Python實(shí)現(xiàn)單例模式的五種寫法

單例模式（Singleton Pattern）是一種常用的軟件設(shè)計(jì)模式，該模式的主要目的是確保某一個(gè)類只有一個(gè)實(shí)例存在。當(dāng)你希望在整個(gè)系統(tǒng)中，某個(gè)類只能出現(xiàn)一個(gè)實(shí)例時(shí)，單例對(duì)象就能派上用場(chǎng)。

比如，某個(gè)服務(wù)器程序的配置信息存放在一個(gè)文件中，客戶端通過一個(gè) AppConfig 的類來讀取配置文件的信息。如果在程序運(yùn)行期間，有很多地方都需要使用配置文件的內(nèi)容，也就是說，很多地方都需要?jiǎng)?chuàng)建 AppConfig 對(duì)象的實(shí)例，這就導(dǎo)致系統(tǒng)中存在多個(gè) AppConfig 的實(shí)例對(duì)象，而這樣會(huì)嚴(yán)重浪費(fèi)內(nèi)存資源，尤其是在配置文件內(nèi)容很多的情況下。

事實(shí)上，類似 AppConfig 這樣的類，我們希望在程序運(yùn)行期間只存在一個(gè)實(shí)例對(duì)象。 在 Python 中，我們可以用多種方法來實(shí)現(xiàn)單例模式：

使用模塊

使用裝飾器

使用類

基于__new__方法實(shí)現(xiàn)

基于 metaclass 方式實(shí)現(xiàn)

下面來詳細(xì)介紹：

使用模塊 其實(shí)，Python 的模塊就是天然的單例模式，因?yàn)槟K在第一次導(dǎo)入時(shí)，會(huì)生成.pyc文件，當(dāng)?shù)诙螌?dǎo)入時(shí)，就會(huì)直接加載.pyc文件，而不會(huì)再次執(zhí)行模塊代碼。

因此，我們只需把相關(guān)的函數(shù)和數(shù)據(jù)定義在一個(gè)模塊中，就可以獲得一個(gè)單例對(duì)象了。

如果我們真的想要一個(gè)單例類，可以考慮這樣做：

classSingleton(object):
deffoo(self):
pass
singleton=Singleton()

將上面的代碼保存在文件 mysingleton.py 中，要使用時(shí)，直接在其他文件中導(dǎo)入此文件中的對(duì)象，這個(gè)對(duì)象即是單例模式的對(duì)象

frommysingletonimportsingleton

使用裝飾器

defSingleton(cls):
_instance={}

def_singleton(*args,**kargs):
ifclsnotin_instance:
_instance[cls]=cls(*args,**kargs)
return_instance[cls]

return_singleton


@Singleton
classA(object):
a=1

def__init__(self,x=0):
self.x=x


a1=A(2)
a2=A(3)

使用類

classSingleton(object):

def__init__(self):
pass

@classmethod
definstance(cls,*args,**kwargs):
ifnothasattr(Singleton,"_instance"):
Singleton._instance=Singleton(*args,**kwargs)
returnSingleton._instance

一般情況，大家以為這樣就完成了單例模式，但是當(dāng)使用多線程時(shí)會(huì)存在問題：

classSingleton(object):

def__init__(self):
pass

@classmethod
definstance(cls,*args,**kwargs):
ifnothasattr(Singleton,"_instance"):
Singleton._instance=Singleton(*args,**kwargs)
returnSingleton._instance

importthreading

deftask(arg):
obj=Singleton.instance()
print(obj)

foriinrange(10):
t=threading.Thread(target=task,args=[i,])
t.start()

程序執(zhí)行后，打印結(jié)果如下：

<__main__.Singleton?object?at?0x02C933D0>
<__main__.Singleton?object?at?0x02C933D0>
<__main__.Singleton?object?at?0x02C933D0>
<__main__.Singleton?object?at?0x02C933D0>
<__main__.Singleton?object?at?0x02C933D0>
<__main__.Singleton?object?at?0x02C933D0>
<__main__.Singleton?object?at?0x02C933D0>
<__main__.Singleton?object?at?0x02C933D0>
<__main__.Singleton?object?at?0x02C933D0>
<__main__.Singleton?object?at?0x02C933D0>

