單例模式

單例模式（Singleton Pattern）是一種常用的軟件設(shè)計(jì)模式，該模式的主要目的是確保某一個(gè)類只有一個(gè)實(shí)例存在。當(dāng)你希望在整個(gè)系統(tǒng)中，某個(gè)類只能出現(xiàn)一個(gè)實(shí)例時(shí)，單例對(duì)象就能派上用場(chǎng)。

比如，某個(gè)服務(wù)器程序的配置信息存放在一個(gè)文件中，客戶端通過一個(gè) AppConfig 的類來讀取配置文件的信息。如果在程序運(yùn)行期間，有很多地方都需要使用配置文件的內(nèi)容，也就是說，很多地方都需要?jiǎng)?chuàng)建 AppConfig 對(duì)象的實(shí)例，這就導(dǎo)致系統(tǒng)中存在多個(gè) AppConfig 的實(shí)例對(duì)象，而這樣會(huì)嚴(yán)重浪費(fèi)內(nèi)存資源，尤其是在配置文件內(nèi)容很多的情況下。事實(shí)上，類似 AppConfig 這樣的類，我們希望在程序運(yùn)行期間只存在一個(gè)實(shí)例對(duì)象。

在 Python 中，我們可以用多種方法來實(shí)現(xiàn)單例模式：

使用模塊
使用 new
使用裝飾器（decorator）
使用元類（metaclass）
使用模塊

其實(shí)，Python 的模塊就是天然的單例模式，因?yàn)槟K在第一次導(dǎo)入時(shí)，會(huì)生成 .pyc 文件，當(dāng)?shù)诙螌?dǎo)入時(shí)，就會(huì)直接加載 .pyc 文件，而不會(huì)再次執(zhí)行模塊代碼。因此，我們只需把相關(guān)的函數(shù)和數(shù)據(jù)定義在一個(gè)模塊中，就可以獲得一個(gè)單例對(duì)象了。如果我們真的想要一個(gè)單例類，可以考慮這樣做：

mysingleton.py

class My_Singleton(object):
    def foo(self):
        pass
 
my_singleton = My_Singleton()

將上面的代碼保存在文件 mysingleton.py 中，然后這樣使用：

from mysingleton import my_singleton

my_singleton.foo()

from mysingleton import my_singleton
 
my_singleton.foo()

使用 new

為了使類只能出現(xiàn)一個(gè)實(shí)例，我們可以使用 new 來控制實(shí)例的創(chuàng)建過程，代碼如下：

class Singleton(object):
    _instance = None
    def __new__(cls, *args, **kw):
        if not cls._instance:
            cls._instance = super(Singleton, cls).__new__(cls, *args, **kw)  
        return cls._instance  

class MyClass(Singleton):  
    a = 1

class Singleton(object):
    _instance = None
    def __new__(cls, *args, **kw):
        if not cls._instance:
            cls._instance = super(Singleton, cls).__new__(cls, *args, **kw)  
        return cls._instance  
 
class MyClass(Singleton):  
    a = 1

在上面的代碼中，我們將類的實(shí)例和一個(gè)類變量 _instance 關(guān)聯(lián)起來，如果 cls._instance 為 None 則創(chuàng)建實(shí)例，否則直接返回 cls._instance。

執(zhí)行情況如下：

>>> one = MyClass()
>>> two = MyClass()
>>> one == two
True
>>> one is two
True
>>> id(one), id(two)
(4303862608, 4303862608)

>>> one = MyClass()
>>> two = MyClass()
>>> one == two
True
>>> one is two
True
>>> id(one), id(two)
(4303862608, 4303862608)

使用裝飾器

我們知道，裝飾器（decorator）可以動(dòng)態(tài)地修改一個(gè)類或函數(shù)的功能。這里，我們也可以使用裝飾器來裝飾某個(gè)類，使其只能生成一個(gè)實(shí)例，代碼如下：

from functools import wraps

def singleton(cls):
    instances = {}
    @wraps(cls)
    def getinstance(*args, **kw):
        if cls not in instances:
            instances[cls] = cls(*args, **kw)
        return instances[cls]
    return getinstance

@singleton
class MyClass(object):
    a = 1

from functools import wraps
 
def singleton(cls):
    instances = {}
    @wraps(cls)
    def getinstance(*args, **kw):
        if cls not in instances:
            instances[cls] = cls(*args, **kw)
        return instances[cls]
    return getinstance
 
@singleton
class MyClass(object):
    a = 1

在上面，我們定義了一個(gè)裝飾器 singleton，它返回了一個(gè)內(nèi)部函數(shù) getinstance，該函數(shù)會(huì)判斷某個(gè)類是否在字典 instances 中，如果不存在，則會(huì)將 cls 作為 key，cls(*args, **kw) 作為 value 存到 instances 中，否則，直接返回 instances[cls]。

使用 metaclass

元類（metaclass）可以控制類的創(chuàng)建過程，它主要做三件事：

攔截類的創(chuàng)建
修改類的定義
返回修改后的類
使用元類實(shí)現(xiàn)單例模式的代碼如下：

class Singleton(type):
    _instances = {}
    def __call__(cls, *args, **kwargs):
        if cls not in cls._instances:
            cls._instances[cls] = super(Singleton, cls).__call__(*args, **kwargs)
        return cls._instances[cls]

# Python2
class MyClass(object):
    __metaclass__ = Singleton

# Python3
# class MyClass(metaclass=Singleton):
#    pass

class Singleton(type):
    _instances = {}
    def __call__(cls, *args, **kwargs):
        if cls not in cls._instances:
            cls._instances[cls] = super(Singleton, cls).__call__(*args, **kwargs)
        return cls._instances[cls]
 
# Python2
class MyClass(object):
    __metaclass__ = Singleton
 
# Python3
# class MyClass(metaclass=Singleton):
#    pass

小結(jié)

Python 的模塊是天然的單例模式，這在大部分情況下應(yīng)該是夠用的，當(dāng)然，我們也可以使用裝飾器、元類等方法