单例模式的实现方式

一何为单例模式

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。

二单例模式的实现

2.1 使用模块

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

class MySingleton(object):

    def __int__(self):
        pass

    def foo(self):
        pass

singleton = MySingleton()

将以上代码保存在一个py文件中，比如：my_singleton.py，需要使用时，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 xxx.adminplugin import singleton

2.2 使用装饰器

def my_singleton(cls):
    _instance = {}
    def _singleton(*args, **kargs):
        if cls not in _instance:
            _instance[cls] = cls(*args, **kargs)
        return _instance[cls]
    return _singleton


@my_singleton
class Foo(object):
    def __init__(self):
        pass

f1 = Foo()
f2 = Foo()

print(f1)       # <__main__.Foo object at 0x000001D973B7B4E0>
print(f2)       # <__main__.Foo object at 0x000001D973B7B4E0>

2.3 使用类

class MySingleton(object):

    def __init__(self):
        pass

    @classmethod
    def instance(cls, *args, **kwargs):
        if not hasattr(cls, "_instance"):
            cls._instance = cls(*args, **kwargs)
        return cls._instance

singleton1 = MySingleton.instance()
singleton2 = MySingleton.instance()

print(singleton1)       # <__main__.MySingleton object at 0x0000021343DFB1D0>
print(singleton2)       # <__main__.MySingleton object at 0x0000021343DFB1D0>

这种方式下，使用多线程时会存在问题

class MySingleton(object):

    def __init__(self):
        pass

    @classmethod
    def instance(cls, *args, **kwargs):
        if not hasattr(cls, "_instance"):
            cls._instance = cls(*args, **kwargs)
        return cls._instance

import threading

def task(arg):
    obj = MySingleton.instance()
    print(obj)

for i in range(5):
    t = threading.Thread(target=task,args=[i,])
    t.start()

执行结果为：

<__main__.MySingleton object at 0x00000251174CB2B0>
<__main__.MySingleton object at 0x00000251174CB2B0>
<__main__.MySingleton object at 0x00000251174CB2B0>
<__main__.MySingleton object at 0x00000251174CB2B0>
<__main__.MySingleton object at 0x00000251174CB2B0>

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)

执行结果为：

<__main__.MySingleton object at 0x000001BDB4A00CC0>
<__main__.MySingleton object at 0x000001BDB4A00F60>
<__main__.MySingleton object at 0x000001BDB485A2B0>
<__main__.MySingleton object at 0x000001BDB4A00DA0>
<__main__.MySingleton object at 0x000001BDB4A11160>

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 threading
import time

class MySingleton(object):
    _instance_lock = threading.Lock()

    def __init__(self):
        time.sleep(1)

    @classmethod
    def instance(cls, *args, **kwargs):
        with MySingleton._instance_lock:
            if not hasattr(cls, "_instance"):
                cls._instance = cls(*args, **kwargs)
        return cls._instance

def task(arg):
    obj = MySingleton.instance()
    print(obj)

for i in range(5):
    t = threading.Thread(target=task,args=[i,])
    t.start()

time.sleep(5)
obj = MySingleton.instance()
print(obj)

执行结果为：

<__main__.MySingleton object at 0x000002E4A1FB9B70>
<__main__.MySingleton object at 0x000002E4A1FB9B70>
<__main__.MySingleton object at 0x000002E4A1FB9B70>
<__main__.MySingleton object at 0x000002E4A1FB9B70>
<__main__.MySingleton object at 0x000002E4A1FB9B70>
<__main__.MySingleton object at 0x000002E4A1FB9B70>

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(5)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(cls, "_instance"):
            with MySingleton._instance_lock:
                if not hasattr(cls, "_instance"):
                    cls._instance = cls(*args, **kwargs)
        return cls._instance

这样，一个可以支持多线程的单例模式就完成了

import threading
import time

class MySingleton(object):
    _instance_lock = threading.Lock()

    def __init__(self):
        time.sleep(1)

    @classmethod
    def instance(cls, *args, **kwargs):
        if not hasattr(cls, "_instance"):
            with MySingleton._instance_lock:
                if not hasattr(cls, "_instance"):
                    cls._instance = cls(*args, **kwargs)
        return cls._instance

def task(arg):
    obj = MySingleton.instance()
    print(obj)

for i in range(5):
    t = threading.Thread(target=task,args=[i,])
    t.start()

time.sleep(5)
obj = MySingleton.instance()
print(obj)

完整代码

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 = MySingleton.instance()

如果用 obj=MySingleton() ，这种方式得到的不是单例

2.4 使用new方法实现（推荐使用）

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 MySingleton(object):
    _instance_lock = threading.Lock()

    def __init__(self):
        pass

    def __new__(cls, *args, **kwargs):
        if not hasattr(cls, "_instance"):
            with cls._instance_lock:
                if not hasattr(cls, "_instance"):
                    cls._instance = object.__new__(cls)
        return cls._instance

singleton1 = MySingleton()
singleton2 = MySingleton()

print(singleton1)
print(singleton1)

def task(arg):
    obj = MySingleton()
    print(obj)

for i in range(5):
    t = threading.Thread(target=task,args=[i,])
    t.start()

执行结果为：

<__main__.MySingleton object at 0x000001AEE10F4978>
<__main__.MySingleton object at 0x000001AEE10F4978>
<__main__.MySingleton object at 0x000001AEE10F4978>
<__main__.MySingleton object at 0x000001AEE10F4978>
<__main__.MySingleton object at 0x000001AEE10F4978>
<__main__.MySingleton object at 0x000001AEE10F4978>
<__main__.MySingleton object at 0x000001AEE10F4978>

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 = MySingleton()即可

2.5 基于metaclass方式实现

相关知识了解：

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

class Foo(object):

    def __init__(self):
        print('init')

    def __call__(self, *args, **kwargs):
        print('call')

# 执行type的 __call__ 方法
# 调用Foo类（type的对象）的 __new__方法，用于创建对象，注意：如果要得到当前类的实例，应当在当前类中的__new__()方法语句中调用当前类的父类的__new__()方法
# 调用Foo类（type的对象）的 __init__方法，用于对对象初始化
obj = Foo()  # init

# 执行Foo的 __call__方法
obj()   # call

元类的使用

class MySingletonType(type):
    def __init__(self,*args,**kwargs):
        print('MySingletonType-init')
        super(MySingletonType,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=MySingletonType): # 指定创建Foo的type为MySingletonType
    def __init__(self,name):
        print('Foo-init')
        self.name = name

    def __new__(cls, *args, **kwargs):
        print('Foo-new')
        return object.__new__(cls)

obj = Foo('xxx')

View Code

实现单例模式

import threading

class MySingletonType(type):

    _instance_lock = threading.Lock()

    def __call__(cls, *args, **kwargs):
        if not hasattr(cls, "_instance"):
            with MySingletonType._instance_lock:
                if not hasattr(cls, "_instance"):
                    cls._instance = super(MySingletonType,cls).__call__(*args, **kwargs)
        return cls._instance

class Foo(metaclass=MySingletonType):
    def __init__(self,name):
        self.name = name

obj1 = Foo('xxx')
obj2 = Foo('ooo')

print(obj1)     # <__main__.Foo object at 0x0000028F48644978>
print(obj2)     # <__main__.Foo object at 0x0000028F48644978>

参考：https://www.cnblogs.com/huchong/p/8244279.html

posted @ 2018-05-04 23:07 Joe1991 阅读(124) 评论(0) 收藏举报

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2.2 使用装饰器

2.3 使用类

2.4 使用__new__方法实现（推荐使用）

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