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当前位置:首页  >  技术干货  > Python实现单例模式的五种写法,你都会吗?

Python实现单例模式的五种写法,你都会吗?

来源:千锋教育
发布人:qyf
时间: 2023-02-22 17:04:00 1677056640

  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:

  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 mysingleton import singleton

  使用装饰器

  def Singleton(cls):

  _instance = {}

  def _singleton(*args, **kargs):

  if cls not in _instance:

  _instance[cls] = cls(*args, **kargs)

  return _instance[cls]

  return _singleton

  @Singleton

  class A(object):

  a = 1

  def __init__(self, x=0):

  self.x = x

  a1 = A(2)

  a2 = A(3)

  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()

  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)

  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。

  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)

  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() 。

  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:

  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,name):

  self.name = name

  def __new__(cls, *args, **kwargs):

  return object.__new__(cls)

  obj = Foo('xx')

  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

  以上就是Python实现单例模式的五种写法,快上手试试吧。希望本篇文章可以给大家带来收获,如果喜欢的话,欢迎收藏哦!后面会继续分享更多Python技术知识的!

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