关于Python多重继承时metaclass conflict问题解决与原理探究

最近有一个需求需要自定义一个多继承abc.ABC与django.contrib.admin.ModelAdmin两个父类的抽象子类，方便不同模块复用大部分代码，同时强制必须实现所有抽象方法，没想按想当然的写法实现多继承时，居然报错metaclass conflict：

In [1]: import abc
In [2]: from django.contrib import admin
In [3]: class MyAdmin(abc.ABC, admin.ModelAdmin):
   ...: pass
   ...:
---------------------------------------------------------------------------
TypeError Traceback (most recent call last)
<ipython-input-3-b159bc04ec1b> in <module>
----> 1 class MyAdmin(abc.ABC, admin.ModelAdmin):
  2 pass
  3
TypeError: metaclass conflict: the metaclass of a derived class must be a (non-strict) subclass of the metaclasses of all its bases

一时之间疑惑满满，先是通过搜索快速找到了一个解决方案，但是却并没有弄明白问题的根本原因与解决方案的原理，最近终于有些时间可以深入探究一番，这里记录一下。PS: 本文所有讨论均基于Python3，不考虑Python2的部分差异之处。

什么是metaclass(元类)

首先要弄清楚什么是metaclass，才可能明白metaclass conflict的真正含义。

类比普通class与metaclass

这里采用class(类)和instance(实例)的关系来类比解释，如果要创建一个自定义class A，然后创建其实例，一般我们会这么写：

In [1]: class A:
...: def test(self):
...: print('call test')
In [2]: a = A()
In [3]: print(a, type(a))
<__main__.A object at 0x7f9f95414970> <class '__main__.A'>

如上我们自定义了class A，并且生成了class A的实例对象a，print语句的输出可以看出实例a的类型正是class A，此时如果我们进一步探究A的类型会发现:

In [10]: print(type(A))
<class 'type'>

A类型是 class type。我们会说a是class A的实例，那以此类推可以说class A是class type的实例，或者换一种说法：class A的实例是a，class type的实例是A。现在我们尝试定义metaclass：在python中class不仅能创建实例对象，其本身也是一个对象，普通class创建实例普通对象，metaclass(元类)则创建实例class对象。PS: 严格来说metaclass本身不一定要是一个class，它可以是任意可以返回class的callable对象，这里我们不做深入探讨。

自定义与使用metaclass

在python中应该怎么定义一个metaclass呢，其实type就是一个metaclass，type是所有class的默认metaclass，而且所有自定义的metaclass 最终也都会使用到type来执行最后创建class的工作。事实上上面使用class A... 的语法定义类A时，Python解释器最终也是调用type来创建的class A，其等价于以下代码：

In [23]: def fn(self):
...: print('call test')
...:
In [24]: A = type('A', (object, ), dict(test=fn))

type创建class的签名如下：

type(name, bases, attrs)
name: 要创建的class名称
bases: 要继承的父类tuple(可以为空,但python3自定义class一般都默认继承object)
attrs: 包含class定义属性名称和值的dict

绝大多数情况下我们并不需要用到metaclass，极少数需要动态创建/修改class的复杂场景比如Django的ORM才需要用到这一技术。这里举一个metaclass简单使用示例，比如我们可以简单创建一个给class统一加上其创建时间的metaclass，以满足需要时可以查看对应class首次创建时间的这个伪需求(仅为举本例而提的需求_)，如下AddCTimeMetaclass定义:

In [30]: from datetime import datetime
In [31]: class AddCTimeMetaclass(type):
...: def __new__(cls, name, bases, attrs):
...: attrs['ctime'] = datetime.now()
...: return super().__new__(cls, name, bases, attrs)
...:

In [32]: class B(metaclass=AddCTimeMetaclass):
...: pass
...:
In [33]: B.ctime
Out[33]: datetime.datetime(2022, 10, 29, 1, 22, 46, 750176)

在定义class B的时候，通过指定metaclass参数告诉解释器创建class B时不使用默认的type而是使用自定义的元类AddCTimeMetaclass。

metaclass confict(元类冲突)的清晰含义

初步定义了metaclass并了解简单使用之后，我们开始正式探究metaclass conflict，一个最简单触发metaclass conflict的例子如下：

In [42]: class M0(type):
...: pass
...:
In [43]: class M1(type):
...: pass
...:
In [44]: class A(metaclass=M0):
...: pass
...:
In [45]: class B(metaclass=M1):
...: pass
...:
In [46]: class C(A, B):
...: pass
...:
---------------------------------------------------------------------------
TypeError Traceback (most recent call last)
<ipython-input-46-9900d594feda> in <module>
----> 1 class C(A, B):
  2 pass
  3

TypeError: metaclass conflict: the metaclass of a derived class must be a (non-strict) subclass of the metaclasses of all its bases

如上M0与M1为自定义metaclass，分别作为A、B的metaclass，当class C试图多继承A、B时就会出问题，从字面意思理解：子类的metaclass必须是其所有基类metaclass的(非严格)子类，看起来普通class的多继承和metaclass的多继承之间发生了什么问题。这段话具体怎么理解？我们已经知道A、B都分别具有自己的metaclass M0、M1，那么当C多继承A、B的时候C的metaclass应该是M0还是M1呢？由于M0、M1两者之间并没有继承关系，用哪个都不行，Python不知道怎么办，只能告诉你出问题了。

解决方案

那理想情况下C的metaclass到底应该是什么呢？理想情况应该如下所示：

M0 M1
 : \   / :
 :  \ /  :
 A  M2  B
  \  :  /
   \ : /
 C

即采用多继承了M0、M1的M2作为C的metaclass，这也是解决这个问题的最终方案，具体代码如下：

In [58]: class M2(M0, M1):
...: pass
...:
In [59]: class C(A, B, metaclass=M2):
...: pass
...:

如上我们通过手动定义M2，并手动明确指定class C的metaclass为M2，如此解决metaclass conflict问题。这时再回到开头碰到的多继承abc.ABC与admin.ModelAdmin时遇到的问题就很容易理解了：因为abc.ABC有自己的metaclass abc.ABCMeta，同时modelAdmin也有自己的metaclass django.forms.widgets.MediaDefiningClass，并且这两者之间没有继承关系，因而 class MyAdmin(abc.ABC, admin.ModelAdmin) 多继承时解释器无法推断出满足条件的metaclass，自然也就报错了，解决办法和上面的方案一样，定义一个两者metaclass的子类并将其指定为MyAdmin的metaclass即可，代码如下：

In [112]: print(type(abc.ABC), type(admin.ModelAdmin))
<class 'abc.ABCMeta'> <class 'django.forms.widgets.MediaDefiningClass'>
In [113]: class MyMeta(type(abc.ABC), type(admin.ModelAdmin)):
 ...: pass
 ...:
In [114]: class MyAdmin(abc.ABC, admin.ModelAdmin, metaclass=MyMeta):
 ...: pass
 ...:
In [115]: print(type(MyAdmin))
<class '__main__.MyMeta'>