Python中单例模式的使用方法

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。

单例模式三个要点

一是某个类只能有一个实例
二是它必须自行创建这个实例
三是它必须自行向整个系统提供这个实例

Python 中实现单例模式方法

使用模块
使用 __new__
使用装饰器（decorator）
使用元类（metaclass）

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：

#tests1.py
class MyClass(object):
    def foo(self):
        print('MyClass.foo')
my_class_obj=MyClass()

将上面的代码保存在文件 tests1.py 中，然后这样使用：

from .tests1 import my_class_obj
my_class_obj.foo()

使用 `new`

为了使类只能出现一个实例，我们可以使用 __new__ 来控制实例的创建过程，代码如下：

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

在上面的代码中，我们将类的实例和一个类变量 _instance 关联起来，如果 cls._instance 为 None 则创建实例，否则直接返回 cls._instance。

执行情况如下：

one = HerClass()
two = HerClass()
print(one == two)   #True
print(one is two)   #True
print(id(one), id(two)) #42818864 42818864

使用装饰器

我们知道，装饰器（decorator）可以动态地修改一个类或函数的功能。这里，我们也可以使用装饰器来装饰某个类，使其只能生成一个实例，代码如下：

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

在上面，我们定义了一个装饰器 singleton，它返回了一个内部函数 getinstance，该函数会判断某个类是否在字典 instances 中;

如果不存在，则会将 cls 作为 key，cls(*args, **kw) 作为 value 存到 instances 中，否则，直接返回 instances[cls]。

使用 metaclass

元类（metaclass）可以控制类的创建过程，它主要做三件事：

拦截类的创建
修改类的定义
返回修改后的类

使用元类实现单例模式的代码如下：

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

单例模式优点

实例控制

单例模式会阻止其他对象实例化其自己的单例对象的副本，从而确保所有对象都访问唯一实例。

灵活性

因为类控制了实例化过程，所以类可以灵活更改实例化过程。

单例模式缺点

开销

虽然数量很少，但如果每次对象请求引用时都要检查是否存在类的实例，将仍然需要一些开销。可以通过使用静态初始化解决此问题。

可能的开发混淆

使用单例对象（尤其在类库中定义的对象）时，开发人员必须记住自己不能使用 new关键字实例化对象。

因为可能无法访问库源代码，因此应用程序开发人员可能会意外发现自己无法直接实例化此类。

对象生存期

不能解决删除单个对象的问题。在提供内存管理的语言中（例如基于.NET Framework的语言），只有单例类能够导致实例被取消分配，因为它包含对该实例的私有引用。

在某些语言中（如 C++），其他类可以删除对象实例，但这样会导致单例类中出现悬浮引用。

补充：元类(metaclass)

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