Python 實現單例模式的五種寫法
單例模式（Singleton Pattern） 是一種常用的軟體設計模式，該模式的主要目的是確保某一個類只有一個例項存在。當你希望在整個系統中，某個類只能出現一個例項時，單例物件就能派上用場。
比如，某個伺服器程式的配置資訊存放在一個檔案中，客戶端通過一個 AppConfig 的類來讀取配置檔案的資訊。如果在程式執行期間，有很多地方都需要使用配置檔案的內容，也就是說，很多地方都需要建立 AppConfig 物件的例項，這就導致系統中存在多個 AppConfig 的例項物件，而這樣會嚴重浪費記憶體資源，尤其是在配置檔案內容很多的情況下。
事實上，類似 AppConfig 這樣的類，我們希望在程式執行期間只存在一個例項物件。
在 Python 中，我們可以用多種方法來實現單例模式：
- 使用模組
- 使用裝飾器
- 使用類
- 基於 __new__ 方法實現
- 基於 metaclass 方式實現
下面來詳細介紹：
使用模組
其實，Python 的模組就是天然的單例模式，因為模組在第一次匯入時，會生成 .pyc 檔案，當第二次匯入時，就會直接載入 .pyc 檔案，而不會再次執行模組程式碼。
因此，我們只需把相關的函式和資料定義在一個模組中，就可以獲得一個單例物件了。
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()
將上面的程式碼儲存在檔案 mysingleton.py 中，要使用時，直接在其他檔案中匯入此檔案中的物件，這個物件即是單例模式的物件
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)
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，但是當使用多執行緒時會存在問題：
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()
程式執行後，列印結果如下：
<__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，那是因為執行速度過快，如果在 __init__ 方法中有一些 IO 操作，就會發現問題了。
下面我們通過 time.sleep 模擬，我們在上面 __init__ 方法中加入以下程式碼：
def __init__(self): import time time.sleep(1)
重新執行程式後，結果如下：
<__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>
問題出現了！按照以上方式建立的單例，無法支援多執行緒。
解決辦法：加鎖！未加鎖部分併發執行，加鎖部分序列執行，速度降低，但是保證了資料安全。
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)
列印結果如下：
<__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，就是當程式執行時，執行了 time.sleep(20) 後，下面例項化物件時，此時已經是單例模式了。
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，一個可以支援多執行緒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)
這種方式實現的單例模式，使用時會有限制，以後例項化必須通過 obj = Singleton.instance()
如果用 obj = Singleton()，這種方式得到的不是單例。
基於 __new__ 方法實現
通過上面例子，我們可以知道，當我們實現單例時，為了保證執行緒安全需要在內部加入鎖。
我們知道，當我們例項化一個物件時，是先執行了類的 __new__ 方法（我們沒寫時，預設呼叫 object.__new__），例項化物件；然後再執行類的 __init__ 方法，對這個物件進行初始化，所有我們可以基於這個，實現單例模式。
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()
列印結果如下：
<__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>
採用這種方式的單例模式，以後例項化物件時，和平時例項化物件的方法一樣 obj = Singleton() 。
基於 metaclass 方式實現
相關知識:
- 類由 type 建立，建立類時，type 的 __init__ 方法自動執行，類() 執行 type 的 __call__ 方法(類的 __new__ 方法，類的 __init__ 方法)。
- 物件由類建立，建立物件時，類的 __init__ 方法自動執行，物件()執行類的 __call__ 方法。
例子：
class Foo:
def __init__(self):
pass
def __call__(self, *args, **kwargs):
pass
obj = Foo()
# 執行type的 __call__ 方法，呼叫 Foo類（是type的物件）的 __new__方法，用於建立物件，然後呼叫 Foo類（是type的物件）的 __init__方法，用於對物件初始化。
obj() # 執行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): # 這裡的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): # 指定建立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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