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Python实现单例模式的五种写法

时间：2022-10-01 来源： 浏览：

Python实现单例模式的五种写法

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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。

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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：

  • 使用模块
  • 使用装饰器
  • 使用类
  • 基于 new 方法实现
  • 基于 metaclass 方式实现

下面来详细介绍：

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：

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 mysingleton import singleton

使用装饰器

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 )

使用类

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

一般情况，大家以为这样就完成了单例模式，但是当使用多线程时会存在问题：

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()

程序执行后，打印结果如下：

<__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：

<__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>

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。

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)

打印结果如下：

<__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>

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，改成下面这样就行：

@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

这样，一个可以支持多线程的单例模式就完成了。+

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)

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。

基于 new 方法实现

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。

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()

打印结果如下：

<__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() 。

基于 metaclass 方式实现

相关知识:

  • 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)

  • 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：

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

元类的使用：

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’ )

实现单例模式：

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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