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类的单实例模式

单例模式的实现方式有:

1.使用模块
2.使用装饰器
3.使用类
4.基于__new__方法
5.基于metaclass实现

什么是单例模式?

单例模式(singleton pattern)是一种常用的软件交互模式,该模式的主要目的是为了确保某个类只有一个实例存在,当你希望系统中,某个类只能出现一个实例时,单实例就可以派上用场。
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。

单实例的实现方式:

1.使用模块

在python中,模块就是天然的单实例,因为在模块第一次导入的时候,会生成一个pyc文件,当第二次导入的时候,就会加载pyc文件,而不会再次执行模块的代码,因此,我们需要把相关的函数和数据定义在一个模块中,就可以获得单实例对象了。如果我们真的想要一个单例类,就可以考虑这样做。

1 class Singleton:
2     def foo(self):
3         pass
4 
5 singleton = Singleton()
6 
7 #我们将上面的代码保存在一个文件中,然后去另一个文件中导入对象,此时这个对象就是一个单实例对象。
8 from a import Singleton
View Code

2.使用装饰器

 1 def Singleton(cls):
 2     _instance = {}
 3 
 4     def _singleton(*args, **kwargs):
 5         if cls not in _instance:
 6             _instance[cls] = cls(*args, **kwargs)
 7         return _instance
 8     return _singleton
 9 
10 @Singleton
11 class A:
12     a = 1
13 
14     def __init__(self, x=0):
15         self.x = x
16 
17 a1 = A(2)
18 a2 = A(3)
19 
20 print(id(a1),type(a1),a1)
21 print(id(a2),type(a2),a2)
22 >>
23 31222880 <class 'dict'> {<class '__main__.A'>: <__main__.A object at 0x00000000022D9940>}
24 31222880 <class 'dict'> {<class '__main__.A'>: <__main__.A object at 0x00000000022D9940>}
View Code

3.使用类

class Singleton:
    def __int__(self):
        pass

    @classmethod
    def instance(cls, *args, **kwargs):
        if not hasattr(Singleton, '_instance'):
            Singleton._instance = Singleton(*args, **kwargs)
        return Singleton

s1 = Singleton()
s2 = Singleton()

print(id(s1),type(s1),s1)
print(id(s2),type(s2),s2)
>>
57504624 <class '__main__.Singleton'> <__main__.Singleton object at 0x036D7370>
86901072 <class '__main__.Singleton'> <__main__.Singleton object at 0x052E0150>
#一般情况下,大家以为这样就完成了单例模式,但是使用多线程的时候回出现问题
View Code
class Singleton:
    def __int__(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()
>>
<__main__.Singleton object at 0x059AB0F0>
<__main__.Singleton object at 0x059AB0F0>
<__main__.Singleton object at 0x059AB0F0>
<__main__.Singleton object at 0x059AB0F0>
<__main__.Singleton object at 0x059AB0F0>
<__main__.Singleton object at 0x059AB0F0>
<__main__.Singleton object at 0x059AB0F0>
<__main__.Singleton object at 0x059AB0F0>
<__main__.Singleton object at 0x059AB0F0>
<__main__.Singleton object at 0x059AB0F0>

#看似是没有问题,那是因为线程的执行速度比较快,如果在init方法中添加一些IO操作,就会发现问题了。
多线程方法
import  threading

class Singleton:
    def __int__(self):
        import time
        time.sleep(1)

    @classmethod
    def instance(cls, *args, **kwargs):
        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(13):
    t = threading.Thread(target=task, args=[i,])
    t.start()
>>
<__main__.Singleton object at 0x04CDC6B0>
<__main__.Singleton object at 0x04CDC6B0>
<__main__.Singleton object at 0x04CDC6B0>
<__main__.Singleton object at 0x04CDC6B0>
<__main__.Singleton object at 0x04CDC6B0>
<__main__.Singleton object at 0x04CDC6B0>
<__main__.Singleton object at 0x04CDC6B0>
<__main__.Singleton object at 0x04CDC6B0>
<__main__.Singleton object at 0x04CDC6B0>
<__main__.Singleton object at 0x04CDC6B0>
<__main__.Singleton object at 0x04CDC6B0>
<__main__.Singleton object at 0x04CDC6B0>
<__main__.Singleton object at 0x04CDC6B0>
多线程改良版

4.使用__new__()方法

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:
    _instance_lock = threading.Lock()

    def __int__(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()import threading

class Singleton:
    _instance_lock = threading.Lock()

    def __int__(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()
    
>>
<__main__.Singleton object at 0x050501F0>
<__main__.Singleton object at 0x050501F0>
<__main__.Singleton object at 0x050501F0>
<__main__.Singleton object at 0x050501F0>
<__main__.Singleton object at 0x050501F0>
<__main__.Singleton object at 0x050501F0>
<__main__.Singleton object at 0x050501F0>
<__main__.Singleton object at 0x050501F0>
<__main__.Singleton object at 0x050501F0>
<__main__.Singleton object at 0x050501F0>
View Code

5.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
View Code

例子:

class Foo:
    def __int__(self):
        pass

    def __call__(self, *args, **kwargs):
        pass
    
# 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 = Foo()

obj()    # 执行Foo的 __call__ 方法   
View Code

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')
View Code

单实例模式

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)
View Code

 

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