Python 實(shí)現(xiàn)單例模式的五種寫法

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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。

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：

1. 使用模塊
2. 使用裝飾器
3. 使用類
4. 基于?__new__?方法實(shí)現(xiàn)
5. 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：

    
    class?Singleton(object):
????def?foo(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

    
    from?mysingleton?import?singleton

  

使用裝飾器

    
    def?Singleton(cls):
????_instance?=?{}

????def?_singleton(*args,?**kargs):
????????if?cls?not?in?_instance:
????????????_instance[cls]?=?cls(*args,?**kargs)
????????return?_instance[cls]

????return?_singleton


@Singleton
class?A(object):
????a?=?1

????def?__init__(self,?x=0):
????????self.x?=?x


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

  

使用類

    
    class?Singleton(object):

????def?__init__(self):
????????pass

????@classmethod
????def?instance(cls,?*args,?**kwargs):
????????if?not?hasattr(Singleton,?"_instance"):
????????????Singleton._instance?=?Singleton(*args,?**kwargs)
????????return?Singleton._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：

    
    class?Singleton(object):

????def?__init__(self):
????????pass

????@classmethod
????def?instance(cls,?*args,?**kwargs):
????????if?not?hasattr(Singleton,?"_instance"):
????????????Singleton._instance?=?Singleton(*args,?**kwargs)
????????return?Singleton._instance

import?threading

def?task(arg):
????obj?=?Singleton.instance()
????print(obj)

for?i?in?range(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?__init__?方法中加入以下代碼：

    
    def?__init__(self):
????import?time
????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。

    
    import?time
import?threading


class?Singleton(object):
????_instance_lock?=?threading.Lock()

????def?__init__(self):
????????time.sleep(1)

????@classmethod
????def?instance(cls,?*args,?**kwargs):
????????with?Singleton._instance_lock:
????????????if?not?hasattr(Singleton,?"_instance"):
????????????????Singleton._instance?=?Singleton(*args,?**kwargs)
????????return?Singleton._instance


def?task(arg):
????obj?=?Singleton.instance()
????print(obj)
????

for?i?in?range(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
def?instance(cls,?*args,?**kwargs):
????if?not?hasattr(Singleton,?"_instance"):
????????with?Singleton._instance_lock:
????????????if?not?hasattr(Singleton,?"_instance"):
????????????????Singleton._instance?=?Singleton(*args,?**kwargs)
????return?Singleton._instance

  

這樣，一個(gè)可以支持多線程的單例模式就完成了。+

    
    import?time
import?threading


class?Singleton(object):
????_instance_lock?=?threading.Lock()

????def?__init__(self):
????????time.sleep(1)

????@classmethod
????def?instance(cls,?*args,?**kwargs):
????????if?not?hasattr(Singleton,?"_instance"):
????????????with?Singleton._instance_lock:
????????????????if?not?hasattr(Singleton,?"_instance"):
????????????????????Singleton._instance?=?Singleton(*args,?**kwargs)
????????return?Singleton._instance


def?task(arg):
????obj?=?Singleton.instance()
????print(obj)
????
????
for?i?in?range(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。

    
    import?threading


class?Singleton(object):
????_instance_lock?=?threading.Lock()

????def?__init__(self):
????????pass


????def?__new__(cls,?*args,?**kwargs):
????????if?not?hasattr(Singleton,?"_instance"):
????????????with?Singleton._instance_lock:
????????????????if?not?hasattr(Singleton,?"_instance"):
????????????????????Singleton._instance?=?object.__new__(cls)??
????????return?Singleton._instance

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

def?task(arg):
????obj?=?Singleton()
????print(obj)

for?i?in?range(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):

1. 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)
2. 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：

    
    class?Foo:
????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：

    
    class?SingletonType(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)
????????return?obj

class?Foo(metaclass=SingletonType):?#?指定創(chuàng)建Foo的type為SingletonType
????def?__init__(self，name):
????????self.name?=?name
????def?__new__(cls,?*args,?**kwargs):
????????return?object.__new__(cls)

obj?=?Foo('xx')

  

實(shí)現(xiàn)單例模式：

    
    import?threading

class?SingletonType(type):
????_instance_lock?=?threading.Lock()
????def?__call__(cls,?*args,?**kwargs):
????????if?not?hasattr(cls,?"_instance"):
????????????with?SingletonType._instance_lock:
????????????????if?not?hasattr(cls,?"_instance"):
????????????????????cls._instance?=?super(SingletonType,cls).__call__(*args,?**kwargs)
????????return?cls._instance

class?Foo(metaclass=SingletonType):
????def?__init__(self,name):
????????self.name?=?name


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

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