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Python中的单例模式的几种实现方式的及优化

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单例模式

实现单例模式的几种方式

1.使用模块

2.使用装饰器

3.使用类

4.基于__new__方法实现（推荐使用，方便）

5.基于metaclass方式实现

相关知识

实现单例模式

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单例模式

单例模式（Singleton Pattern）是一种常用的软件设计模式，该模式的主要目的是确保某一个类只有一个实例存在。当你希望在整个系统中，某个类只能出现一个实例时，单例对象就能派上用场。

比如，某个服务器程序的配置信息存放在一个文件中，客户端通过一个 AppConfig 的类来读取配置文件的信息。如果在程序运行期间，有很多地方都需要使用配置文件的内容，也就是说，很多地方都需要创建 AppConfig 对象的实例，这就导致系统中存在多个 AppConfig 的实例对象，而这样会严重浪费内存资源，尤其是在配置文件内容很多的情况下。事实上，类似 AppConfig 这样的类，我们希望在程序运行期间只存在一个实例对象。

在 Python 中，我们可以用多种方法来实现单例模式

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实现单例模式的几种方式

1.使用模块

其实，Python 的模块就是天然的单例模式，因为模块在第一次导入时，会生成 .pyc 文件，当第二次导入时，就会直接加载 .pyc 文件，而不会再次执行模块代码。因此，我们只需把相关的函数和数据定义在一个模块中，就可以获得一个单例对象了。如果我们真的想要一个单例类，可以考虑这样做：

mysingleton.py

class Singleton(object):

def foo(self):

pass

singleton = Singleton()

将上面的代码保存在文件 mysingleton.py 中，要使用时，直接在其他文件中导入此文件中的对象，这个对象即是单例模式的对象

from a import singleton

2.使用装饰器

复制代码

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)

复制代码

3.使用类

复制代码

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

复制代码

一般情况，大家以为这样就完成了单例模式，但是这样当使用多线程时会存在问题

复制代码

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()

复制代码

程序执行后，打印结果如下：

复制代码

<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>

复制代码

看起来也没有问题，那是因为执行速度过快，如果在init方法中有一些IO操作，就会发现问题了，下面我们通过time.sleep模拟

我们在上面__init__方法中加入以下代码：

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

重新执行程序后，结果如下

复制代码

<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>

复制代码

问题出现了！按照以上方式创建的单例，无法支持多线程

解决办法：加锁！未加锁部分并发执行,加锁部分串行执行,速度降低,但是保证了数据安全

复制代码

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)

复制代码

打印结果如下：

复制代码

<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>

复制代码

这样就差不多了，但是还是有一点小问题，就是当程序执行时，执行了time.sleep(20)后，下面实例化对象时，此时已经是单例模式了，但我们还是加了锁，这样不太好，再进行一些优化，把intance方法，改成下面的这样就行：

复制代码

@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

复制代码

这样，一个可以支持多线程的单例模式就完成了

完整代码

这种方式实现的单例模式，使用时会有限制，以后实例化必须通过 obj = Singleton.instance()

如果用 obj=Singleton() ,这种方式得到的不是单例

4.基于__new__方法实现（推荐使用，方便）

通过上面例子，我们可以知道，当我们实现单例时，为了保证线程安全需要在内部加入锁

我们知道，当我们实例化一个对象时，是先执行了类的__new__方法（我们没写时，默认调用object.new），实例化对象；然后再执行类的__init__方法，对这个对象进行初始化，所有我们可以基于这个，实现单例模式

复制代码

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()

复制代码

打印结果如下：

复制代码

<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>

复制代码

采用这种方式的单例模式，以后实例化对象时，和平时实例化对象的方法一样 obj = Singleton()

5.基于metaclass方式实现

相关知识

"""

1.类由type创建，创建类时，type的__init__方法自动执行，类() 执行type的 __call__方法(类的__new__方法,类的__init__方法)

2.对象由类创建，创建对象时，类的__init__方法自动执行，对象()执行类的 call 方法

"""

例子：

复制代码

class Foo:

def init(self):

pass

def __call__(self, *args, **kwargs):
    pass

obj = Foo()

执行type的 call 方法，调用 Foo类（是type的对象）的 __new__方法，用于创建对象，然后调用 Foo类（是type的对象）的 __init__方法，用于对对象初始化。

obj() # 执行Foo的 call 方法

复制代码

元类的使用

复制代码

class SingletonType(type):

def init(self,args,**kwargs):

super(SingletonType,self).init(args,**kwargs)

def __call__(cls, *args, **kwargs): # 这里的cls，即Foo类
    print('cls',cls)
    obj = cls.__new__(cls,*args, **kwargs)
    cls.__init__(obj,*args, **kwargs) # Foo.__init__(obj)
    return obj

class Foo(metaclass=SingletonType): # 指定创建Foo的type为SingletonType

def init(self，name):

self.name = name

def new(cls, *args, **kwargs):

return object.new(cls)

obj = Foo('xx')

复制代码

实现单例模式

复制代码

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)

复制代码

python中的单例模式

一、单例模式的概述：

单例模式是一种常用的软件设计模式。在它的核心结构中只包含一个被称为单例类的特殊类。通过单例模式可以保证系统中一个类只有一个实例而且该实例易于外界访问，从而方便对实例个数的控制并节约系统资源。如果希望在系统中某个类的对象只能存在一个，单例模式是最好的解决方案。

单例模式的要点有三个；一是某个类只能有一个实例；二是它必须自行创建这个实例；三是它必须自行向整个系统提供这个实例。

从具体实现角度来说，就是以下三点：一是单例模式的类只提供私有的构造函数，二是类定义中含有一个该类的静态私有对象，三是该类提供了一个静态的共有函数用于创建或获取它本身的静态私有对象。

