python中的单例模式、元类

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。

单例模式的要点有三个；一是某个类只能有一个实例；二是它必须自行创建这个实例；三是它必须自行向整个系统提供这个实例。

在 Python 中，我们可以用多种方法来实现单例模式：

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

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：

#tests1.py
class MyClass(object):
    def foo(self):
        print('MyClass.foo')
my_class_obj=MyClass()

　　将上面的代码保存在文件 tests1.py 中，然后这样使用：

from .tests1 import my_class_obj
my_class_obj.foo()

　　

使用 __new__

为了使类只能出现一个实例，我们可以使用 __new__ 来控制实例的创建过程，代码如下：

class MyClass(object):
    _instance = None
    def __new__(cls, *args, **kwargs):
        if not cls._instance:
            cls._instance = super(MyClass, cls).__new__(cls, *args, **kwargs)
        return cls._instance
 
class HerClass(MyClass):
    a = 1

在上面的代码中，我们将类的实例和一个类变量 _instance 关联起来，如果 cls._instance 为 None 则创建实例，否则直接返回 cls._instance。

执行情况如下：

one = HerClass()
two = HerClass()
print(one == two)   #True
print(one is two)   #True
print(id(one), id(two)) #42818864 42818864

使用装饰器

我们知道，装饰器（decorator）可以动态地修改一个类或函数的功能。这里，我们也可以使用装饰器来装饰某个类，使其只能生成一个实例，代码如下：

from functools import wraps
 
 
def singleton(cls):
    instances = {}
 
    @wraps(cls)
    def getinstance(*args, **kwargs):
        if cls not in instances:
            instances[cls] = cls(*args, **kwargs)
        return instances[cls]
 
    return getinstance
 
 
@singleton
class MyClass(object):
    a = 1

在上面，我们定义了一个装饰器 singleton，它返回了一个内部函数 getinstance，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 metaclass

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

优点： 

一、实例控制

单例模式会阻止其他对象实例化其自己的单例对象的副本，从而确保所有对象都访问唯一实例。

 

二、灵活性

因为类控制了实例化过程，所以类可以灵活更改实例化过程。

 

缺点：

 

一、开销

虽然数量很少，但如果每次对象请求引用时都要检查是否存在类的实例，将仍然需要一些开销。可以通过使用静态初始化解决此问题。

 

二、可能的开发混淆

使用单例对象（尤其在类库中定义的对象）时，开发人员必须记住自己不能使用 new关键字实例化对象。因为可能无法访问库源代码，因此应用程序开发人员可能会意外发现自己无法直接实例化此类。

 

三、对象生存期

不能解决删除单个对象的问题。在提供内存管理的语言中（例如基于.NET Framework的语言），只有单例类能够导致实例被取消分配，因为它包含对该实例的私有引用。在某些语言中（如 C++），其他类可以删除对象实例，但这样会导致单例类中出现悬浮引用。

 

补充：元类(metaclass)

类也是对象

只要你使用关键字class，Python解释器在执行的时候就会创建一个对象。

下面的代码段：

class MyClass(object):
    pass

　　

将在内存中创建一个对象，名字就是MyClass。这个对象（类）自身拥有创建对象（类实例）的能力，而这就是为什么它是一个类的原因。但是，它的本质仍然是一个对象，于是乎你可以对它做如下的操作：

1)   你可以将它赋值给一个变量

2)   你可以拷贝它

3)   你可以为它增加属性

4)   你可以将它作为函数参数进行传递

class MyClass(object):
    pass
 
 
print(MyClass)     # 你可以打印一个类，因为它其实也是一个对象
# <class '__main__.MyClass'>
 
def echo(o):
    print(o)
echo(MyClass)       # 你可以将类做为参数传给函数
# <class '__main__.MyClass'>
 
MyClass.new_attribute = 'foo'   #  你可以为类增加属性
print(hasattr(MyClass,'new_attribute')) #True
print(MyClass.new_attribute)    #foo
 
MyClassMirror=MyClass　　　　# 你可以将类赋值给一个变量
print(MyClassMirror())
# <__main__.MyClass object at 0x00000000028CDE10>

动态地创建类

因为类也是对象，你可以在运行时动态的创建它们，就像其他任何对象一样。首先，你可以在函数中创建类，使用class关键字即可。

def choose_class(name):
    if name == 'foo':
        class Foo(object):
            pass
        return Foo  # 返回的是类，不是类的实例
    else:
        class Bar(object):
            pass
 
        return Bar
 
MyClass = choose_class('foo')
print(MyClass)      # 函数返回的是类，不是类的实例
# <class '__main__.choose_class.<locals>.Foo'>
 
print(MyClass())    # 你可以通过这个类创建类实例，也就是对象
# <__main__.choose_class.<locals>.Foo object at 0x00000000021E5CF8>

