设计模式(一)----单例模式

Java设计模式(一)----单例模式

原文作者：汤高

原文地址：https://yq.aliyun.com/articles/11333

单例模式 
一、特点： 
二．分类 

• 懒汉式单例 
• 双重检查锁定 
• 静态(类级)内部类 
• 饿汉式单例 
• 单例和枚举 

三、饿汉式和懒汉式区别

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一、特点： 

1、单例类只能有一个实例。 
2、单例类必须自己创建自己的唯一实例。 
3、单例类必须给所有其他对象提供这一实例。 
单例模式确保某个类只有一个实例，而且自行实例化并向整个系统提供这个实例。

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二．分类 
(一)、懒汉式单例

//懒汉式单例类.在第一次调用的时候实例化自己   
public class Singleton {
    // 构造方法私有化
    private Singleton() {
    }
    private static Singleton single = null;
    // 静态工厂方法
    public static Singleton getInstance() {
        if (single == null) {
            single = new Singleton();
        }
        return single;
    }
}

Singleton通过将构造方法限定为private避免了类在外部被实例化，在同一个虚拟机范围内，Singleton的唯一实例只能通过getInstance()方法访问。 
（事实上，通过Java反射机制是能够实例化构造方法为private的类的，那基本上会使所有的Java单例实现失效。此问题在此处不做讨论，姑且掩耳盗铃地认为反射机制不存在。） 
但 是以上懒汉式单例的实现没有考虑线程安全问题，它是线程不安全的，并发环境下很可能出现多个Singleton实例，要实现线程安全，有以下三种方式，都 是对getInstance这个方法改造，保证了懒汉式单例的线程安全，如果你第一次接触单例模式，对线程安全不是很了解，可以先跳过下面这三小条，去看 饿汉式单例，等看完后面再回头考虑线程安全的问题：

1、在getInstance方法上加同步

public static synchronized  Singleton getInstance() {
        if (single == null) {
            single = new Singleton();
        }
        return single;
}

 

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(二)、双重检查锁定 
可以使用“双重检查加锁”的方式来实现，就可以既实现线程安全，又能够使性能不受很大的影响。那么什么是“双重检查加锁”机制呢？ 
所谓“双重检查加锁”机制，指的是：并不是每次进入getInstance方法都需要同步，而是先不同步，进入方法后，先检查实例是否存在，如 果不存在才进行下面的同步块，这是第一重检查，进入同步块过后，再次检查实例是否存在，如果不存在，就在同步的情况下创建一个实例，这是第二重检查。这样 一来，就只需要同步一次了，从而减少了多次在同步情况下进行判断所浪费的时间。 
“双重检查加锁”机制的实现会使用关键字volatile，它的意思是：被volatile修饰的变量的值，将不会被本地线程缓存，所有对该变量的读写都是直接操作共享内存，从而确保多个线程能正确的处理该变量。 
注意：在java1.4及以前版本中，很多JVM对于volatile关键字的实现的问题，会导致“双重检查加锁”的失败，因此“双重检查加锁”机制只只能用在java5及以上的版本。

public class Singleton {
    private volatile static Singleton instance = null;
    private Singleton(){}
    public static Singleton getInstance(){
        //先检查实例是否存在，如果不存在才进入下面的同步块
        if(instance == null){
            //同步块，线程安全的创建实例
            synchronized (Singleton.class) {
                //再次检查实例是否存在，如果不存在才真正的创建实例
                if(instance == null){
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

这种实现方式既可以实现线程安全地创建实例，而又不会对性能造成太大的影响。它只是第一次创建实例的时候同步，以后就不需要同步了，从而加快了运行速度。 
(摘自网络)提示：由于volatile关键字可能会屏蔽掉虚拟机中一些必要的代码优化，所以运行效率并不是很高。因此一般建议，没有特别的需要，不要使用。也就是说，虽然可以使用“双重检查加锁”机制来实现线程安全的单例，但并不建议大量采用，可以根据情况来选用。

