單例模式

單例模式（Singleton Pattern）是一種常用的軟件設(shè)計(jì)模式，該模式的主要目的是確保某一個(gè)類只有一個(gè)實(shí)例存在。當(dāng)你希望在整個(gè)系統(tǒng)中，某個(gè)類只能出現(xiàn)一個(gè)實(shí)例時(shí)，單例對象就能派上用場。

比如，某個(gè)服務(wù)器程序的配置信息存放在一個(gè)文件中，客戶端通過一個(gè) AppConfig 的類來讀取配置文件的信息。如果在程序運(yùn)行期間，有很多地方都需要使用配置文件的內(nèi)容，也就是說，很多地方都需要?jiǎng)?chuàng)建 AppConfig 對象的實(shí)例，這就導(dǎo)致系統(tǒng)中存在多個(gè) AppConfig 的實(shí)例對象，而這樣會嚴(yán)重浪費(fèi)內(nèi)存資源，尤其是在配置文件內(nèi)容很多的情況下。事實(shí)上，類似 AppConfig 這樣的類，我們希望在程序運(yùn)行期間只存在一個(gè)實(shí)例對象。

在 Python 中，我們可以用多種方法來實(shí)現(xiàn)單例模式

實(shí)現(xiàn)單例模式的幾種方式

1.使用模塊

其實(shí)，Python 的模塊就是天然的單例模式，因?yàn)槟K在第一次導(dǎo)入時(shí)，會生成 .pyc 文件，當(dāng)?shù)诙螌?dǎo)入時(shí)，就會直接加載 .pyc 文件，而不會再次執(zhí)行模塊代碼。因此，我們只需把相關(guān)的函數(shù)和數(shù)據(jù)定義在一個(gè)模塊中，就可以獲得一個(gè)單例對象了。如果我們真的想要一個(gè)單例類，可以考慮這樣做：

class Singleton(object):def foo(self):pass singleton = Singleton()

將上面的代碼保存在文件 mysingleton.py 中，要使用時(shí)，直接在其他文件中導(dǎo)入此文件中的對象，這個(gè)對象即是單例模式的對象

from a import singleton

2.使用裝飾器

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 = 1def __init__(self, x=0):self.x = xa1 = A(2) a2 = A(3)

3.使用類

class Singleton(object):def __init__(self):pass@classmethoddef instance(cls, *args, **kwargs):if not hasattr(Singleton, "_instance"):Singleton._instance = Singleton(*args, **kwargs)return Singleton._instance

一般情況，大家以為這樣就完成了單例模式，但是這樣當(dāng)使用多線程時(shí)會存在問題

class Singleton(object):def __init__(self):pass@classmethoddef instance(cls, *args, **kwargs):if not hasattr(Singleton, "_instance"):Singleton._instance = Singleton(*args, **kwargs)return Singleton._instanceimport threadingdef task(arg):obj = Singleton.instance()print(obj)for i in range(10):t = threading.Thread(target=task,args=[i,])t.start()

程序執(zhí)行后，打印結(jié)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>

看起來也沒有問題，那是因?yàn)閳?zhí)行速度過快，如果在init方法中有一些IO操作，就會發(fā)現(xiàn)問題了，下面我們通過time.sleep模擬

我們在上面__init__方法中加入以下代碼：

def __init__(self):import timetime.sleep(1)

重新執(zhí)行程序后，結(jié)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>

問題出現(xiàn)了！按照以上方式創(chuàng)建的單例，無法支持多線程

解決辦法：加鎖！未加鎖部分并發(fā)執(zhí)行,加鎖部分串行執(zhí)行,速度降低,但是保證了數(shù)據(jù)安全

import time import threading class Singleton(object):_instance_lock = threading.Lock()def __init__(self):time.sleep(1)@classmethoddef instance(cls, *args, **kwargs):with Singleton._instance_lock:if not hasattr(Singleton, "_instance"):Singleton._instance = Singleton(*args, **kwargs)return Singleton._instancedef 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)

