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Python实现单例模式的方式是什么

2023-07-04 14:22

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本篇内容介绍了“Python实现单例模式的方式是什么”的有关知识，在实际案例的操作过程中，不少人都会遇到这样的困境，接下来就让小编带领大家学习一下如何处理这些情况吧！希望大家仔细阅读，能够学有所成！

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：

下面来详细介绍：

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：

class Singleton(object):    def foo(self):        passsingleton = 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 mysingleton import singleton

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  @Singletonclass A(object):    a = 1     def __init__(self, x=0):        self.x = x  a1 = A(2)a2 = A(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 timeimport threadingclass 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._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，改成下面这样就行：

@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@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

这样，一个可以支持多线程的单例模式就完成了。+

import timeimport 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)

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。

基于 __new__ 方法实现

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 threadingclass 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() 。

基于 metaclass 方式实现

相关知识:

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)

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 = nameobj1 = Foo('name')obj2 = Foo('name')print(obj1,obj2)

“Python实现单例模式的方式是什么”的内容就介绍到这里了，感谢大家的阅读。如果想了解更多行业相关的知识可以关注编程网网站，小编将为大家输出更多高质量的实用文章！

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