二、应用：

一些资源管理器常常设计成单例模式

在计算机系统中，需要管理的资源包括软件外部资源，譬如每台计算机可以有若干个打印机，但只能有一个Printer Spooler，以避免两个打印机作业同时输出到打印机中。每台计算机可以有若干传真机卡，但是只应该有一个软件负责管理传真卡，以避免一个通信端口同时被两个请求同时调用。

需要管理的资源包括软件内部资源，譬如，大多数的软件都有一个（甚至多个）属性（properties）文件存放系统配置。这样的系统应当由一个对象来管理一个属性文件。

需要管理的软件内部资源也包括负责记录网站来访人数的部件，记录软件系统内部事件、出错信息的部件，或是对系统的表现进行检查的部件等。其一，这些资源管理器构件必须只有一个实例；其二，它们必须自行初始化；其三，允许整个系统访问自己。因此，它们都满足单例模式的条件，是单例模式的应用。

三、单例模式的优缺点：

优点：

1、实例控制

单例模式会阻止其他对象实例化其自己的单例对象的副本，从而确保所有对象都访问唯一实例。

2、灵活性

因为类控制了实例化过程，所以类可以灵活更改实例化过程。

缺点：

1、开销

虽然数量很少，但如果每次对象请求引用时都要检查是否存在类的实例，将仍然需要一些开销。可以通过使用静态初始化解决此问题。

2、可能的开发混淆

使用单例对象（尤其在类库中定义的对象）时，开发人员必须记住自己不能使用new关键字实例化对象。因为可能无法访问库源代码，因此应用程序开发人员可能会意外发现自己无法直接实例化此类。

3、对象生成期

不能解决删除单个对象的问题。在提供内存管理的语言中（例如基于.NET Framework的语言），只有单例类能够导致单例类中出现悬浮引用。

四、在Python中，单例模式有以下几种实现方式。

方法一、实现__new__方法，然后将类的一个实例绑定到类变量_instance上；如果cls._instance为None，则说明该类还没有被实例化过，new一个该类的实例，并返回；如果cls._instance不为None，直接返回_instance，代码如下：

复制代码

class Singleton(object):

def new(cls, args, **kwargs):

if not hasattr(cls,'_instance'):

orig=super(Singleton,cls)

cls._instance=orig.new(cls,args,**kwargs)

return cls._instance

class MyClass(Singleton):

a=1

one=MyClass()

two=MyClass()

one和two完全相同，可以用id()，==，is检查

print(one.a) # 1

print(id(one)) # 2565285375728

print(id(two)) # 2565285375728

print(one == two) # True

print(one is two) # True

复制代码

方法二、本质上是方法一的升级版，使用metaclass（元类）的python高级用法，具体代码如下

复制代码

"""

class Singleton中的__init__在Myclass声明的时候被执行Myclass=Singleton()

Myclass()执行时，最先执行父类的__call__方法（object,Singleton都作为Myclass的父类，

根据深度优先算法，会执行Singleton中的__call__()，Singleton中的__call__()写了单例模式）

"""

class Singleton(type):

def __init__(self, name, bases, dict):
    super(Singleton,self).__init__(name,bases, dict)
    self._instance = None

def __call__(self, *args, **kwargs):
    if self._instance is None:
        self._instance = super(Singleton,self).__call__(*args, **kwargs)
    return self._instance

class MyClass(object,metaclass=Singleton):

a = 1

one=MyClass()

two=MyClass()

print(id(one)) # 1553247294800

print(id(two)) # 1553247294800

print(one == two) # True

print(one is two) # True

复制代码

方法三、使用python的装饰器（decorator）实现单例模式，这是一种更Pythonic的方法；单例类本身的代码不是单例的，通过装饰器使其单例化，代码如下：

复制代码

def singleton(cls, *args, **kwargs):

instances = {}

def _singleton():
    if cls not in instances:
        instances[cls] = cls(*args, **kwargs)
    return instances[cls]
return _singleton

@singleton

class MyClass3(object):

a = 1

one = MyClass3()

two = MyClass3()

print(id(one)) # 2880466769232

print(id(two)) # 2880466769232

print(one == two) # True

print(one is two) # True

复制代码

python的单例模式__new__()在__init__()之前被调用，用于生产实例对象。利用这个方法和类的属性的特点可以实现设计模式的单例模式。单例模式是指创建唯一对象，单例模式设计的类只能实例化一个对象。

复制代码

class Singleton(object):

__instance=None

def __init__(self):
    pass
def __new__(cls, *args, **kwargs):
    if Singleton.__instance is None:
        Singleton.__instance=object.__new__(cls,*args, **kwargs)
    return Singleton.__instance

one=Singleton()

two=Singleton()

print(id(one)) # 2488569943376

print(id(two)) # 2488569943376

print(one == two) # True

print(one is two) # True

复制代码

单例模式是一种常用的软件设计模式。在它的核心结构中只包含一个被称为单列类的特殊类。通过单列模式可以保证系统中一个类只有一个实例而且该实例易于外界访问，从而便于对实例个数的控制并节约系统资源。如果希望在系统中某个类的对象只能存在一个，单例模式是最后的解决方案。

五、总结

内容：保证一个类只有一个实例，并提供一个访问它的全局访问点。

适用场景：当类只能有一个实例而且客户可以从一个众所周知的访问点访问它时

优点：

对唯一实例的受控访问

单例相当于全局变量，但防止了命名空间被污染

与单例模式功能相似的概念：全局变量、静态变量（方法）