Python中的单例模式的几种实现方式的及优化

2023-12-14 19:35:21

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。

在 Python 中，我们可以用多种方法来实现单例模式

实现单例模式的几种方式

1.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：

mysingleton.py

class Singleton(object):

    def foo(self):

        pass

singleton = Singleton()

将上面的代码保存在文件 mysingleton.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 singleton

2.使用装饰器

def Singleton(cls):

    _instance = {}

    def _singleton(*args, **kargs):

        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)

3.使用类

class Singleton(object):

    def __init__(self):

        pass

    @classmethod

    def instance(cls, *args, **kwargs):

        if not hasattr(Singleton, "_instance"):

            Singleton._instance = Singleton(*args, **kwargs)

        return Singleton._instance

一般情况，大家以为这样就完成了单例模式，但是这样当使用多线程时会存在问题

class Singleton(object):

    def __init__(self):

        pass

    @classmethod

    def instance(cls, *args, **kwargs):

        if not hasattr(Singleton, "_instance"):

            Singleton._instance = Singleton(*args, **kwargs)

        return Singleton._instance

import threading

def task(arg):

    obj = Singleton.instance()

    print(obj)

for i in range(10):

    t = threading.Thread(target=task,args=[i,])

    t.start()

程序执行后，打印结果如下：

<__main__.Singleton object at 0x02C933D0>

<__main__.Singleton object at 0x02C933D0>

<__main__.Singleton object at 0x02C933D0>

<__main__.Singleton object at 0x02C933D0>

<__main__.Singleton object at 0x02C933D0>

<__main__.Singleton object at 0x02C933D0>

<__main__.Singleton object at 0x02C933D0>

<__main__.Singleton object at 0x02C933D0>

<__main__.Singleton object at 0x02C933D0>

<__main__.Singleton object at 0x02C933D0>

看起来也没有问题，那是因为执行速度过快，如果在init方法中有一些IO操作，就会发现问题了，下面我们通过time.sleep模拟

我们在上面__init__方法中加入以下代码：

    def __init__(self):

        import time

        time.sleep(1)

重新执行程序后，结果如下

<__main__.Singleton object at 0x034A3410>

<__main__.Singleton object at 0x034BB990>

<__main__.Singleton object at 0x034BB910>

<__main__.Singleton object at 0x034ADED0>

<__main__.Singleton object at 0x034E6BD0>

<__main__.Singleton object at 0x034E6C10>

<__main__.Singleton object at 0x034E6B90>

<__main__.Singleton object at 0x034BBA30>

<__main__.Singleton object at 0x034F6B90>

<__main__.Singleton object at 0x034E6A90>

问题出现了！按照以上方式创建的单例，无法支持多线程

解决办法：加锁！未加锁部分并发执行,加锁部分串行执行,速度降低,但是保证了数据安全

import time

import threading

class Singleton(object):

    _instance_lock = threading.Lock()

    def __init__(self):

        time.sleep(1)

    @classmethod

    def instance(cls, *args, **kwargs):

        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)

for i in range(10):

    t = threading.Thread(target=task,args=[i,])

    t.start()

time.sleep(20)

obj = Singleton.instance()

print(obj)

打印结果如下：

<__main__.Singleton object at 0x02D6B110>

<__main__.Singleton object at 0x02D6B110>

<__main__.Singleton object at 0x02D6B110>

<__main__.Singleton object at 0x02D6B110>

<__main__.Singleton object at 0x02D6B110>

<__main__.Singleton object at 0x02D6B110>

<__main__.Singleton object at 0x02D6B110>

<__main__.Singleton object at 0x02D6B110>

<__main__.Singleton object at 0x02D6B110>

<__main__.Singleton object at 0x02D6B110>

这样就差不多了，但是还是有一点小问题，就是当程序执行时，执行了time.sleep(20)后，下面实例化对象时，此时已经是单例模式了，但我们还是加了锁，这样不太好，再进行一些优化，把intance方法，改成下面的这样就行：

    @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

这样，一个可以支持多线程的单例模式就完成了

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)

for i in range(10):

    t = threading.Thread(target=task,args=[i,])

    t.start()

time.sleep(20)

obj = Singleton.instance()

print(obj)

完整代码

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()

如果用 obj=Singleton() ,这种方式得到的不是单例

4.基于__new__方法实现（推荐使用，方便）

通过上面例子，我们可以知道，当我们实现单例时，为了保证线程安全需要在内部加入锁

我们知道，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(object):

    _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 = object.__new__(cls)

        return Singleton._instance

obj1 = Singleton()

obj2 = Singleton()

print(obj1,obj2)

def task(arg):

    obj = Singleton()

    print(obj)

for i in range(10):

    t = threading.Thread(target=task,args=[i,])

    t.start()

打印结果如下：

<__main__.Singleton object at 0x038B33D0> <__main__.Singleton object at 0x038B33D0>

<__main__.Singleton object at 0x038B33D0>

<__main__.Singleton object at 0x038B33D0>

<__main__.Singleton object at 0x038B33D0>

<__main__.Singleton object at 0x038B33D0>

<__main__.Singleton object at 0x038B33D0>

<__main__.Singleton object at 0x038B33D0>

<__main__.Singleton object at 0x038B33D0>

<__main__.Singleton object at 0x038B33D0>

<__main__.Singleton object at 0x038B33D0>

<__main__.Singleton object at 0x038B33D0>

采用这种方式的单例模式，以后实例化对象时，和平时实例化对象的方法一样 obj = Singleton()

5.基于metaclass方式实现

相关知识

"""

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

"""

例子：

class Foo:

    def __init__(self):

        pass

    def __call__(self, *args, **kwargs):

        pass

obj = Foo()

# 执行type的 __call__ 方法，调用 Foo类（是type的对象）的 __new__方法，用于创建对象，然后调用 Foo类（是type的对象）的 __init__方法，用于对对象初始化。

obj()    # 执行Foo的 __call__ 方法

元类的使用

class SingletonType(type):

    def __init__(self,*args,**kwargs):

        super(SingletonType,self).__init__(*args,**kwargs)

    def __call__(cls, *args, **kwargs): # 这里的cls，即Foo类

        print('cls',cls)

        obj = cls.__new__(cls,*args, **kwargs)

        cls.__init__(obj,*args, **kwargs) # Foo.__init__(obj)

        return obj

class Foo(metaclass=SingletonType): # 指定创建Foo的type为SingletonType

    def __init__(self，name):

        self.name = name

    def __new__(cls, *args, **kwargs):

        return object.__new__(cls)

obj = Foo('xx')

实现单例模式

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)
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