Python实现单例模式的五种写法

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