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(guò)一個(gè) AppConfig 的類來(lái)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(shuō)，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(lái)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(lái)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(wèn)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(lái)也沒(méi)有問(wèn)題，那是因?yàn)閳?zhí)行速度過(guò)快，如果在 init 方法中有一些 IO 操作，就會(huì)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題了
下面我們通過(guò) 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(wèn)題出現(xiàn)了!按照以上方式創(chuàng)建的單例，無(wú)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(wèn)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(guò) obj = Singleton.instance()
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)
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(guò)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(méi)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):
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：
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
以上就是Python實(shí)現(xiàn)單例模式的五種寫法，快上手試試吧。希望本篇文章可以給大家?guī)?lái)收獲，如果喜歡的話，歡迎收藏哦!后面會(huì)繼續(xù)分享更多Python技術(shù)知識(shí)的!
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