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單例模式

單例模式（Singleton Pattern）是一種常用的軟件設計模式，該模式的主要目的是確保某一個類只有一個實例存在。當你希望在整個系統中，某個類只能出現一個實例時，單例模式就能派上用場。

比如，某個服務器程序的配置信息存放在一個文件中，客戶端通過一個 AppConfig 的類來讀取配置文件的信息。如果在程序運行期間，有很多地方都需要使用配置文件的內容，也就是說，很多地方都需要創建 AppConfig 對象的實例，這就導致系統中存在多個 AppConfig 的實例對象，而這樣會嚴重浪費內存資源，尤其是在配置文件內容很多的情況下。事實上，類似 AppConfig 這樣的類，我們希望在程序運行期間只存在一個實例對象。

在 Python 中，我們可以用多種方法來實現單例模式。

使用模塊

其實，Python 的模塊就是天然的單例模式，因為模塊在第一次導入時，會生成 .pyc 文件，當第二次導入時，就會直接加載 .pyc 文件，而不會再次執行模塊代碼。因此，我們只需把相關的函數和數據定義在一個模塊中，就可以獲得一個單例對象了。如果我們真的想要一個單例類，可以考慮這樣做：

# mysingleton.py
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，直接在其他文件中導入此文件中的對象，這個對象即是單例模式的對象

from a 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 = 1def __init__(self, x=0):self.x = xa1 = A(2)
a2 = A(3)
print(a1)
print(a2)

<__main__.A object at 0x103496668>
<__main__.A object at 0x103496668>

使用類

class Singleton(object):def __init__(self):pass@classmethoddef 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，但是這樣當使用多線程時會存在問題。

class Singleton(object):def __init__(self):pass@classmethoddef instance(cls, *args, **kwargs):if not hasattr(Singleton, "_instance"):Singleton._instance = Singleton(*args, **kwargs)return Singleton._instanceimport threadingdef task(arg):obj = Singleton.instance()print(obj)for i in range(10):t = threading.Thread(target=task,args=[i,])t.start()

<__main__.Singleton object at 0x1033e84a8>
<__main__.Singleton object at 0x1033e84a8>
<__main__.Singleton object at 0x1033e84a8>
<__main__.Singleton object at 0x1033e84a8>
<__main__.Singleton object at 0x1033e84a8>
<__main__.Singleton object at 0x1033e84a8>
<__main__.Singleton object at 0x1033e84a8>
<__main__.Singleton object at 0x1033e84a8>
<__main__.Singleton object at 0x1033e84a8>
<__main__.Singleton object at 0x1033e84a8>

看起來也沒有問題，那是因為執行速度過快，如果在init方法中有一些IO操作，就會發現問題了，下面我們通過time.sleep模擬

class Singleton(object):def __init__(self):import timetime.sleep(0.5)pass@classmethoddef instance(cls, *args, **kwargs):if not hasattr(Singleton, "_instance"):Singleton._instance = Singleton(*args, **kwargs)return Singleton._instanceimport threadingdef task(arg):obj = Singleton.instance()print(obj)for i in range(10):t = threading.Thread(target=task,args=[i,])t.start()

<__main__.Singleton object at 0x1033b79e8>
<__main__.Singleton object at 0x1033b7e10>
<__main__.Singleton object at 0x103401ef0>
<__main__.Singleton object at 0x103401c18>
<__main__.Singleton object at 0x103401048>
<__main__.Singleton object at 0x103401dd8>
<__main__.Singleton object at 0x103401b00>
<__main__.Singleton object at 0x103401eb8>
<__main__.Singleton object at 0x103401a58>
<__main__.Singleton object at 0x103401fd0>

問題出現了！按照以上方式創建的單例，無法支持多線程。

解決辦法：加鎖！未加鎖部分并發執行,加鎖部分串行執行,速度降低,但是保證了數據安全

import time
import threadingclass Singleton(object):_instance_lock = threading.Lock()def __init__(self):time.sleep(0.5)@classmethoddef instance(cls, *args, **kwargs):with Singleton._instance_lock:if not hasattr(Singleton, "_instance"):Singleton._instance = Singleton(*args, **kwargs)return Singleton._instancedef task(arg):obj = Singleton.instance()print(obj)for i in range(10):t = threading.Thread(target=task,args=[i,])t.start()
time.sleep(5)
obj = Singleton.instance()
print(obj)

