python 创建单例模式的五种方法

作者: NewForMe | 来源:发表于2018-10-08 09:47 被阅读0次

python面试题2
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单例

一、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 My_Singleton(object):
    def foo(self):
        pass
 
my_singleton = My_Singleton()

将上面的代码保存在文件 mysingleton.py 中，然后这样使用：

from mysingleton import my_singleton
 
my_singleton.foo()

二、使用装饰器（decorator）

个人喜欢使用这个

def singleton(cls, *args, **kw):  
    instances = {}  
    def _singleton():  
        if cls not in instances:  
            instances[cls] = cls(*args, **kw)  
        return instances[cls]  
    return _singleton  
 
@singleton  
class MyClass(object):  
    a = 1  
    def __init__(self, x=0):  
        self.x = x  
  
one = MyClass()  
two = MyClass()  
  
two.a = 3  
print one.a  
#3  
print id(one)  
#29660784  
print id(two)  
#29660784  
print one == two  
#True  
print one is two  
#True  
one.x = 1  
print one.x  
#1  
print two.x
#1

三、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

import threading

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

for i in range(10):
    t = threading.Thread(target=task,args=[i,])
    t.start()

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。

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):
        if not hasattr(Singleton, "_instance"):#这个作用是优化判断，预防已经实例化了就不必进入那段代码睡眠
            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

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

四、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>

上面的代码方法使用__new__的同时还要通过加锁才能实现单例，下面还有一个可以不加锁来实现，不过要先初化一个属性值。

简化版：

class Singleton(object):
    __instance = None
    def __init__(self,name,age):
        if self.__first_init:
            self.name = name
            self.age = age
    
    def __new__(cls,*args,**kwargs):
        if not cls.__instance:
            cls.__instance = object.__new__(cls)
        return cls.__instance
 
a = Singleton('a',12)
b = Singleton('b',13)
print(a)
print(b)
 
print(a.name)
print(b.name)

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()

五、基于metaclass方式实现

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

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)