  6. ^ Паоло Перротта (2010). Метапрограммирование Ruby . Прагматическая книжная полка. ISBN 978-1-934356-47-0.
  7. ^ «Членство в объектах: основная структура объектной технологии» .
  8. ^ "Struct" . Руби Док . Дата обращения 1 мая 2015 .
  9. ^ Какао с любовью: что такое мета-класс в Objective-C?
  10. ^ Херб Саттер . «Метаклассы» (PDF) .
  11. ^ «Реализация миксинов на Java с использованием метаклассов» (PDF) . Архивировано из оригинального (PDF) 16 октября 2007 года . Проверено 27 ноября 2007 .