概述
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。
使用模块实现单例模式
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
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)
print("a1: ", a1, "a1.x: ", a1.x)
print("a2: ", a2, "a2.x: ", a2.x)
打印输出：
a1: <__main__.A object at 0x104433a20> a1.x: 2
a2: <__main__.A object at 0x104433a20> a2.x: 2
使用类
import threading
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
def task(arg):
obj = Singleton.instance()
print(obj)
for i in range(10):
t = threading.Thread(target=task,args=[i,])
t.start()
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，打印结果如下：
<__main__.Singleton object at 0x10dbbf2b0>
<__main__.Singleton object at 0x10dbbf2b0>
<__main__.Singleton object at 0x10dbbf2b0>
<__main__.Singleton object at 0x10dbbf2b0>
<__main__.Singleton object at 0x10dbbf2b0>
<__main__.Singleton object at 0x10dbbf2b0>
<__main__.Singleton object at 0x10dbbf2b0>
<__main__.Singleton object at 0x10dbbf2b0>
<__main__.Singleton object at 0x10dbbf2b0>
<__main__.Singleton object at 0x10dbbf2b0>
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 0x101f0c2e8>
<__main__.Singleton object at 0x102008630>
<__main__.Singleton object at 0x1020087f0>
<__main__.Singleton object at 0x102008b70>
<__main__.Singleton object at 0x1020088d0>
<__main__.Singleton object at 0x102008a90>
<__main__.Singleton object at 0x102008710>
<__main__.Singleton object at 0x1020089b0>
<__main__.Singleton object at 0x102008550>
<__main__.Singleton object at 0x102008c50>
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 threading
import time
class Singleton(object):
_instance_lock = threading.Lock()
def __init__(self):
time.sleep(0.1)
@classmethod
def instance(cls, *args, **kwargs):
with Singleton._instance_lock:
if not hasattr(Singleton, "_instance"):
Singleton._instance = Singleton(*args, **kwargs)
return Singleton._instance
import threading
def task(arg):
obj = Singleton.instance()
print(obj)
threads = []
for i in range(10):
t = threading.Thread(target=task,args=[i,])
threads.append(t)
[t.start() for t in threads]
[t.join() for t in threads]
obj = Singleton.instance()
print("obj: ", obj)
改造 new 方法
class Singleton:
instance = None
init_flag = False
def __new__(cls, *args, **kwargs):
if cls.instance is None:
cls.instance = super().__new__(cls)
return cls.instance
def __init__(self, x):
if Singleton.init_flag:
return
self.x = x
Singleton.init_flag = True
s1 = Singleton(1)
s2 = Singleton(2)
print("s1: ", s1, "s1.x: ", s1.x)
print("s2: ", s2, "s2.x: ", s2.x)
打印输出：
s1: <__main__.Singleton object at 0x10f9ad940> s1.x: 1
s2: <__main__.Singleton object at 0x10f9ad940> s2.x: 1
加锁操作代码如下所示：
import threading
import time
class Singleton:
instance = None
init_flag = False
_instance_lock = threading.Lock()
_instance_lock2 = threading.Lock()
def __new__(cls, *args, **kwargs):
with Singleton._instance_lock:
if cls.instance is None:
time.sleep(0.1)
cls.instance = super().__new__(cls)
return cls.instance
def __init__(self, x):
with Singleton._instance_lock2:
if Singleton.init_flag:
return
self.x = x
Singleton.init_flag = True
def task(i):
s = Singleton(i)
print("s: ", s, "s.x: ", s.x)
# print("s dir: ", dir(s))
threads = []
for i in range(10):
t = threading.Thread(target=task, args=(1,))
threads.append(t)
[t.start() for t in threads]
[t.join() for t in threads]
