Python中的单例模式的几种实现方式的及优化

阅读目录(Content)

• 单例模式
• 实现单例模式的几种方式
• 1.使用模块
• 2.使用装饰器
• 3.使用类
• 4.基于__new__方法实现（推荐使用，方便）
• 5.基于metaclass方式实现
• 相关知识
• 实现单例模式

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单例模式

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。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

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实现单例模式的几种方式

1.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：

mysingleton.py

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 a import singleton

2.使用装饰器

def Singleton(cls):
    _instance = {}
</span><span style="color: #0000ff;">def</span> _singleton(*args, **<span style="color: #000000;">kargs):
    </span><span style="color: #0000ff;">if</span> cls <span style="color: #0000ff;">not</span> <span style="color: #0000ff;">in</span><span style="color: #000000;"> _instance:
        _instance[cls] </span>= cls(*args, **<span style="color: #000000;">kargs)
    </span><span style="color: #0000ff;">return</span><span style="color: #000000;"> _instance[cls]

</span><span style="color: #0000ff;">return</span><span style="color: #000000;"> _singleton

@Singleton

class A(object):

a = 1
<span style="color: #0000ff;">def</span> <span style="color: #800080;">__init__</span>(self, x=<span style="color: #000000;">0):
    self.x </span>=<span style="color: #000000;"> x

a1 = A(2)

a2 = A(3)

3.使用类

class Singleton(object):
</span><span style="color: #0000ff;">def</span> <span style="color: #800080;">__init__</span><span style="color: #000000;">(self):
    </span><span style="color: #0000ff;">pass</span><span style="color: #000000;">

@classmethod
</span><span style="color: #0000ff;">def</span> instance(cls, *args, **<span style="color: #000000;">kwargs):
    </span><span style="color: #0000ff;">if</span> <span style="color: #0000ff;">not</span> hasattr(Singleton, <span style="color: #800000;">"</span><span style="color: #800000;">_instance</span><span style="color: #800000;">"</span><span style="color: #000000;">):
        Singleton._instance </span>= Singleton(*args, **<span style="color: #000000;">kwargs)
    </span><span style="color: #0000ff;">return</span> Singleton._instance</pre>

一般情况，大家以为这样就完成了单例模式，但是这样当使用多线程时会存在问题

class Singleton(object):
</span><span style="color: #0000ff;">def</span> <span style="color: #800080;">__init__</span><span style="color: #000000;">(self):
    </span><span style="color: #0000ff;">pass</span><span style="color: #000000;">

@classmethod
</span><span style="color: #0000ff;">def</span> instance(cls, *args, **<span style="color: #000000;">kwargs):
    </span><span style="color: #0000ff;">if</span> <span style="color: #0000ff;">not</span> hasattr(Singleton, <span style="color: #800000;">"</span><span style="color: #800000;">_instance</span><span style="color: #800000;">"</span><span style="color: #000000;">):
        Singleton._instance </span>= Singleton(*args, **<span style="color: #000000;">kwargs)
    </span><span style="color: #0000ff;">return</span><span style="color: #000000;"> 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()
</span><span style="color: #0000ff;">def</span> <span style="color: #800080;">__init__</span><span style="color: #000000;">(self):
    time.sleep(</span>1<span style="color: #000000;">)

@classmethod
</span><span style="color: #0000ff;">def</span> instance(cls, *args, **<span style="color: #000000;">kwargs):
    with Singleton._instance_lock:
        </span><span style="color: #0000ff;">if</span> <span style="color: #0000ff;">not</span> hasattr(Singleton, <span style="color: #800000;">"</span><span style="color: #800000;">_instance</span><span style="color: #800000;">"</span><span style="color: #000000;">):
            Singleton._instance </span>= Singleton(*args, **<span style="color: #000000;">kwargs)
    </span><span style="color: #0000ff;">return</span><span style="color: #000000;"> 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，改成下面的这样就行：

    @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()
</span><span style="color: #0000ff;">def</span> <span style="color: #800080;">__init__</span><span style="color: #000000;">(self):
    time.sleep(</span>1<span style="color: #000000;">)

@classmethod
</span><span style="color: #0000ff;">def</span> instance(cls, *args, **<span style="color: #000000;">kwargs):
    </span><span style="color: #0000ff;">if</span> <span style="color: #0000ff;">not</span> hasattr(Singleton, <span style="color: #800000;">"</span><span style="color: #800000;">_instance</span><span style="color: #800000;">"</span><span style="color: #000000;">):
        with Singleton._instance_lock:
            </span><span style="color: #0000ff;">if</span> <span style="color: #0000ff;">not</span> hasattr(Singleton, <span style="color: #800000;">"</span><span style="color: #800000;">_instance</span><span style="color: #800000;">"</span><span style="color: #000000;">):
                Singleton._instance </span>= Singleton(*args, **<span style="color: #000000;">kwargs)
    </span><span style="color: #0000ff;">return</span><span style="color: #000000;"> 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

4.基于__new__方法实现（推荐使用，方便）

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()
</span><span style="color: #0000ff;">def</span> <span style="color: #800080;">__init__</span><span style="color: #000000;">(self):
    </span><span style="color: #0000ff;">pass</span>


<span style="color: #0000ff;">def</span> <span style="color: #800080;">__new__</span>(cls, *args, **<span style="color: #000000;">kwargs):
    </span><span style="color: #0000ff;">if</span> <span style="color: #0000ff;">not</span> hasattr(Singleton, <span style="color: #800000;">"</span><span style="color: #800000;">_instance</span><span style="color: #800000;">"</span><span style="color: #000000;">):
        with Singleton._instance_lock:
            </span><span style="color: #0000ff;">if</span> <span style="color: #0000ff;">not</span> hasattr(Singleton, <span style="color: #800000;">"</span><span style="color: #800000;">_instance</span><span style="color: #800000;">"</span><span style="color: #000000;">):
                Singleton._instance </span>= object.<span style="color: #800080;">__new__</span>(cls<span style="color: #000000;">)  
    </span><span style="color: #0000ff;">return</span><span style="color: #000000;"> 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() 

5.基于metaclass方式实现

相关知识

"""
1.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)
2.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
<span style="color: #0000ff;">def</span> <span style="color: #800080;">__call__</span>(self, *args, **<span style="color: #000000;">kwargs):
    </span><span style="color: #0000ff;">pass</span><span style="color: #000000;">

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)
</span><span style="color: #0000ff;">def</span> <span style="color: #800080;">__call__</span>(cls, *args, **kwargs): <span style="color: #008000;">#</span><span style="color: #008000;"> 这里的cls，即Foo类</span>
    <span style="color: #0000ff;">print</span>(<span style="color: #800000;">'</span><span style="color: #800000;">cls</span><span style="color: #800000;">'</span><span style="color: #000000;">,cls)
    obj </span>= cls.<span style="color: #800080;">__new__</span>(cls,*args, **<span style="color: #000000;">kwargs)
    cls.</span><span style="color: #800080;">__init__</span>(obj,*args, **kwargs) <span style="color: #008000;">#</span><span style="color: #008000;"> Foo.__init__(obj)</span>
    <span style="color: #0000ff;">return</span><span style="color: #000000;"> 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)