pythonで考えるメタクラスとは

メタクラスについて、pythonで初めて学んでみました。自分の備忘録も兼ねて、まとめてみたいと思います。

そもそもメタクラスって？

メタクラスって何でしょう、Wikipediaで調べてみると下記のように説明されています。

オブジェクト指向プログラミングにおいてメタクラスとは、インスタンスがクラスとなるクラスのことである。通常のクラスがそのインスタンスの振る舞いを定義するように、メタクラスはそのインスタンスであるクラスを、そして更にそのクラスのインスタンスの振る舞いを定義する。

(引用：https://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%A1%E3%82%BF%E3%82%AF%E3%83%A9%E3%82%B9)

つまり、クラスの振る舞いを定義するためのクラスがメタクラスだと、なんとなくイメージできます。

ここでクラスの「振る舞い」を制御したいのなら、そのクラスの親クラスを作って、継承させるのと何が違うのでしょうか。それは制御したい「振る舞い」に違いがあると思っています。

親クラス（継承）とメタクラスの違い

親クラスの継承とメタクラスの役割について、私なりにざっくり整理すると以下のようになると思っています。

	制御したい「振る舞い」	具体例
親クラス	インスタンス生成後の挙動（どのように動くか）	複数の子クラスで同じ名前のメソッドを使いたい（ポリモーフィズムの実現）
メタクラス	インスタンス生成前（生成時）の挙動（どのように定義されているか）	クラス変数がすべて適切に定義されているかチェックしたい/直接関係しないクラス同士の中身も制御したい。

コード例

実際にコード例を見てみましょう。政令指定都市を定義するためのメタクラスを書いてみました。政令指定都市は人口が500万人以上の都市ですので、政令指定都市クラス定義時に人口が500万人以上かをチェックするようにします。

meta_sample.py


# 政令指定都市メタクラス
# メタクラスはtypeを継承する
class GovermentDesignatedMetaClass(type):
  def __new__(meta,name,bases,attributes):
    # __new__関数はクラス生成時に実行される関数
    # クラスの情報を受け取ることができる
    # name:クラス名, bases:親クラス, attributes:クラス属性
    if bases != (object,): #抽象クラスは検証しない
      if attributes["population"] < 5000000: # 500万人未満なら例外
        raise ValueError("This is not Goverment designated city")
    return type.__new__(meta,name,bases,attributes)


# 政令指定都市親クラス
# メタクラスの指定は「metaclass=...」で行う(Python3)
class GovermentDesignatedCity(object, metaclass=GovermentDesignatedMetaClass):
  population=None #子クラスで定義する

# 東京都 (政令指定都市)
class Tokyo(GovermentDesignatedCity):
  population = 10000000 #1千万人

# 松山市 (政令指定都市ではない)
class Matsuyama(GovermentDesignatedCity):
  population = 500000 #50万人

以上のようにメタクラスを定義し実行すると、Matsuyamaは人口が約50万人なので政令指定都市ではないため、下記のようにエラーメッセージが出力されます。

実行結果

Traceback (most recent call last):
  File "sample.py", line 15, in <module>
    class Matsuyama(GovermentDesignatedCity):
  File "sample.py", line 5, in __new__
    raise ValueError("This is not Goverment designated city")
ValueError: This is not Goverment designated city

メタクラスのメリット

お気づきかと思いますが、上記コードはMatsuyamaクラスを定義しただけで、どこにもインスタンスを生成していませんし、静的クラスとしても利用していません。これこそがメタクラスのメリットの一つになります。すなわち、

メタクラスを利用することで、クラスを実装した時点でそのクラスの定義チェックを行えます

メタクラスの使いどころ

最後にメタクラスの使いどころになると考えられているシチュエーションを挙げます。
（他にも積極的に使える場面があれば、ぜひご教示ください。）

クラス変数のチェックをしたい（今回のコード例）
インスタンス生成時に必ず特定の関数を実行したい。（デシリアライズ時にジェネリックに行えるよう、シリアライズ時にクラスの存在を登録したいときなど）

まとめ

メタクラスはクラスがどのように定義されるかを制御でき、クラス定義時のクラス変数チェックなどに有効。

参考記事

Pythonのクラスアトリビュートとメタクラスの話

Python のメタプログラミング (__metaclass__, メタクラス) を理解する

Python超入門その２４〜メタクラスでクラスの動作をカスタマイズしてみよう〜

Brett Slatkin, "Effective Python", 2016, O'REILLY

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