python單例模式的多種實現(xiàn)方法

更新時間：2019年07月26日 09:52:04 作者：谷子的

這篇文章主要介紹了python單例模式的多種實現(xiàn)方法,文中通過示例代碼介紹的非常詳細(xì)，對大家的學(xué)習(xí)或者工作具有一定的參考學(xué)習(xí)價值,需要的朋友可以參考下

前言

單例模式(Singleton Pattern)，是一種軟件設(shè)計模式，是類只能實例化一個對象，

目的是便于外界的訪問，節(jié)約系統(tǒng)資源，如果希望系統(tǒng)中只有一個對象可以訪問，就用單例模式，

顯然單例模式的要點有三個；一是某個類只能有一個實例；二是它必須自行創(chuàng)建這個實例；三是它必須自行向整個系統(tǒng)提供這個實例。

在 Python 中，我們可以用多種方法來實現(xiàn)單例模式：

使用模塊
使用 __new__
使用裝飾器（decorator）
使用元類（metaclass）

概念

簡單說，單例模式（也叫單件模式）的作用就是保證在整個應(yīng)用程序的生命周期中，任何一個時刻，單例類的實例都只存在一個（當(dāng)然也可以不存在）

例子：

一臺計算機(jī)上可以連好幾個打印機(jī)，但是這個計算機(jī)上的打印程序只能有一個，這里就可以通過單例模式來避免兩個打印作業(yè)同時輸出到打印機(jī)中，即在整個的打印過程中我只有一個打印程序的實例。

super(B, self).__init__()是這樣理解的：super(B, self)首先找到B的父類（就是類A），然后把類B的對象self轉(zhuǎn)換為類A的對象（通過某種方式，一直沒有考究是什么方式，慚愧），然后“被轉(zhuǎn)換”的類A對象調(diào)用自己的__init__函數(shù)?？紤]到super中只有指明子類的機(jī)制，因此，在多繼承的類定義中，通常我們保留使用類似代碼段1的方法。

1. super并不是一個函數(shù)，是一個類名，形如super(B, self)事實上調(diào)用了super類的初始化函數(shù)，
產(chǎn)生了一個super對象；

2. super類的初始化函數(shù)并沒有做什么特殊的操作，只是簡單記錄了類類型和具體實例；

3. super(B, self).func的調(diào)用并不是用于調(diào)用當(dāng)前類的父類的func函數(shù)；

4. Python的多繼承類是通過mro的方式來保證各個父類的函數(shù)被逐一調(diào)用，而且保證每個父類函數(shù)
只調(diào)用一次（如果每個類都使用super）；

5. 混用super類和非綁定的函數(shù)是一個危險行為，這可能導(dǎo)致應(yīng)該調(diào)用的父類函數(shù)沒有調(diào)用或者一
個父類函數(shù)被調(diào)用多次。

__new__：對象的創(chuàng)建，是一個靜態(tài)方法，第一個參數(shù)是cls。(想想也是，不可能是self，對象還沒創(chuàng)建，哪來的self)

__init__ ：對象的初始化，是一個實例方法，第一個參數(shù)是self。

__new__方法在類定義中不是必須寫的，如果沒定義，默認(rèn)會調(diào)用object.__new__去創(chuàng)建一個對象。如果定義了，就是override,可以custom創(chuàng)建對象的行為。

聰明的讀者可能想到，既然__new__可以custom對象的創(chuàng)建，那我在這里做一下手腳，每次創(chuàng)建對象都返回同一個，那不就是單例模式了嗎？沒錯，就是這樣?？梢杂^摩《飄逸的python - 單例模式亂彈》

定義單例模式時，因為自定義的__new__重載了父類的__new__，所以要自己顯式調(diào)用父類的__new__，即object.__new__(cls, *args, **kwargs)，或者用super()。，不然就不是extend原來的實例了，而是替換原來的實例。

