元类（metaclass）是 Python 面试中的高级主题，主要考察候选人对类和对象底层机制的理解。以下是常见的 Python 元类面试题及详细解答：

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1. 什么是元类？

回答：

元类是用于创建类的类。普通类的实例是对象，而元类的实例是类。默认的元类是 type。

示例：

python"># 使用 type 创建一个类
MyClass = type('MyClass', (object,), {'attr': 42})# 访问类属性
print(MyClass.attr)  # 输出: 42# 创建类的实例
obj = MyClass()
print(obj.attr)  # 输出: 42

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2. 如何定义和使用元类？

回答：

自定义元类需要继承 type 并重写 __new__ 或 __init__ 方法。

示例：

python">class MyMeta(type):def __new__(cls, name, bases, dct):print(f"Creating class {name}")return super().__new__(cls, name, bases, dct)# 使用元类创建类
class MyClass(metaclass=MyMeta):pass# 输出: Creating class MyClass

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3. __new__ 和 __init__ 在元类中的作用？

回答：

• __new__：负责创建类对象，在类创建前执行。
• __init__：负责初始化类对象，在类创建后执行。

示例：

python">class MyMeta(type):def __new__(cls, name, bases, dct):print(f"__new__ called for {name}")return super().__new__(cls, name, bases, dct)def __init__(cls, name, bases, dct):print(f"__init__ called for {name}")super().__init__(name, bases, dct)class MyClass(metaclass=MyMeta):pass# 输出:
# __new__ called for MyClass
# __init__ called for MyClass

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4. 元类的使用场景是什么？

回答：

元类通常用于控制类的行为或动态修改类。常见场景包括：

1. 类属性验证：
   验证类的定义是否满足特定规则。
2. 动态添加方法或属性：
   在类创建时添加额外功能。
3. 框架开发：
   Django 和 SQLAlchemy 等框架使用元类来处理 ORM 映射。

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5. 如何在类中动态添加方法或属性？

示例：

python">class MyMeta(type):def __new__(cls, name, bases, dct):dct['new_attr'] = "I am dynamically added"return super().__new__(cls, name, bases, dct)class MyClass(metaclass=MyMeta):passprint(MyClass.new_attr)  # 输出: I am dynamically added

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6. 如何限制类的继承结构？

回答：

元类可以通过在 __new__ 或 __init__ 中检查 bases 参数，限制类的继承结构。

示例：

python">class SingletonMeta(type):def __new__(cls, name, bases, dct):if bases and Singleton in bases:raise TypeError(f"{name} cannot inherit from Singleton")return super().__new__(cls, name, bases, dct)class Singleton(metaclass=SingletonMeta):pass# 不允许继承
class Subclass(Singleton):  # 抛出 TypeErrorpass

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7. 实现一个单例模式的元类

示例：

python">class SingletonMeta(type):_instances = {}def __call__(cls, *args, **kwargs):if cls not in cls._instances:cls._instances[cls] = super().__call__(*args, **kwargs)return cls._instances[cls]class MyClass(metaclass=SingletonMeta):passa = MyClass()
b = MyClass()
print(a is b)  # 输出: True

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8. type 和 object 的关系是什么？

回答：

• type 是所有类的元类，包括 object 本身。
• object 是所有类的基类。
• type 和 object 的关系：
  • type 是 object 的类。
  • object 是 type 的实例。

示例：

python">print(type(object))  # 输出: <class 'type'>
print(type(type))    # 输出: <class 'type'>

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9. 如何用元类控制类方法的行为？

回答：

通过在元类中修改类的方法，控制其行为。

示例：

python">class MyMeta(type):def __new__(cls, name, bases, dct):if 'greet' in dct:original_method = dct['greet']def new_method(*args, **kwargs):print("Before greet")result = original_method(*args, **kwargs)print("After greet")return resultdct['greet'] = new_methodreturn super().__new__(cls, name, bases, dct)class MyClass(metaclass=MyMeta):def greet(self):print("Hello!")obj = MyClass()
obj.greet()
# 输出:
# Before greet
# Hello!
# After greet

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10. 什么是 ABCMeta，它的用途是什么？

回答：

ABCMeta 是 Python 提供的一个内置元类，用于定义抽象基类（Abstract Base Class）。抽象基类可以定义必须被子类实现的方法。

示例：

python">from abc import ABC, abstractmethodclass MyAbstractClass(ABC):@abstractmethoddef greet(self):passclass MyClass(MyAbstractClass):def greet(self):print("Hello!")obj = MyClass()  # 正常实例化
obj.greet()      # 输出: Hello!# 如果没有实现 greet 方法，将会报错：
# TypeError: Can't instantiate abstract class MyClass with abstract methods greet

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11. 如何动态创建类？

回答：

通过 type 动态创建类。

示例：

python"># 动态创建类
MyClass = type('MyClass', (object,), {'greet': lambda self: print("Hello!")})# 使用动态创建的类
obj = MyClass()
obj.greet()  # 输出: Hello!

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总结

Python 元类是一个高级主题，面试中经常考察以下方面：

1. 基本概念（如 type 和 object 的关系）。
2. 自定义元类的实现方法（包括 __new__ 和 __init__）。
3. 元类的实际应用场景（如单例模式、类属性验证、框架设计等）。
4. 动态类创建和控制类行为。

如果有更复杂的元类问题，可以进一步探讨！