python3 什么是单例模式及单例模式的实现

单例模式的理解

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。

为什么要使用单例模式？

比如，某个程序的全局配置信息存放在一个文件中，客户端需要多次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。这个时候就要用到我们的单例模式

在 Python 中，我们可以用多种方法来实现单例模式：

方法一：使用模块。

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：

pakeage.py

class Save(object):
    def save(self):
        print("save")
save = Save()

# 将上面的代码保存在文件 pakeage.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 save

方法二：基于 _ new _ 方法实现（推荐使用，方便）

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:
    _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 = super(Singleton, cls).__new__(cls, *args, **kwargs)
        return Singleton._instance


obj1 = Singleton()
obj2 = Singleton()
print(obj1, obj2)


def task(arg):
    obj = Singleton()
    print(obj,arg)


for i in range(10):
    t = threading.Thread(target=task, args=(i,))
    t.start()


输出结果：
<__main__.Singleton object at 0x1097a8cf8> <__main__.Singleton object at 0x1097a8cf8>
<__main__.Singleton object at 0x1097a8cf8> 0
<__main__.Singleton object at 0x1097a8cf8> 1
<__main__.Singleton object at 0x1097a8cf8> 2
<__main__.Singleton object at 0x1097a8cf8> 3
<__main__.Singleton object at 0x1097a8cf8> 4
<__main__.Singleton object at 0x1097a8cf8> 5
<__main__.Singleton object at 0x1097a8cf8> 6
<__main__.Singleton object at 0x1097a8cf8> 7
<__main__.Singleton object at 0x1097a8cf8> 8
<__main__.Singleton object at 0x1097a8cf8> 9

方法三：使用类

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,arg)
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()

with Lock相当于自动获取锁和释放锁(资源)

方法四：使用装饰器

def Singleton(cls):
    _instance = {}

    def _singleton(*args, **kargs):
        print(cls,_instance)
        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,a2)

输出结果：
<__main__.A object at 0x1043df2e8> <__main__.A object at 0x1043df2e8>

方法五：基于metaclass方式实现

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

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)