用 Python 元类的特性实现 ORM 框架

ORM是什么

O是 object，也就 类对象 的意思，R是 relation，翻译成中文是 关系，也就是关系数据库中 数据表 的意思，M是 mapping，是映射的意思。在ORM框架中，它帮我们把类和数据表进行了一个映射，可以让我们通过类和类对象就能操作它所对应的表格中的数据。ORM框架还有一个功能，它可以根据我们设计的类自动帮我们生成数据库中的表，省去了我们自己建表的过程。

一个句话理解就是：创建一个实例对象，用创建它的类名当做数据表名，用创建它的类属性对应数据表的字段，当对这个实例对象操作时，能够对应 MySQL 语句。

在 Django 中就内嵌了一个 ORM 框架，不需要直接面向数据库编程，而是定义模型类，通过模型类和对象完成数据表的增删改查操作。还有第三方库 sqlalchemy 都是 ORM框架。

先看看我们大致要实现什么功能

class User(父类省略):
    uid = ('uid', "int unsigned")
    name = ('username', "varchar(30)")
    email = ('email', "varchar(30)")
    password = ('password', "varchar(30)")
    ...省略...


user = User(uid=123, name='hui', email='[e-mail]', password='123456')
user.save()

# 对应如下sql语句
# insert into User (uid,username,email,password) values (123,hui,[e-mail],123456)

所谓的 ORM 就是让开发者在操作数据库的时候，能够像操作对象时通过xxxx.属性=yyyy一样简单，这是开发ORM的初衷。

实现ORM中的insert功能

通过 Python 中 元类 简单实现 ORM 中的 insert 功能

# !/usr/bin/python3
# -*- coding: utf-8 -*-
# @Author: Hui
# @Desc: { 利用Python元类简单实现ORM框架的Insert插入功能 }
# @Date: 2021/05/17 17:02


class ModelMetaclass(type):
    """数据表模型元类"""

    def __new__(mcs, cls_name, bases, attrs):

        print(f'cls_name -> {cls_name}')    # 类名
        print(f'bases -> {bases}')          # 继承类
        print(f'attrs -> {attrs}')          # 类中所有属性
        print()

        # 数据表对应关系字典
        mappings = dict()

        # 过滤出对应数据表的字段属性
        for k, v in attrs.items():
            # 判断是否是指定的StringField或者IntegerField的实例对象
            # 这里就简单判断字段是元组
            if isinstance(v, tuple):
                print('Found mapping: %s ==> %s' % (k, v))
                mappings[k] = v

        # 删除这些已经在字典中存储的字段属性
        for k in mappings.keys():
            attrs.pop(k)

        # 将之前的uid/name/email/password以及对应的对象引用、类名字
        # 用其他类属性名称保存
        attrs['__mappings__'] = mappings  # 保存属性和列的映射关系
        attrs['__table__'] = cls_name     # 假设表名和类名一致
        return type.__new__(mcs, cls_name, bases, attrs)


class User(metaclass=ModelMetaclass):
    """用户模型类"""
	# 类属性名    表字段    表字段类型
    uid =      ('uid', 'int unsigned')
    name =     ('username', 'varchar(30)')
    email =    ('email', 'varchar(30)')
    password = ('password', 'varchar(30)')

    def __init__(self, **kwargs):
        for name, value in kwargs.items():
            setattr(self, name, value)

    def save(self):
        fields = []
        args = []
        for k, v in self.__mappings__.items():
            fields.append(v[0])
            args.append(getattr(self, k, None))

        # 表名
        table_name = self.__table__
        # 数据表中的字段
        fields = ','.join(fields)
        # 待插入的数据
        args = ','.join([str(i) for i in args])
        
        # 生成sql语句
        sql = f"""insert into {table_name} ({fields}) values ({args})"""
        print(f'SQL: {sql}')


def main():
    user = User(uid=123, name='hui', email='[e-mail]', password='123456')
    user.save()


if __name__ == '__main__':
    main()