看起來也沒有問題，那是因?yàn)閳?zhí)行速度過快，如果在__init__方法中有一些 IO 操作，就會(huì)發(fā)現(xiàn)問題了。

下面我們通過time.sleep模擬，我們?cè)谏厦鎋_init__方法中加入以下代碼：

def__init__(self):
importtime
time.sleep(1)

重新執(zhí)行程序后，結(jié)果如下：

<__main__.Singleton?object?at?0x034A3410>
<__main__.Singleton?object?at?0x034BB990>
<__main__.Singleton?object?at?0x034BB910>
<__main__.Singleton?object?at?0x034ADED0>
<__main__.Singleton?object?at?0x034E6BD0>
<__main__.Singleton?object?at?0x034E6C10>
<__main__.Singleton?object?at?0x034E6B90>
<__main__.Singleton?object?at?0x034BBA30>
<__main__.Singleton?object?at?0x034F6B90>
<__main__.Singleton?object?at?0x034E6A90>

問題出現(xiàn)了！按照以上方式創(chuàng)建的單例，無法支持多線程。

解決辦法：加鎖！未加鎖部分并發(fā)執(zhí)行，加鎖部分串行執(zhí)行，速度降低，但是保證了數(shù)據(jù)安全。

importtime
importthreading


classSingleton(object):
_instance_lock=threading.Lock()

def__init__(self):
time.sleep(1)

@classmethod
definstance(cls,*args,**kwargs):
withSingleton._instance_lock:
ifnothasattr(Singleton,"_instance"):
Singleton._instance=Singleton(*args,**kwargs)
returnSingleton._instance


deftask(arg):
obj=Singleton.instance()
print(obj)


foriinrange(10):
t=threading.Thread(target=task,args=[i,])
t.start()


time.sleep(20)
obj=Singleton.instance()
print(obj)

打印結(jié)果如下：

<__main__.Singleton?object?at?0x02D6B110>
<__main__.Singleton?object?at?0x02D6B110>
<__main__.Singleton?object?at?0x02D6B110>
<__main__.Singleton?object?at?0x02D6B110>
<__main__.Singleton?object?at?0x02D6B110>
<__main__.Singleton?object?at?0x02D6B110>
<__main__.Singleton?object?at?0x02D6B110>
<__main__.Singleton?object?at?0x02D6B110>
<__main__.Singleton?object?at?0x02D6B110>
<__main__.Singleton?object?at?0x02D6B110>

這樣就差不多了，但是還是有一點(diǎn)小問題，就是當(dāng)程序執(zhí)行時(shí)，執(zhí)行了time.sleep(20)后，下面實(shí)例化對(duì)象時(shí)，此時(shí)已經(jīng)是單例模式了。

但我們還是加了鎖，這樣不太好，再進(jìn)行一些優(yōu)化，把intance方法，改成下面這樣就行：

@classmethod
definstance(cls,*args,**kwargs):
ifnothasattr(Singleton,"_instance"):
withSingleton._instance_lock:
ifnothasattr(Singleton,"_instance"):
Singleton._instance=Singleton(*args,**kwargs)
returnSingleton._instance

這樣，一個(gè)可以支持多線程的單例模式就完成了。+

importtime
importthreading


classSingleton(object):
_instance_lock=threading.Lock()

def__init__(self):
time.sleep(1)

@classmethod
definstance(cls,*args,**kwargs):
ifnothasattr(Singleton,"_instance"):
withSingleton._instance_lock:
ifnothasattr(Singleton,"_instance"):
Singleton._instance=Singleton(*args,**kwargs)
returnSingleton._instance


deftask(arg):
obj=Singleton.instance()
print(obj)


foriinrange(10):
t=threading.Thread(target=task,args=[i,])
t.start()


time.sleep(20)
obj=Singleton.instance()
print(obj)

這種方式實(shí)現(xiàn)的單例模式，使用時(shí)會(huì)有限制，以后實(shí)例化必須通過obj = Singleton.instance()

如果用obj = Singleton()，這種方式得到的不是單例。

基于__new__方法實(shí)現(xiàn)

