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('')) #<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/

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