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(三)、静态(类级)内部类

public class Singleton {

    private Singleton(){}
    /**
     *    类级的内部类，也就是静态的成员式内部类，该内部类的实例与外部类的实例
     *    没有绑定关系，而且只有被调用到时才会装载，从而实现了延迟加载。
     */
    private static class SingletonHolder{
        /**
         * 静态初始化器，由JVM来保证线程安全
         */
        private static Singleton instance = new Singleton();
    }

    public static Singleton getInstance(){
        return SingletonHolder.instance;
    }
}

这种比上面1、2都好一些，既实现了线程安全，又避免了同步带来的性能影响。　当getInstance方法第一次被调用的时候，它第一次读取 SingletonHolder.instance，导致SingletonHolder类得到初始化；而这个类在装载并被初始化的时候，会初始化它的静 态域，从而创建Singleton的实例，由于是静态的域，因此只会在虚拟机装载类的时候初始化一次，并由虚拟机来保证它的线程安全性。 
这个模式的优势在于，getInstance方法并没有被同步，并且只是执行一个域的访问，因此延迟初始化并没有增加任何访问成本。

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(四)、饿汉式单例

//饿汉式单例类.在类初始化时，已经自行实例化   
public class EagerSingleton {
        private static EagerSingleton instance = new EagerSingleton();
        /**
         * 构造方法私有化
         */
        private EagerSingleton(){}
        /**
         * 静态工厂方法
         */
        public static EagerSingleton getInstance(){
            return instance;
        }
}

饿汉式在类创建的同时就已经创建好一个静态的对象供系统使用，以后不再改变，所以天生是线程安全的。

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(五)、单例和枚举 
用枚举来实现单例非常简单，只需要编写一个包含单个元素的枚举类型即可。

public enum Singleton {
    /**
     * 定义一个枚举的元素，它就代表了Singleton的一个实例。
     */

    uniqueInstance;

    /**
     * 单例可以有自己的操作
     */
    public void singletonOperation(){
        //功能处理
    }
}

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　相关测试代码：

public enum SingletonEnum {
    INSTANCE01, INSTANCE02;// 定义枚举的两个类型
    private String name;

    public String getName() {
        return name;
    }

    public void setName(String name){
        this.name = name;
    }
}


public class Test {

    public static void main(String[] args) {
            SingletonEnum instance01=SingletonEnum.INSTANCE01;
            instance01.setName("tanggao");
            System.out.println(instance01.getName());

            SingletonEnum instance02=SingletonEnum.INSTANCE01;
            System.out.println(instance02.getName());

            SingletonEnum instance03=SingletonEnum.INSTANCE02;
            instance03.setName("zsy");
            System.out.println(instance03.getName());

            SingletonEnum instance04=SingletonEnum.INSTANCE02;
            instance04.setName("zsy1");
            System.out.println(instance04.getName());
            System.out.println(instance03.hashCode()+"\t"+instance04.hashCode());
            System.out.println(instance03==instance04);

    }
}

结果: 

tanggao 
tanggao 
zsy 
zsy1 
3346521 3346521 
true

 

使用枚举来实现单实例控制会更加简洁，而且无偿地提供了序列化机制，并由JVM从根本上提供保障，绝对防止多次实例化，是更简洁、高效、安全的实现单例的方式。

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三、饿汉式和懒汉式区别

从名字上来说，饿汉和懒汉， 
饿汉就是类一旦加载，就把单例初始化完成，保证getInstance的时候，单例是已经存在的了， 
而懒汉比较懒，只有当调用getInstance的时候，才回去初始化这个单例。 
另外从以下两点再区分以下这两种方式：

1、线程安全： 
饿汉式天生就是线程安全的，可以直接用于多线程而不会出现问题， 
懒汉式本身是非线程安全的，为了实现线程安全有几种写法，分别是上面的1、2、3，这三种实现在资源加载和性能方面有些区别。

2、资源加载和性能： 
饿汉式在类创建的同时就实例化一个静态对象出来，不管之后会不会使用这个单例，都会占据一定的内存，但是相应的，在第一次调用时速度也会更快，因为其资源已经初始化完成， 
而懒汉式顾名思义，会延迟加载，在第一次使用该单例的时候才会实例化对象出来，第一次调用时要做初始化，如果要做的工作比较多，性能上会有些延迟，之后就和饿汉式一样了。 
至于1、2、3这三种实现又有些区别， 
第1种，在方法调用上加了同步，虽然线程安全了，但是每次都要同步，会影响性能，毕竟99%的情况下是不需要同步的， 
第2种，在getInstance中做了两次null检查，确保了只有第一次调用单例的时候才会做同步，这样也是线程安全的，同时避免了每次都同步的性能损耗 
第3种，保证初始化instance时只有一个线程，所以也是线程安全的，同时没有性能损耗，一般倾向于使用这一种。