但这还不够动态。

由于类也是对象，所以它们必须是通过什么东西来生成的才对。

还记得内建函数type吗？这个古老但强大的函数能够让你知道一个对象的类型是什么，就像这样：

print(type(1))          #<class 'int'>
print(type('1'))        #<class 'str'>
print(type(MyClass))    #<class 'type'>
print(type(MyClass()))  #<class '__main__.MyClass'>

type也能动态的创建类。

type可以像这样工作：

type(类名, 父类的元组（针对继承的情况，可以为空），包含属性的字典（名称和值）)

比如下面的代码：

class MyShinyClass(object):
    pass

可以手动像这样创建：

MyShinyClass=type('MyShinyClass',(),{})     # 返回一个类对象
print(MyShinyClass)    
# <class '__main__.MyShinyClass'>
 
print(MyShinyClass())   #  创建一个该类的实例
# <__main__.MyShinyClass object at 0x0000000002737D68>

type 接受一个字典来为类定义属性，因此：

class Foo(object):
    bar=True

可以翻译为：

Foo = type('Foo', (), {'bar':True})

 并且可以将Foo当成一个普通的类一样使用：

class Foo(object):
    bar=True
 
print(Foo)      #<class '__main__.Foo'>
print(Foo.bar)  #True
f=Foo()        
print(f)        #<__main__.Foo object at 0x0000000001F7DE10>
print(f.bar)    #True

当然，你可以向这个类继承，所以，如下的代码：

class FooChild(Foo):
    pass

就可以写成：

class Foo(object):
    bar=True
 
FooChild = type('FooChild', (Foo,),{})
print(FooChild)
# <class '__main__.FooChild'>
 
print(FooChild.bar)     # bar属性是由Foo继承而来
# True

最终你会希望为你的类增加方法。只需要定义一个有着恰当签名的函数并将其作为属性赋值就可以了。

class Foo(object):
    bar=True
 
def echo_bar(self):
    print(self.bar)
 
FooChild = type('FooChild', (Foo,), {'echo_bar': echo_bar})
print(hasattr(Foo, 'echo_bar'))         #False
print(hasattr(FooChild, 'echo_bar'))    #True
my_foo = FooChild()
my_foo.echo_bar()   #True

你可以看到，在Python中，类也是对象，你可以动态的创建类。这就是当你使用关键字class时Python在幕后做的事情，而这就是通过元类来实现的。

到底什么是元类

元类就是用来创建类的“东西”。元类就是类的类。

函数type实际上是一个元类。type就是Python在背后用来创建所有类的元类。

type就是创建类对象的类。你可以通过检查__class__属性来看到这一点。

Python中所有的东西，注意，我是指所有的东西——都是对象。这包括整数、字符串、函数以及类。它们全部都是对象，而且它们都是从一个类创建而来。

age = 35
print(age.__class__)    #<class 'int'>
 
name = 'bob'
print(name.__class__)   #<class 'str'>
 
def foo():
    pass
print(foo.__class__)    #<class 'function'>
 
class Bar(object):
    pass
b = Bar()
print(b.__class__)      #<class '__main__.Bar'>

现在，对于任何一个__class__的__class__属性又是什么呢？

print(age.__class__.__class__)  #<class 'type'>
print(name.__class__.__class__) #<class 'type'>
print(foo.__class__.__class__)  #<class 'type'>
print(b.__class__.__class__)    #<class 'type'>

因此，元类就是创建类这种对象的东西。

type就是Python的内建元类，当然了，你也可以创建自己的元类。

__metaclass__属性

你可以在写一个类的时候为其添加__metaclass__属性。

class Foo(object):
    __metaclass__ = something...

如果你这么做了，Python就会用元类来创建类Foo。小心点，这里面有些技巧。你首先写下class Foo(object)，但是类对象Foo还没有在内存中创建。Python会在类的定义中寻找__metaclass__属性，如果找到了，Python就会用它来创建类Foo，如果没有找到，就会用内建的type来创建这个类。

当你写如下代码时 :

class Foo(Bar):
    pass

Python做了如下的操作：

Foo中有__metaclass__这个属性吗？如果是，Python会在内存中通过__metaclass__创建一个名字为Foo的类对象（我说的是类对象，请紧跟我的思路）。如果Python没有找到__metaclass__，它会继续在Bar（父类）中寻找__metaclass__属性，并尝试做和前面同样的操作。如果Python在任何父类中都找不到__metaclass__，它就会在模块层次中去寻找__metaclass__，并尝试做同样的操作。如果还是找不到__metaclass__,Python就会用内置的type来创建这个类对象。

现在的问题就是，你可以在__metaclass__中放置些什么代码呢？

答案就是：可以创建一个类的东西。那么什么可以用来创建一个类呢？type，或者任何使用到type或者子类化type的东东都可以。

内容：自定义元类、为什么要用metaclass类而不是函数?、究竟为什么要使用元类？

参考博文：http://blog.jobbole.com/21351/