python单例模式及其优化

骑猪看日落 2022-05-08 06:52 144阅读 0赞

# 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。

在 Python 中，我们可以用多种方法来实现单例模式

# 实现单例模式的几种方式 #

## 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 ##

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"):
                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)
    
    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 = 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')

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)