【设计模式】单例模式

温故而知新，可以为师矣

开场小故事

“大鸟，今天我在公司写了一个窗体程序，当中有一个是‘工具箱’的窗体，问题就是我希望工具箱要么不出现，要么出现一个，可实际上我每单击菜单，实例化‘工具箱’，他就会出现一个，单击多次就会出现多个，你说怎么办？”

“哈哈，显然你这个‘工具箱’类也要计划生育啊，不能让他超生了。这就是一个设计模式问题呀”

ok，接下来我们就要讲讲这个设计模式－－－单例模式。

什么是单例模式？

单例模式，保证一个类仅有一个实例，并提供一个访它的全局访问点。单例模式是对象创建型模式。

这句话什么意思？就是说当我们对一个类进行实例化的时候，无论创建多少个对象，只会存在一个实例，至于什么是全局访问点，其实就是一个全局变量来保存一个对象。分析完成，我们通过代码来实现一下：

不过在之前，假如你已经了解了python中__new__和__init__用途以及区别。

class Singleton(object):
    _instance = None

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

    def __init__(self):
        pass

if __name__ == '__main__':
    singleton = Singleton()
    singleton2 = Singleton()
    print(id(singleton))  # 140668529220968
    print(id(singleton2))  # 140668529220968

通过代码我们可以发现，在类中维持了一个_instance的类变量，它的作用就是保持单一实例，通过__new__魔法方法改变实例的生成过程。

但是程序还是存在一个小问题，每当类调用一次__new__就是默认调用一次__init__，当调用多次，也会初始化多次。我们期望单例模式需要保证初始化工作只执行一次。接下来更改一下代码：

class Singleton(object):
    _instance = None
    _init = True

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

    def __init__(self, name):
        if self._init:
            self._init = False
            self.name = name

if __name__ == '__main__':
    singleton1 = Singleton("1")
    print(id(singleton1))
    singleton2 = Singleton("2")
    print(id(singleton2))
    print(singleton1.name) # 1
    print(singleton2.name) # 1

代码改动很小，同样是利用一个私有类变量标记是否被__init__，这样当创建多个对象，还是传入不同是参数，有且仅有一个对象，也是第一次创建的那个对象。

装饰器实现单例模式

装饰器的形式也是通过改变类创建的过程，先看一下代码接着再来分析过程：

from functools import wraps


def single(cls):
    instance = dict()

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

    return wrapper


@single
class Singleton(object):
    def __init__(self, name):
        self.name = name

if __name__ == '__main__':
    singleton1 = Singleton("1")
    print(id(singleton1)) # 140130434647040
    singleton2 = Singleton("2")
    print(id(singleton2)) # 140130434647040
    print(singleton1.name) # 1
    print(singleton2.name) # 1

代码发现我们实现了一个single的装饰器，存在一个局部变量instance，其装饰器的主要过程：

1. @single相当于Singleton = single(Singleton)
2. 装饰完成，执行创建对象，single函数会返回一个wrapper内部函数名，此时Singleton = wrapper，而我们自己调用的Singleton("1")，就相当于wrapper("1")
3. 调用wrapper函数会判断步骤一传入的参数是否存在于instance（这是单例模式的关键），不存在，说明是第一次调用，此时执行的cls(*args,**kwargs)，才是真正去执行Singleton("1")，这个类也就会调用__init__，整个对象创建完成，然后返回。
4. 当下一次继续创建对象的时候，会判断instance存不存在该对象的类，存在这直接返回该类的对象。