基于Python中单例模式的几种实现方式及优化详解

脚本专栏 2024/11/26 佚名

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单例模式

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

实现单例模式的几种方式

1.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：

mysingleton.py
class Singleton(object):
 def foo(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

from a import singleton

2.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，但是这样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 time
import threading
class 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._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)

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，改成下面的这样就行：

@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

这样，一个可以支持多线程的单例模式就完成了

import time
import 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

3.基于__new__方法实现（推荐使用，方便）

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 threading
class 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, *args, **kwargs)
  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()

4.基于metaclass方式实现

相关知识

"""
1.类由type创建，创建类时候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)
2.对象由类创建，创建对象时候类的__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):
  pass
 def __new__(cls, *args, **kwargs):
  return object.__new__(cls, *args, **kwargs)
obj = Foo()

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 = name

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

以上这篇基于Python中单例模式的几种实现方式及优化详解就是小编分享给大家的全部内容了，希望能给大家一个参考，也希望大家多多支持。

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