<__main__.Singleton object at 0x103401b00>
<__main__.Singleton object at 0x103401b00>
<__main__.Singleton object at 0x103401b00>
<__main__.Singleton object at 0x103401b00>
<__main__.Singleton object at 0x103401b00>
<__main__.Singleton object at 0x103401b00>
<__main__.Singleton object at 0x103401b00>
<__main__.Singleton object at 0x103401b00>
<__main__.Singleton object at 0x103401b00>
<__main__.Singleton object at 0x103401b00>
<__main__.Singleton object at 0x103401b00>

這樣就差不多了，但是還是有一點小問題，就是當程序執行時，執行了time.sleep(5)后，下面實例化對象時，此時已經是單例模式了，但我們還是加了鎖，這樣不太好，再進行一些優化，需要修改一下intance方法。

import time
import threadingclass Singleton(object):_instance_lock = threading.Lock()def __init__(self):time.sleep(0.5)@classmethoddef 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._instancedef task(arg):obj = Singleton.instance()print(obj)for i in range(10):t = threading.Thread(target=task,args=[i,])t.start()time.sleep(5)
obj = Singleton.instance()
print(obj)

<__main__.Singleton object at 0x1033db550>
<__main__.Singleton object at 0x1033db550>
<__main__.Singleton object at 0x1033db550>
<__main__.Singleton object at 0x1033db550>
<__main__.Singleton object at 0x1033db550>
<__main__.Singleton object at 0x1033db550>
<__main__.Singleton object at 0x1033db550>
<__main__.Singleton object at 0x1033db550>
<__main__.Singleton object at 0x1033db550>
<__main__.Singleton object at 0x1033db550>
<__main__.Singleton object at 0x1033db550>

這種方式實現的單例模式，使用時會有限制，以后實例化必須通過obj = Singleton.instance()，如果用obj=Singleton(),這種方式得到的不是單例。

使用__new__方法（推薦使用，方便）

通過上面例子，我們可以知道，當我們實現單例時，為了保證線程安全需要在內部加入鎖。

我們知道，當我們實例化一個對象時，是先執行了類的__new__方法（我們沒寫時，默認調用object.__new__）實例化對象；然后再執行類的__init__方法，對這個對象進行初始化，所有我們可以基于這個機制，實現單例模式。

import threading
import time
class Singleton(object):_instance_lock = threading.Lock()def __init__(self):time.sleep(0.5)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._instanceobj1 = 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()

<__main__.Singleton object at 0x103483b70> <__main__.Singleton object at 0x103483b70>
<__main__.Singleton object at 0x103483b70>
<__main__.Singleton object at 0x103483b70>
<__main__.Singleton object at 0x103483b70>
<__main__.Singleton object at 0x103483b70>
<__main__.Singleton object at 0x103483b70>
<__main__.Singleton object at 0x103483b70>
<__main__.Singleton object at 0x103483b70>
<__main__.Singleton object at 0x103483b70>
<__main__.Singleton object at 0x103483b70>
<__main__.Singleton object at 0x103483b70>

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

使用metaclass

1. 類由type創建，創建類時，type的__init__方法自動執行，類()執行type的__call__方法(類的__new__方法,類的__init__方法)
2. 對象由類創建，創建對象時，類的__init__方法自動執行，對象()執行類的__call__方法

class Foo:def __init__(self):print("Foo __init__")def __call__(self, *args, **kwargs):print("Foo __call__")# 執行type的 __call__ 方法
# 調用 Foo類（是type的對象）的 __new__方法，用于創建對象
# 然后調用 Foo類（是type的對象）的 __init__方法，用于對對象初始化。
obj = Foo()# 執行Foo的 __call__ 方法
obj()    

Foo __init__
Foo __call__

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 objclass Foo(metaclass=SingletonType): # 指定創建Foo的type為SingletonTypedef __init__(self, name):self.name = namedef __new__(cls, *args, **kwargs):return object.__new__(cls)obj = Foo('xx')

cls <class '__main__.Foo'>

import threadingclass 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._instanceclass Foo(metaclass=SingletonType):def __init__(self,name):self.name = nameobj1 = Foo('name')
obj2 = Foo('name')
print(obj1)
print(obj2)

<__main__.Foo object at 0x10348d908>
<__main__.Foo object at 0x10348d908>

參考文章: Python中的單例模式的幾種實現方式的及優化

轉載于:https://www.cnblogs.com/CheeseZH/p/9462254.html

總結

以上是生活随笔為你收集整理的[Python设计模式] 第21章 计划生育——单例模式的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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