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Python实现单例模式的五种写法

马哥Linux运维 来源:码农学习联盟 2023-05-24 11:27 次阅读

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!

文章出处:【微信号:magedu-Linux,微信公众号:马哥Linux运维】欢迎添加关注!文章转载请注明出处。

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