3、什么是线程安全？ 
如果你的代码所在的进程中有多个线程在同时运行，而这些线程可能会同时运行这段代码。如果每次运行结果和单线程运行的结果是一样的，而且其他的变量的值也和预期的是一样的，就是线程安全的。 
或者说：一个类或者程序所提供的接口对于线程来说是原子操作，或者多个线程之间的切换不会导致该接口的执行结果存在二义性,也就是说我们不用考虑同步的问题，那就是线程安全的。

以上内容来自平时所看书籍和网络资源整理测试所得，如有不完善之处，欢迎指正！

 

Python 单例模式

原文地址： https://www.cnblogs.com/huchong/p/8244279.html#navigator

1.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：

mysingleton.py

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 a import singleton 

2.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)

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，但是这样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"):
　　　　　　　import time
　　　　　　　time.sleep(1)
            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 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)

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，改成下面的这样就行：

    @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

 

这样，一个可以支持多线程的单例模式就完成了

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)

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

4.基于__new__方法实现（推荐使用，方便）

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() 

5.基于metaclass方式实现

相关知识

"""
1.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)
2.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)

转自https://www.cnblogs.com/huchong/p/8244279.html#navigator

第一种

class Singleton(object):
    """
    单例模式
    """
    class _A(object):
        """
       真正干活的类, 对外隐藏
        """
        def __init__(self):
            pass

        def display(self):
            """ 返回当前实例的 ID，是全局唯一的"""
            return id(self)

    # 类变量，用于存储 _A 的实例
    _instance = None

    def __init__(self):
        """ 先判断类变量中是否已经保存了 _A 的实例，如果没有则创建一个后返回"""
        if Singleton._instance is None:
            Singleton._instance = Singleton._A()

    def __getattr__(self, attr):
        """ 所有的属性都应该直接从 Singleton._instance 获取"""
        return getattr(self._instance, attr)


if __name__ == '__main__':
    # 创建两个实例
    s1 = Singleton()
    s2 = Singleton()
    print(id(s1), s1.display())
    print(id(s2), s2.display())

第二种

# -*- coding: utf-8 -*-


class Singleton:

    """
    单例类装饰器，可以用于想实现单例的任何类。注意，不能用于多线程环境。
    """

    def __init__(self, cls):
        """ 需要的参数是一个类 """
        self._cls = cls

    def Instance(self):
        """
        返回真正的实例
        """
        try:
            return self._instance
        except AttributeError:
            self._instance = self._cls()
            return self._instance

    def __call__(self):
        raise TypeError('Singletons must be accessed through `Instance()`.')

    def __instancecheck__(self, inst):
        return isinstance(inst, self._decorated)


# 装饰器
@Singleton
class A:
    """一个需要单例模式的类"""
    def __init__(self):
        pass

    def display(self):
        return id(self)

if __name__ == '__main__':
    s1 = A.Instance()
    s2 = A.Instance()
    print(s1, s1.display())
    print(s2, s2.display())
    print(s1 is s2)

线程安全

版权声明：本文为CSDN博主「lucky404」的原创文章，遵循 CC 4.0 BY-SA 版权协议，转载请附上原文出处链接及本声明。
原文链接：https://blog.csdn.net/lucky404/article/details/79668131

# coding:utf-8
import threading


def synchronized(func):

    func.__lock__ = threading.Lock()

    def lock_func(*args, **kwargs):
        with func.__lock__:
            return func(*args, **kwargs)
    return lock_func


class Singleton(object):
    """
    单例模式
    """
    instance = None

    @synchronized
    def __new__(cls, *args, **kwargs):
        if cls.instance is None:
            cls.instance = object.__new__(cls, *args, **kwargs)
        return cls.instance