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:
使用模块
使用装饰器
使用类
基于__new__方法实现
基于 metaclass 方式实现
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:
classSingleton(object): deffoo(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
frommysingletonimportsingleton
使用装饰器
defSingleton(cls): _instance={} def_singleton(*args,**kargs): ifclsnotin_instance: _instance[cls]=cls(*args,**kargs) return_instance[cls] return_singleton @Singleton classA(object): a=1 def__init__(self,x=0): self.x=x a1=A(2) a2=A(3)
使用类
classSingleton(object): def__init__(self): pass @classmethod definstance(cls,*args,**kwargs): ifnothasattr(Singleton,"_instance"): Singleton._instance=Singleton(*args,**kwargs) returnSingleton._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:
classSingleton(object): def__init__(self): pass @classmethod definstance(cls,*args,**kwargs): ifnothasattr(Singleton,"_instance"): Singleton._instance=Singleton(*args,**kwargs) returnSingleton._instance importthreading deftask(arg): obj=Singleton.instance() print(obj) foriinrange(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): importtime 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。
importtime importthreading classSingleton(object): _instance_lock=threading.Lock() def__init__(self): time.sleep(1) @classmethod definstance(cls,*args,**kwargs): withSingleton._instance_lock: ifnothasattr(Singleton,"_instance"): Singleton._instance=Singleton(*args,**kwargs) returnSingleton._instance deftask(arg): obj=Singleton.instance() print(obj) foriinrange(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:
@classmethod definstance(cls,*args,**kwargs): ifnothasattr(Singleton,"_instance"): withSingleton._instance_lock: ifnothasattr(Singleton,"_instance"): Singleton._instance=Singleton(*args,**kwargs) returnSingleton._instance
这样,一个可以支持多线程的单例模式就完成了。+
importtime importthreading classSingleton(object): _instance_lock=threading.Lock() def__init__(self): time.sleep(1) @classmethod definstance(cls,*args,**kwargs): ifnothasattr(Singleton,"_instance"): withSingleton._instance_lock: ifnothasattr(Singleton,"_instance"): Singleton._instance=Singleton(*args,**kwargs) returnSingleton._instance deftask(arg): obj=Singleton.instance() print(obj) foriinrange(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。
importthreading classSingleton(object): _instance_lock=threading.Lock() def__init__(self): pass def__new__(cls,*args,**kwargs): ifnothasattr(Singleton,"_instance"): withSingleton._instance_lock: ifnothasattr(Singleton,"_instance"): Singleton._instance=object.__new__(cls) returnSingleton._instance obj1=Singleton() obj2=Singleton() print(obj1,obj2) deftask(arg): obj=Singleton() print(obj) foriinrange(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:
classFoo: 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:
classSingletonType(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) returnobj classFoo(metaclass=SingletonType):#指定创建Foo的type为SingletonType def__init__(self,name): self.name=name def__new__(cls,*args,**kwargs): returnobject.__new__(cls) obj=Foo('xx')
实现单例模式:
importthreading classSingletonType(type): _instance_lock=threading.Lock() def__call__(cls,*args,**kwargs): ifnothasattr(cls,"_instance"): withSingletonType._instance_lock: ifnothasattr(cls,"_instance"): cls._instance=super(SingletonType,cls).__call__(*args,**kwargs) returncls._instance classFoo(metaclass=SingletonType): def__init__(self,name): self.name=name obj1=Foo('name') obj2=Foo('name') print(obj1,obj2)
链接:https://www.cnblogs.com/huchong/p/8244279.html
审核编辑:刘清
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原文标题:Python实现单例模式的五种写法!
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