当 User 指定元类之后，uid、name、email、password 类属性将不在类中，而是在 __mappings__ 属性指定的字典中存储。 User 类的这些属性将转变为如下

__mappings__ = {
    "uid": ('uid', "int unsigned")
    "name": ('username', "varchar(30)")
    "email": ('email', "varchar(30)")
    "password": ('password', "varchar(30)")
}
__table__ = "User"

执行的效果如下：

cls_name -> User
bases -> ()
attrs -> {
    '__module__': '__main__', '__qualname__': 'User', '__doc__': '用户模型类', 
    'uid': ('uid', 'int unsigned'), 
    'name': ('username', 'varchar(30)'), 
    'email': ('email', 'varchar(30)'), 
    'password': ('password', 'varchar(30)'), 
    '__init__': <function User.__init__ at 0x0000026D520C1048>, 
    'save': <function User.save at 0x0000026D520C10D8>
}

Found mapping: uid ==> ('uid', 'int unsigned')
Found mapping: name ==> ('username', 'varchar(30)')
Found mapping: email ==> ('email', 'varchar(30)')
Found mapping: password ==> ('password', 'varchar(30)')

SQL: insert into User (uid,username,email,password) values (123,hui,[e-mail],123456)

完善对数据类型的检测

上面转成的 sql 语句如下：

insert into User (uid,username,email,password) values (12345,hui,[e-mail],123456)

发现没有，在 sql 语句中字符串类型没有没有引号 ''

正确的 sql 语句应该是：

insert into User (uid,username,email,password) values (123, 'hui', '[e-mail]', '123456')

因此修改 User 类完善数据类型的检测

class ModelMetaclass(type):
    # 此处和上文一样, 故省略....
    pass
    
class User(metaclass=ModelMetaclass):
    """用户模型类"""

    uid = ('uid', "int unsigned")
    name = ('username', "varchar(30)")
    email = ('email', "varchar(30)")
    password = ('password', "varchar(30)")

    def __init__(self, **kwargs):
        for name, value in kwargs.items():
            setattr(self, name, value)

    # 在这里完善数据类型检测
    def save(self):
        fields = []
        args = []
        for k, v in self.__mappings__.items():
            fields.append(v[0])
            args.append(getattr(self, k, None))

        # 把参数数据类型对应数据表的字段类型
        args_temp = list()
        for temp in args:
            if isinstance(temp, int):
                args_temp.append(str(temp))
            elif isinstance(temp, str):
                args_temp.append(f"'{temp}'")

        # 表名
        table_name = self.__table__
        # 数据表中的字段
        fields = ','.join(fields)
        # 待插入的数据
        args = ','.join(args_temp)

        # 生成sql语句
        sql = f"""insert into {table_name} ({fields}) values ({args})"""
        print(f'SQL: {sql}')


def main():
    user = User(uid=123, name='hui', email='[e-mail]', password='123456')
    user.save()


if __name__ == '__main__':
    main()

运行效果如下：

cls_name -> User
bases -> ()
attrs -> {
    '__module__': '__main__', '__qualname__': 'User', '__doc__': '用户模型类', 
    'uid': ('uid', 'int unsigned'), 
    'name': ('username', 'varchar(30)'), 
    'email': ('email', 'varchar(30)'), 
    'password': ('password', 'varchar(30)'), 
    '__init__': <function User.__init__ at 0x0000026D520C1048>, 
    'save': <function User.save at 0x0000026D520C10D8>
}

Found mapping: uid ==> ('uid', 'int unsigned')
Found mapping: name ==> ('username', 'varchar(30)')
Found mapping: email ==> ('email', 'varchar(30)')
Found mapping: password ==> ('password', 'varchar(30)')
    
SQL: insert into User (uid,username,email,password) values(123,'hui','[e-mail]','123456')

