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Python實(shí)現(xiàn)單例模式的五種寫法

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。

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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)

新聞名稱：Python實(shí)現(xiàn)單例模式的五種寫法
網(wǎng)頁URL：http://www.5511xx.com/article/cdsocoe.html