代碼

import threading
class Signleton(object):
  def __init__(self):
    print("__init__ method called")
  def __new__(cls):
    print("__new__ method called")
    mutex=threading.Lock()
    mutex.acquire() # 上鎖，防止多線程下出問題
    if not hasattr(cls, 'instance'):
      cls.instance = super(LogSignleton, cls).__new__(cls)
    mutex.release()
    return cls.instance 
if __name__ == '__main__':
obj = Signleton()

輸出結(jié)果：

>>> ================================ RESTART ================================
>>>
__new__ method called
__init__ method called
>>>

說明

1.從輸出結(jié)果來看，最先調(diào)用 __new__ 方法，然后調(diào)用__init__方法

2. __new__ 通常用于控制生成一個新實例的過程，它是類級別的方法。

3. __init__ 通常用于初始化一個新實例，控制這個初始化的過程，比如添加一些屬性，做一些額外的操作，發(fā)生在類實例被創(chuàng)建完以后。它是實例級別的方法。

方法1

__new__ 在__init__初始化前，就已經(jīng)實例化對象，可以利用這個方法實現(xiàn)單例模式。

print '----------------------方法1--------------------------' 
#方法1,實現(xiàn)__new__方法 
#并在將一個類的實例綁定到類變量_instance上, 
#如果cls._instance為None說明該類還沒有實例化過,實例化該類,并返回 
#如果cls._instance不為None,直接返回cls._instance 
class Singleton(object): 
  def __new__(cls, *args, **kw): 
    if not hasattr(cls, '_instance'): 
      orig = super(Singleton, cls) 
      cls._instance = orig.__new__(cls, *args, **kw) 
    return cls._instance 
 
class MyClass(Singleton): 
  a = 1 
 
one = MyClass() 
two = MyClass() 
 
two.a = 3 
print one.a 
#3 
#one和two完全相同,可以用id(), ==, is檢測 
print id(one) 
#29097904 
print id(two) 
#29097904 
print one == two 
#True 
print one is two 
#True

方法2

print '----------------------方法2--------------------------' 
#方法2,共享屬性;所謂單例就是所有引用(實例、對象)擁有相同的狀態(tài)(屬性)和行為(方法) 
#同一個類的所有實例天然擁有相同的行為(方法), 
#只需要保證同一個類的所有實例具有相同的狀態(tài)(屬性)即可 
#所有實例共享屬性的最簡單最直接的方法就是__dict__屬性指向(引用)同一個字典(dict) 
#可參看:http://code.activestate.com/recipes/66531/ 
class Borg(object): 
  _state = {} 
  def __new__(cls, *args, **kw): 
    ob = super(Borg, cls).__new__(cls, *args, **kw) 
    ob.__dict__ = cls._state 
    return ob 
 
class MyClass2(Borg): 
  a = 1 
 
one = MyClass2() 
two = MyClass2() 
 
#one和two是兩個不同的對象,id, ==, is對比結(jié)果可看出 
two.a = 3 
print one.a 
#3 
print id(one) 
#28873680 
print id(two) 
#28873712 
print one == two 
#False 
print one is two 
#False 
#但是one和two具有相同的（同一個__dict__屬性）,見: 
print id(one.__dict__) 
#30104000 
print id(two.__dict__) 
#30104000

方法3

print '----------------------方法3--------------------------' 
#方法3:本質(zhì)上是方法1的升級（或者說高級）版 
#使用__metaclass__（元類）的高級python用法 
class Singleton2(type): 
  def __init__(cls, name, bases, dict): 
    super(Singleton2, cls).__init__(name, bases, dict) 
    cls._instance = None 
  def __call__(cls, *args, **kw): 
    if cls._instance is None: 
      cls._instance = super(Singleton2, cls).__call__(*args, **kw) 
    return cls._instance 
 
class MyClass3(object): 
  __metaclass__ = Singleton2 
 
one = MyClass3() 
two = MyClass3() 
 
two.a = 3 
print one.a 
#3 
print id(one) 
#31495472 
print id(two) 
#31495472 
print one == two 
#True 
print one is two 
#True