抽取到基类中

# !/usr/bin/python3
# -*- coding: utf-8 -*-
# @Author: Hui
# @Desc: { 利用Python元类实现ORM框架的Insert插入功能 }
# @Date: 2021/05/17 17:02


class ModelMetaclass(type):
    """数据表模型元类"""

    def __new__(mcs, cls_name, bases, attrs):

        print(f'cls_name -> {cls_name}')  # 类名
        print(f'bases -> {bases}')  # 继承类
        print(f'attrs -> {attrs}')  # 类中所有属性
        print()

        # 数据表对应关系字典
        mappings = dict()

        # 过滤出对应数据表的字段属性
        for k, v in attrs.items():
            # 判断是否是对应数据表的字段属性, 因为attrs中包含所有的类属性
            # 这里就简单判断字段是元组
            if isinstance(v, tuple):
                print('Found mapping: %s ==> %s' % (k, v))
                mappings[k] = v

        # 删除这些已经在字典中存储的字段属性
        for k in mappings.keys():
            attrs.pop(k)

        # 将之前的uid/name/email/password以及对应的对象引用、类名字
        # 用其他类属性名称保存
        attrs['__mappings__'] = mappings  # 保存属性和列的映射关系
        attrs['__table__'] = cls_name  # 假设表名和类名一致
        return type.__new__(mcs, cls_name, bases, attrs)


class Model(object, metaclass=ModelMetaclass):
    """数据表模型基类"""

    def __init__(self, **kwargs):
        for name, value in kwargs.items():
            setattr(self, name, value)

    def save(self):
        fields = []
        args = []
        for k, v in self.__mappings__.items():
            fields.append(v[0])
            args.append(getattr(self, k, None))

        # 把参数数据类型对应数据表的字段类型
        args_temp = list()
        for temp in args:
            if isinstance(temp, int):
                args_temp.append(str(temp))
            elif isinstance(temp, str):
                args_temp.append(f"'{temp}'")

        # 表名
        table_name = self.__table__
        # 数据表中的字段
        fields = ','.join(fields)
        # 待插入的数据
        args = ','.join(args_temp)

        # 生成sql语句
        sql = f"""insert into {table_name} ({fields}) values ({args})"""
        print(f'SQL: {sql}')

        # 执行sql语句
        # ...


class User(Model):
    """用户表模型类"""

    uid = ('uid', "int unsigned")
    name = ('username', "varchar(30)")
    email = ('email', "varchar(30)")
    password = ('password', "varchar(30)")


def main():
    user = User(uid=123, name='hui', email='[e-mail]', password='123456')
    user.save()


if __name__ == '__main__':
    main()

添加数据库驱动执行sql语句

这里我们使用 pymysql 数据库驱动，来执行 sql 语句

在 Model 类中新增一个 get_connection 的静态方法用于获取数据库连接

import pymysql


class Model(object, metaclass=ModelMetaclass):
    """数据表模型基类"""

    def __init__(self, **kwargs):
        for name, value in kwargs.items():
            setattr(self, name, value)

    @staticmethod
    def get_connection():
        """
        获取数据库连接与数据游标
        :return: conn, cursor
        """
        conn = pymysql.connect(
            database='testdb',
            host='localhost',
            port=3306,
            user='root',
            password='123456'
        )
        return conn, conn.cursor()

    def save(self):
        fields = []
        args = []
        for k, v in self.__mappings__.items():
            fields.append(v[0])
            args.append(getattr(self, k, None))

        # 把参数数据类型对应数据表的字段类型
        args_temp = list()
        for temp in args:
            if isinstance(temp, int):
                args_temp.append(str(temp))
            elif isinstance(temp, str):
                args_temp.append(f"'{temp}'")

        # 表名
        table_name = self.__table__
        # 数据表中的字段
        fields = ','.join(fields)
        # 待插入的数据
        args = ','.join(args_temp)

