Python 中的单例模式

1.什么是单例模式

 

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。单例模式能控制一个类只能产生一个对象。

 

2.为什么需要单例模式

• 当每个实例都会占用资源，而且实例初始化会影响性能，这个时候就可以考虑使用单例模式，它给我们带来的好处是只有一个实例占用资源，并且只需初始化一次；
• 当有同步需要的时候，可以通过一个实例来进行同步控制，比如对某个共享文件（如日志文件）的控制，对计数器的同步控制等，这种情况下由于只有一个实例，所以不用担心同步问题。

 

3.单例模式应用场景

• Python的logger就是一个单例模式，用以日志记录
• Windows的资源管理器是一个单例模式
• 线程池，数据库连接池等资源池一般也用单例模式
• 网站计数器

4.在 Python 中，实现单例模式的四种方式：

• 使用模块
• 使用装饰器（decorator）
• 使用 __new__
• 使用元类

4.1 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：

# mysingleton.py 
class My_Singleton(object): 
    def foo(self): 
        pass 
my_singleton = My_Singleton()

将上面的代码保存在文件 mysingleton.py 中，然后这样使用：

from mysingleton import my_singleton
my_singleton.foo()

 

4.2 使用装饰器

    装饰器维护一个字典对象instances，缓存了所有单例类，只要单例不存在则创建，已经存在直接返回该实例对象。

我们定义一个装饰器 singleton，它返回了一个内部函数 wrapper，该函数会判断某个类是否在字典 instances 中，如果不存在，则会将 cls 作为 key，cls(*args, **kw) 作为 value 存到 instances 中，否则，直接返回 instances[cls]。

 

使用装饰器实现单例模式的代码如下：

def singleton(cls):
    instances = {}

    def wrapper(*args, **kwargs):
        if cls not in instances:
            instances[cls] = cls(*args, **kwargs)
        return instances[cls]

    return wrapper


@singleton
class Foo(object):
    pass

 

4.3 使用__new__

 

__new__方法：  __new__()方法用于定义创建对象时执行的操作

object类中的__new__()方法完成对象创建过程中的内存空间申请，对象属性初始化等一系列的操作。__new__是真正创建实例对象时用到的方法，所以重写基类的__new__方法，以此来保证创建对象的时候只生成一个实例。

注意事项：    

1.__new__()方法创建对象时自动运行。     

2.覆盖object类中的__new__方法后创建对象    将执行覆盖后的方法。

注意事项：  

__new__()方法仅仅是python开放出来给用户干预创建对象时的一个操作入口，该方法并不是直接完成分配内存、创建对象的操作，创建对象的操作由python底层统一管理。

 

使用__new__方法实现单例模式的代码如下：

class Singleton(object):
    _instance = None

    def __new__(cls, *args, **kw):
        if not cls._instance:
            cls._instance = super(Singleton, cls).__new__(cls, *args, **kw)
        return cls._instance

class MyClass(Singleton):
    pass

foo1 = MyClass()
foo2 = MyClass()
print(foo1)
print(foo2)

 

4.4 使用元类

元类是用于创建类对象的类，类对象创建实例对象时一定会调用__call__方法，因此在调用__call__时候保证始终只创建一个实例即可，type是python中的一个元类。

元类（metaclass）可以控制类的创建过程，它主要做三件事：

　　拦截类的创建

　　修改类的定义

　　返回修改后的类

 

使用元类实现单例模式的代码如下：

class Singleton(type):
    _instances = {}
    def __call__(cls, *args, **kwargs):
        if cls not in cls._instances:
            cls._instances[cls] = super(Singleton, cls).__call__(*args, **kwargs)
        return cls._instances[cls]

# Python2
# class MyClass(object):
#     __metaclass__ = Singleton

# Python3
class MyClass(metaclass=Singleton):
    pass

foo1 = MyClass()
foo2 = MyClass()
print(foo1)
print(foo2)