【python设计模式-创建型】单例模式
单例模式（Singleton Pattern）是 Java 中最简单的设计模式之一。这种类型的设计模式属于创建型模式，它提供了一种创建对象的最佳方式。
这种模式涉及到一个单一的类，该类负责创建自己的对象，同时确保只有单个对象被创建。这个类提供了一种访问其唯一的对象的方式，可以直接访问，不需要实例化该类的对象。
注意：
- 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。
意图：保证一个类仅有一个实例，并提供一个访问它的全局访问点。
主要解决：一个全局使用的类频繁地创建与销毁。
何时使用：当您想控制实例数目，节省系统资源的时候。
如何解决：判断系统是否已经有这个单例，如果有则返回，如果没有则创建。
关键代码：构造函数是私有的。
应用实例：
- 1、一个班级只有一个班主任。
- 2、Windows 是多进程多线程的，在操作一个文件的时候，就不可避免地出现多个进程或线程同时操作一个文件的现象，所以所有文件的处理必须通过唯一的实例来进行。
- 3、一些设备管理器常常设计为单例模式，比如一个电脑有两台打印机，在输出的时候就要处理不能两台打印机打印同一个文件。
优点：
- 1、在内存里只有一个实例，减少了内存的开销，尤其是频繁的创建和销毁实例（比如管理学院首页页面缓存）。
- 2、避免对资源的多重占用（比如写文件操作）。
缺点：没有接口，不能继承，与单一职责原则冲突，一个类应该只关心内部逻辑，而不关心外面怎么样来实例化。
使用场景：
- 1、要求生产唯一序列号。
- 2、WEB 中的计数器，不用每次刷新都在数据库里加一次，用单例先缓存起来。
- 3、创建的一个对象需要消耗的资源过多，比如 I/O 与数据库的连接等。
注意事项：getInstance() 方法中需要使用同步锁 synchronized (Singleton.class) 防止多线程同时进入造成 instance 被多次实例化。
实现
1、第一种方式
自己定义一个包，例如mySingleton.py
class Singleton(object):
def foo(self):
pass
singleton = Singleton()然后在其它的python文件中就可以使用：from mySingleton import singleton
2、第二种方式：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 = xa1 = A(2) a2 = A(3) print(a1.a) print(a2.a) print(a1.x) print(a2.x) print(id(a1)) print(id(a2))
运行结果：
值得关注的几个点：
（1） a1和a2的内存地址是一致的，说明是同一个对象；
（2）单例模式只实例化一次类，因此a1.x和a2.x的值都是a1初始化之后的值，也就是2。
3、使用类
class Singleton(object):
def __init__(self,x):
self.x=x
@classmethod
def instance(cls, *args, **kwargs):
if not hasattr(Singleton, "_instance"):
Singleton._instance = Singleton(*args, **kwargs)
return Singleton._instance
a1 = Singleton(4)
a2 = Singleton(5)
print(id(a1))
print(id(a2))
print(a1.x)
print(a2.x)
print(id(a1.instance(2)))
print(id(a2.instance(3)))
print(a1.x)
print(a2.x)输出：
需要关注的几个点：
（1）Singleton的实例a1和a2不是同一个对象，但是a1.instance()和a2.instance()确是同一个对象。
（2）x初始化之后的值没有被instance(x)所改变。
也就是这里的单例实际上是Singleton.instance()
但是上述这种实现会存在线程不安全，例如以下代码：
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()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)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。
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()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实现
"""
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
"""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)结果：
参考：
https://www.runoob.com/design-pattern/singleton-pattern.html
https://www.cnblogs.com/chillax1314/articles/8287333.html
https://my.oschina.net/u/4051725/blog/4379773
https://www.cnblogs.com/ExMan/p/10426937.html
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