通過上面例子，我們可以知道，當(dāng)我們實(shí)現(xiàn)單例時(shí)，為了保證線程安全需要在內(nèi)部加入鎖。

我們知道，當(dāng)我們實(shí)例化一個(gè)對(duì)象時(shí)，是先執(zhí)行了類的__new__方法（我們沒寫時(shí)，默認(rèn)調(diào)用object.__new__），實(shí)例化對(duì)象；然后再執(zhí)行類的__init__方法，對(duì)這個(gè)對(duì)象進(jìn)行初始化，所有我們可以基于這個(gè)，實(shí)現(xiàn)單例模式。

importthreading


classSingleton(object):
_instance_lock=threading.Lock()

def__init__(self):
pass


def__new__(cls,*args,**kwargs):
ifnothasattr(Singleton,"_instance"):
withSingleton._instance_lock:
ifnothasattr(Singleton,"_instance"):
Singleton._instance=object.__new__(cls)
returnSingleton._instance

obj1=Singleton()
obj2=Singleton()
print(obj1,obj2)

deftask(arg):
obj=Singleton()
print(obj)

foriinrange(10):
t=threading.Thread(target=task,args=[i,])
t.start()

打印結(jié)果如下：

<__main__.Singleton?object?at?0x038B33D0><__main__.Singleton?object?at?0x038B33D0>
<__main__.Singleton?object?at?0x038B33D0>
<__main__.Singleton?object?at?0x038B33D0>
<__main__.Singleton?object?at?0x038B33D0>
<__main__.Singleton?object?at?0x038B33D0>
<__main__.Singleton?object?at?0x038B33D0>
<__main__.Singleton?object?at?0x038B33D0>
<__main__.Singleton?object?at?0x038B33D0>
<__main__.Singleton?object?at?0x038B33D0>
<__main__.Singleton?object?at?0x038B33D0>
<__main__.Singleton?object?at?0x038B33D0>

采用這種方式的單例模式，以后實(shí)例化對(duì)象時(shí)，和平時(shí)實(shí)例化對(duì)象的方法一樣obj = Singleton()。

基于 metaclass 方式實(shí)現(xiàn)

相關(guān)知識(shí):

類由 type 創(chuàng)建，創(chuàng)建類時(shí)，type 的__init__方法自動(dòng)執(zhí)行，類() 執(zhí)行 type 的__call__方法(類的__new__方法，類的__init__方法)

對(duì)象由類創(chuàng)建，創(chuàng)建對(duì)象時(shí)，類的__init__方法自動(dòng)執(zhí)行，對(duì)象()執(zhí)行類的__call__方法

例子：

classFoo:
def__init__(self):
pass

def__call__(self,*args,**kwargs):
pass

obj=Foo()
#執(zhí)行type的__call__方法，調(diào)用 Foo類（是type的對(duì)象）的__new__方法，用于創(chuàng)建對(duì)象，然后調(diào)用 Foo類（是type的對(duì)象）的__init__方法，用于對(duì)對(duì)象初始化。

obj()#執(zhí)行Foo的__call__方法

元類的使用：

classSingletonType(type):
def__init__(self,*args,**kwargs):
super(SingletonType,self).__init__(*args,**kwargs)

def__call__(cls,*args,**kwargs):#這里的cls，即Foo類
print('cls',cls)
obj=cls.__new__(cls,*args,**kwargs)
cls.__init__(obj,*args,**kwargs)#Foo.__init__(obj)
returnobj

classFoo(metaclass=SingletonType):#指定創(chuàng)建Foo的type為SingletonType
def__init__(self，name):
self.name=name
def__new__(cls,*args,**kwargs):
returnobject.__new__(cls)

obj=Foo('xx')

實(shí)現(xiàn)單例模式：

importthreading

classSingletonType(type):
_instance_lock=threading.Lock()
def__call__(cls,*args,**kwargs):
ifnothasattr(cls,"_instance"):
withSingletonType._instance_lock:
ifnothasattr(cls,"_instance"):
cls._instance=super(SingletonType,cls).__call__(*args,**kwargs)
returncls._instance

classFoo(metaclass=SingletonType):
def__init__(self,name):
self.name=name


obj1=Foo('name')
obj2=Foo('name')
print(obj1,obj2)

鏈接：https://www.cnblogs.com/huchong/p/8244279.html

審核編輯：劉清