        # 生成sql语句
        sql = f"""insert into {table_name} ({fields}) values ({args})"""
        print(f'SQL: {sql}')

        # 执行sql语句
        conn, cursor = self.get_connection()
        ret = cursor.execute(sql)
        print(ret)
        conn.commit()
        cursor.close()
        conn.close()

添加数据库驱动执行sql语句

这里我们使用 pymysql 数据库驱动，来执行 sql 语句

在 Model 类中新增一个 get_connection 的静态方法用于获取数据库连接

import pymysql


class Model(object, metaclass=ModelMetaclass):
    """数据表模型基类"""

    def __init__(self, **kwargs):
        for name, value in kwargs.items():
            setattr(self, name, value)

    @staticmethod
    def get_connection():
        """
        获取数据库连接与数据游标
        :return: conn, cursor
        """
        conn = pymysql.connect(
            database='testdb',
            host='localhost',
            port=3306,
            user='root',
            password='123456'
        )
        return conn, conn.cursor()

    def save(self):
        fields = []
        args = []
        for k, v in self.__mappings__.items():
            fields.append(v[0])
            args.append(getattr(self, k, None))

        # 把参数数据类型对应数据表的字段类型
        args_temp = list()
        for temp in args:
            if isinstance(temp, int):
                args_temp.append(str(temp))
            elif isinstance(temp, str):
                args_temp.append(f"'{temp}'")

        # 表名
        table_name = self.__table__
        # 数据表中的字段
        fields = ','.join(fields)
        # 待插入的数据
        args = ','.join(args_temp)

        # 生成sql语句
        sql = f"""insert into {table_name} ({fields}) values ({args})"""
        print(f'SQL: {sql}')

        # 执行sql语句
        conn, cursor = self.get_connection()
        ret = cursor.execute(sql)
        print(ret)
        conn.commit()
        cursor.close()
        conn.close()

测试功能

准备数据库

先准备数据库 testdb 和 user 数据表

create database testdb charset=utf8;

use testdb;

create table user(
	uid int unsigned auto_increment primary key,
	username varchar(30) not null,
	email varchar(30),
	password varchar(30) not null
);

user 表结构如下

+----------+------------------+------+-----+---------+----------------+
| Field    | Type             | Null | Key | Default | Extra          |
+----------+------------------+------+-----+---------+----------------+
| uid      | int(10) unsigned | NO   | PRI | NULL    | auto_increment |
| username | varchar(30)      | NO   |     | NULL    |                |
| email    | varchar(30)      | YES  |     | NULL    |                |
| password | varchar(30)      | NO   |     | NULL    |                |
+----------+------------------+------+-----+---------+----------------+

创建模型类测试

class User(Model):
    """用户表模型类"""

    uid = ('uid', "int unsigned")
    name = ('username', "varchar(30)")
    email = ('email', "varchar(30)")
    password = ('password', "varchar(30)")


def main():
    user = User(uid=1, name='hui', email='[e-mail]', password='123456')
    user.save()

    for i in range(2, 10):
        user = User(
            uid=i,
            name=f'name{i}',
            email=f'huidbk@16{i}.com',
            password=f'12345{i}'
        )
        user.save()
    

if __name__ == '__main__':
    main()

查看数据库 user 表数据

mysql> select * from user;
+-----+----------+----------------+----------+
| uid | username | email          | password |
+-----+----------+----------------+----------+
|   1 | hui      | [e-mail] | 123456   |
|   2 | name2    | [e-mail] | 123452   |
|   3 | name3    | [e-mail] | 123453   |
|   4 | name4    | [e-mail] | 123454   |
|   5 | name5    | [e-mail] | 123455   |
|   6 | name6    | [e-mail] | 123456   |
|   7 | name7    | [e-mail] | 123457   |
|   8 | name8    | [e-mail] | 123458   |
|   9 | name9    | [e-mail] | 123459   |
+-----+----------+----------------+----------+
9 rows in set (0.00 sec)

源代码

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