Python?中用多種方式實現(xiàn)單例模式
單例模式（Singleton Pattern） 是一種常用的軟件設(shè)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(tǒng)中，某個類只能出現(xiàn)一個實例時，單例對象就能派上用場。
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(nèi)容，也就是說，很多地方都需要創(chuàng)建 AppConfig 對象的實例，這就導致系統(tǒng)中存在多個 AppConfig 的實例對象，而這樣會嚴重浪費內(nèi)存資源，尤其是在配置文件內(nèi)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(xiàn)單例模式：
- 使用模塊
- 使用裝飾器
- 使用類
- 基于
__new__方法實現(xiàn) - 基于 metaclass 方式實現(xiàn)
下面來詳細介紹：
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?shù)诙螌霑r，就會直接加載 .pyc 文件，而不會再次執(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：
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 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，但是當使用多線程時會存在問題：
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，那是因為執(zhí)行速度過快，如果在 __init__ 方法中有一些 IO 操作，就會發(fā)現(xiàn)問題了。
下面我們通過 time.sleep 模擬，我們在上面 __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，但是還是有一點小問題，就是當程序執(zhí)行時，執(zhí)行了 time.sleep(20) 后，下面實例化對象時，此時已經(jīng)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(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
@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)這種方式實現(xiàn)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。
基于 __new__ 方法實現(xiàn)
通過上面例子，我們可以知道，當我們實現(xiàn)單例時，為了保證線程安全需要在內(nèi)部加入鎖。
我們知道，當我們實例化一個對象時，是先執(zhí)行了類的 __new__ 方法（我們沒寫時，默認調(diào)用 object.__new__），實例化對象；然后再執(zhí)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，實現(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，以后實例化對象時，和平時實例化對象的方法一樣 obj = Singleton() 。
基于 metaclass 方式實現(xiàn)
相關(guān)知識:
類由 type 創(chuàng)建，創(chuàng)建類時，type 的 __init__ 方法自動執(zhí)行，類() 執(zhí)行 type 的 __call__ 方法(類的 __new__ 方法，類的 __init__ 方法)
對象由類創(chuàng)建，創(chuàng)建對象時，類的 __init__ 方法自動執(zhí)行，對象()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的對象）的 __new__方法，用于創(chuàng)建對象，然后調(diào)用 Foo類（是type的對象）的 __init__方法，用于對對象初始化。
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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