方法4

print '----------------------方法4--------------------------' 
#方法4:也是方法1的升級（高級）版本, 
#使用裝飾器(decorator), 
#這是一種更pythonic,更elegant的方法, 
#單例類本身根本不知道自己是單例的,因為他本身(自己的代碼)并不是單例的 
def singleton(cls, *args, **kw): 
  instances = {} 
  def _singleton(): 
    if cls not in instances: 
      instances[cls] = cls(*args, **kw) 
    return instances[cls] 
  return _singleton 
 
@singleton 
class MyClass4(object): 
  a = 1 
  def __init__(self, x=0): 
    self.x = x 
 
one = MyClass4() 
two = MyClass4() 
 
two.a = 3 
print one.a 
#3 
print id(one) 
#29660784 
print id(two) 
#29660784 
print one == two 
#True 
print one is two 
#True 
one.x = 1 
print one.x 
#1 
print two.x

單例模式

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

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

在 Python 中，我們可以用多種方法來實現(xiàn)單例模式：

使用模塊
使用 __new__
使用裝飾器（decorator）
使用元類（metaclass）

使用模塊

其實，Python 的模塊就是天然的單例模式，因為模塊在第一次導(dǎo)入時，會生成 .pyc 文件，當(dāng)?shù)诙螌?dǎo)入時，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)定義在一個模塊中，就可以獲得一個單例對象了。如果我們真的想要一個單例類，可以考慮這樣做：

# mysingleton.py
class My_Singleton(object):
  def foo(self):
    pass
 
my_singleton = My_Singleton()

將上面的代碼保存在文件 mysingleton.py 中，然后這樣使用：

from mysingleton import my_singleton
my_singleton.foo()

使用 __new__
為了使類只能出現(xiàn)一個實例，我們可以使用 __new__ 來控制實例的創(chuàng)建過程，代碼如下：

class Singleton(object):
  _instance = None
  def __new__(cls, *args, **kw):
    if not cls._instance:
      cls._instance = super(Singleton, cls).__new__(cls, *args, **kw) 
    return cls._instance 
 
class MyClass(Singleton): 
  a = 1

在上面的代碼中，我們將類的實例和一個類變量 _instance 關(guān)聯(lián)起來，如果 cls._instance 為 None 則創(chuàng)建實例，否則直接返回 cls._instance。

執(zhí)行情況如下：

>>> one = MyClass()
>>> two = MyClass()
>>> one == two
True
>>> one is two
True
>>> id(one), id(two)
(4303862608, 4303862608)

使用裝飾器

我們知道，裝飾器（decorator）可以動態(tài)地修改一個類或函數(shù)的功能。這里，我們也可以使用裝飾器來裝飾某個類，使其只能生成一個實例，代碼如下：

from functools import wraps
 
def singleton(cls):
  instances = {}
  @wraps(cls)
  def getinstance(*args, **kw):
    if cls not in instances:
      instances[cls] = cls(*args, **kw)
    return instances[cls]
  return getinstance
 
@singleton
class MyClass(object):
  a = 1

在上面，我們定義了一個裝飾器 singleton，它返回了一個內(nèi)部函數(shù) getinstance，該函數(shù)會判斷某個類是否在字典 instances 中，如果不存在，則會將 cls 作為 key，cls(*args, **kw) 作為 value 存到 instances 中，否則，直接返回 instances[cls]。

使用 metaclass

元類（metaclass）可以控制類的創(chuàng)建過程，它主要做三件事：

攔截類的創(chuàng)建
修改類的定義
返回修改后的類

使用元類實現(xiàn)單例模式的代碼如下：

class Singleton(type):
  _instances = {}
  def __call__(cls, *args, **kwargs):
    if cls not in cls._instances:
      cls._instances[cls] = super(Singleton, cls).__call__(*args, **kwargs)
    return cls._instances[cls]
 
# Python2
class MyClass(object):
  __metaclass__ = Singleton
 
# Python3
# class MyClass(metaclass=Singleton):
#  pass

以上就是本文的全部內(nèi)容，希望對大家的學(xué)習(xí)有所幫助，也希望大家多多支持腳本之家。

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