Python之单例设计模式

╰半橙微兮° 2023-06-25 03:27 27阅读 0赞

# Python单例模式(Singleton)的N种实现 #

**单例**是一种`设计模式`，应用该模式的类只会生成一个实例。

单例模式保证了在程序的不同位置都可以且仅可以取到同一个对象实例：如果实例不存在，会创建一个实例；如果已存在就会返回这个实例。因为单例是一个类，所以你也可以为其提供相应的操作方法，以便于对这个实例进行管理。

以下是实现方法索引：

*  使用`__new__` 关键字实现单例 (**容易理解**)
 *  使用`函数装饰器`实现单例
 *  使用`类装饰器`实现单例
 *  使用`metaclass`实现单例

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## 使用 new 关键字实现单例模式 ##

使用 `__new__` 方法在创造实例时进行干预，达到实现单例模式的目的。

class Single(object):
        _instance = None
        def __new__(cls, *args, **kw):
            if cls._instance is None:
                cls._instance = object.__new__(cls, *args, **kw)
            return cls._instance
        def __init__(self):
            pass
    
    single1 = Single()
    single2 = Single()
    print(id(single1) == id(single2))

在理解到 **new** 的应用后，理解单例就不难了，这里使用了

_instance = None

来存放实例，如果 \_instance 为 None，则新建实例，否则直接返回 \_instance 存放的实例。

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## 使用函数装饰器实现单例 ##

以下是实现代码：

def singleton(cls):
        _instance = {
        }
    
        def inner():
            if cls not in _instance:
                _instance[cls] = cls()
            return _instance[cls]
        return inner
        
    @singleton
    class Cls(object):
        def __init__(self):
            pass
    
    cls1 = Cls()
    cls2 = Cls()
    print(id(cls1) == id(cls2))

输出结果：

True

在 Python 中，id 关键字可用来查看对象在内存中的存放位置，这里 cls1 和 cls2 的 id 值相同，说明他们指向了同一个对象。

关于装饰器的知识，有不明白的同学可以查看之前的文章 [ 【编程课堂】装饰器浅析 ][Link 1]或者使用搜索引擎再学习一遍。代码中比较巧妙的一点是:

_instance = {
        }

使用不可变的**类地址**作为键，其实例作为值，每次创造实例时，首先查看该类是否存在实例，存在的话直接返回该实例即可，否则新建一个实例并存放在字典中。

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## 使用类装饰器实现单例 ##

代码：

class Singleton(object):
        def __init__(self, cls):
            self._cls = cls
            self._instance = {
        }
        def __call__(self):
            if self._cls not in self._instance:
                self._instance[self._cls] = self._cls()
            return self._instance[self._cls]
    
    @Singleton
    class Cls2(object):
        def __init__(self):
            pass
    
    cls1 = Cls2()
    cls2 = Cls2()
    print(id(cls1) == id(cls2))

同时，由于是面对对象的，这里还可以这么用

class Cls3():
        pass
    
    Cls3 = Singleton(Cls3)
    cls3 = Cls3()
    cls4 = Cls3()
    print(id(cls3) == id(cls4))

使用 类装饰器实现单例的原理和 函数装饰器 实现的原理相似，理解了上文，再理解这里应该不难。

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## 使用 metaclass 实现单例模式 ##

同样，我们在类的创建时进行干预，从而达到实现单例的目的。

在实现单例之前，需要了解使用 type 创造类的方法，代码如下：

def func(self):
        print("do sth")
    
    Klass = type("Klass", (), {
        "func": func})
    
    c = Klass()
    c.func()

以上，我们使用 type 创造了一个类出来。这里的知识是 mataclass 实现单例的基础。

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]
    
    class Cls4(metaclass=Singleton):
        pass
    
    cls1 = Cls4()
    cls2 = Cls4()
    print(id(cls1) == id(cls2))

这里，我们将 metaclass 指向 Singleton 类，让 Singleton 中的 type 来创造新的 Cls4 实例。

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# 小结 #

本文虽然是讲单例模式，但在实现单例模式的过程中，涉及到了蛮多高级 Python 语法，包括装饰器、元类、new、type 甚至 super 等等。**对于新手同学可能难以理解，其实在工程项目中并不需要你掌握的面面俱到，掌握其中一种，剩下的作为了解即可**。

[Link 1]: https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MjM5MDEyMDk4Mw==&mid=2650166480&idx=2&sn=be7349921b91730a8c717f6ab28dad97&chksm=be4b59a8893cd0bee407e3d8a1b7bec44d7571623c355a37f352d5cf9e104d986af6f5b5e1fe&scene=21#wechat_redirect