打印結(jié)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>

這樣就差不多了，但是還是有一點(diǎn)小問題，就是當(dāng)程序執(zhí)行時(shí)，執(zhí)行了time.sleep(20)后，下面實(shí)例化對象時(shí)，此時(shí)已經(jīng)是單例模式了，但我們還是加了鎖，這樣不太好，再進(jìn)行一些優(yōu)化，把intance方法，改成下面的這樣就行：

@classmethoddef 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

這樣，一個(gè)可以支持多線程的單例模式就完成了

這種方式實(shí)現(xiàn)的單例模式，使用時(shí)會有限制，以后實(shí)例化必須通過 obj = Singleton.instance()

如果用 obj=Singleton() ,這種方式得到的不是單例

4.基于__new__方法實(shí)現(xiàn)（推薦使用，方便）

通過上面例子，我們可以知道，當(dāng)我們實(shí)現(xiàn)單例時(shí)，為了保證線程安全需要在內(nèi)部加入鎖

我們知道，當(dāng)我們實(shí)例化一個(gè)對象時(shí)，是先執(zhí)行了類的__new__方法（我們沒寫時(shí)，默認(rèn)調(diào)用object.__new__），實(shí)例化對象；然后再執(zhí)行類的__init__方法，對這個(gè)對象進(jìn)行初始化，所有我們可以基于這個(gè)，實(shí)現(xiàn)單例模式

import threading class Singleton(object):_instance_lock = threading.Lock()def __init__(self):passdef __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._instanceobj1 = 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()

打印結(jié)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>

采用這種方式的單例模式，以后實(shí)例化對象時(shí)，和平時(shí)實(shí)例化對象的方法一樣 obj = Singleton()

5.基于metaclass方式實(shí)現(xiàn)

相關(guān)知識

1.類由type創(chuàng)建，創(chuàng)建類時(shí)，type的__init__方法自動執(zhí)行，類() 執(zhí)行type的 __call__方法(類的__new__方法,類的__init__方法)
2.對象由類創(chuàng)建，創(chuàng)建對象時(shí)，類的__init__方法自動執(zhí)行，對象()執(zhí)行類的 __call__ 方法

例子：

class Foo:def __init__(self):passdef __call__(self, *args, **kwargs):passobj = Foo() # 執(zhí)行type的 __call__ 方法，調(diào)用 Foo類（是type的對象）的 __new__方法，用于創(chuàng)建對象，然后調(diào)用 Foo類（是type的對象）的 __init__方法，用于對對象初始化。obj() # 執(zhí)行Foo的 __call__ 方法

元類的使用

''' 學(xué)習(xí)中遇到問題沒人解答？小編創(chuàng)建了一個(gè)Python學(xué)習(xí)交流QQ群：725638078 尋找有志同道合的小伙伴，互幫互助,群里還有不錯(cuò)的視頻學(xué)習(xí)教程和PDF電子書！ ''' class SingletonType(type):def __init__(self,*args,**kwargs):super(SingletonType,self).__init__(*args,**kwargs)def __call__(cls, *args, **kwargs): # 這里的cls，即Foo類print('cls',cls)obj = cls.__new__(cls,*args, **kwargs)cls.__init__(obj,*args, **kwargs) # Foo.__init__(obj)return objclass Foo(metaclass=SingletonType): # 指定創(chuàng)建Foo的type為SingletonTypedef __init__(self，name):self.name = namedef __new__(cls, *args, **kwargs):return object.__new__(cls)obj = Foo('xx')

實(shí)現(xiàn)單例模式

import threadingclass 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._instanceclass Foo(metaclass=SingletonType):def __init__(self,name):self.name = nameobj1 = Foo('name') obj2 = Foo('name') print(obj1,obj2)

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的Python单例模式中几种实现及优化方法的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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