设计模式：单例模式

2022-02-07 本文已影响0人狄仁杰666

前言

来啦老铁！

笔者正在学习常见的设计模式，且将设计模式系列学习文章归入 “设计模式学习” 专题，赶快关注专题一起学习吧！

今天我们继续学习：

单例模式

备注：笔者的学习资料大部分来源于：菜鸟教程；

学习路径

单例模式简介；
单例模式代码实现；
单例模式优缺点分析；
单例模式使用场景介绍；

1. 单例模式简介；

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。

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。

2. 单例模式代码实现；

虽然单例模式很 Java 的样子，单其实其他语言一样能用、有用，我们还是从 python 的角度来看下单例模式怎么用代码来实现吧~

据了解，python 中有几种方式可以实现单例模式：
1. 使用模块实现单例；
2. 使用函数装饰器实现单例；
3. 使用类装饰器实现单例；
4. 使用 new 关键字实现单例；
5. 使用 metaclass 实现单例；

1). 使用模块实现单例；

python的模块就是天然的单例模式,因为模块在第一次导入的时候,会生成.pyc文件,当第二次导入的时候,就会直接加载.pyc文件,而不是再次执行模块代码.如果我们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。

作者：莫辜负自己的一世韶光
链接：https://www.jianshu.com/p/6a1690f0dd00
来源：简书
著作权归作者所有。商业转载请联系作者获得授权，非商业转载请注明出处。

创建一个类，例如 Database 类；

import time


class Database:
    def __init__(self):
        time.sleep(1)
        pass

    def get_mysql(self):
        print("get mysql...")


database = Database()

使用 Database 类演示单例模式；

from database import database


def test():
    database.get_mysql()
    print("id:", id(database))
    database.get_mysql()
    print("id:", id(database))


if __name__ == '__main__':
    test()

结果：

单例模式演示

从打印出的对象 id 可以发现，该方式多次使用 database 对象时未创建多个 database 对象，符合单例模式；

2). 使用函数装饰器实现单例；

创建一个类，如 Car 类，并用函数装饰器完成单例模式；

def singleton(cls):
    _instance = {}

    def fn():
        if cls not in _instance:
            # 实例化类，并用字典存储
            _instance[cls] = cls()
        # 返回字典中存储的类
        return _instance[cls]

    return fn


@singleton
class Car:
    def __init__(self):
        pass

    def get_bmw(self):
        print("get BMW...")


if __name__ == "__main__":
    car_1 = Car()
    car_1.get_bmw()
    print(id(car_1))

    car_2 = Car()
    car_2.get_bmw()
    print(id(car_2))

使用函数装饰器实现的单例模式；

结果：

函数装饰器实现的单例模式

成功~

3). 使用类装饰器实现单例；

创建一个类，如 Phone 类：

class Singleton:
    def __init__(self, cls):
        self._cls = cls
        self._instance = {}

    def __call__(self):
        if self._cls not in self._instance:
            self._instance[self._cls] = self._cls()
        return self._instance[self._cls]


@Singleton
class Phone:
    def __init__(self):
        pass

    def get_huawei(self):
        print("Hua Wei...")


if __name__ == "__main__":
    phone_1 = Phone()
    phone_1.get_huawei()
    print(id(phone_1))

    phone_2 = Phone()
    phone_2.get_huawei()
    print(id(phone_2))

使用类装饰器实现的单例模式；
结果：

类装饰器实现的单例模式

与函数装饰器方式类似，成功~

4). 使用 new 关键字实现单例；

创建一个类，如 School 类：

class School(object):
    _instance = None

    def __init__(self):
        pass

    def __new__(cls, *args, **kwargs):
        if cls._instance is None:
            cls._instance = object.__new__(cls)
        return cls._instance

    def get_qinghua(self):
        print("qing hua...")


if __name__ == '__main__':
    school_1 = School()
    school_1.get_qinghua()
    print(id(school_1))

    school_2 = School()
    school_2.get_qinghua()
    print(id(school_2))

使用 new 关键字实现的单例模式；
结果：
__new__ 关键字实现的单例模式

成功~

5). 使用 metaclass 实现单例；

了解使用 type 创造类的方法；
在继续实现之前，我们需要了解一个 python 知识点，即使用 type 创造类的方法，其例子类似：

def fn(self):
    # self 可以为任意其他字符，这里只是一个类似占位符的东西
    print("this is a test")


if __name__ == "__main__":
    # clazz 可以为其他任意字符
    # "fn" 为可被访问的方法名，也可以为其他任意名字，"fn" 与 fn 可以名字不同
    clazz = type("clazz", (), {"fn": fn})
    test_class = clazz()
    test_class.fn()

这样，我们就会用 type 创建类了，笔者也是第一次使用这种方式，只能说 python 还是有很多隐藏的知识点呀~

创建一个类，如 Color 类：

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]


class Color(metaclass=Singleton):
    def __init__(self):
        pass

    def get_blue(self):
        print("get blue color...")


if __name__ == "__main__":
    color_1 = Color()
    color_1.get_blue()
    print(id(color_1))

    color_2 = Color()
    color_2.get_blue()
    print(id(color_2))

使用 mataclass 实现单例模式；
结果：

mataclass 实现单例模式

成功~

注意，以上 5 种实现单例模式的方式，除了第 1 种在多线程场景下，能确保只有 1 个对象被创建，其他的均不能确保只有 1 个对象被创建，“单例”得还是不够，因此，如果在多线程场景下，则需要给对象实例化的时候加锁，例如：

import threading
from time import sleep


class Singleton(type):
    _instances = {}

    def __call__(cls, *args, **kwargs):
        with Color.__lock__:
            if cls not in cls._instances:
                cls._instances[cls] = super(Singleton, cls).__call__(*args, **kwargs)
            return cls._instances[cls]


class Color(metaclass=Singleton):
    __lock__ = threading.Lock()

    def __init__(self):
        sleep(1)
        pass

    def get_blue(self):
        print("get blue color...")


def worker():
    color = Color()
    print(id(color), "\n")


if __name__ == "__main__":
    # color_1 = Color()
    # color_1.get_blue()
    # print(id(color_1))
    #
    # color_2 = Color()
    # color_2.get_blue()
    # print(id(color_2))

    task_list = []
    for i in range(5):
        t = threading.Thread(target=worker)
        task_list.append(t)

    for t in task_list:
        t.start()

    for t in task_list:
        t.join()

或者使用装饰器做一个锁，这样就能做到“全局”只有一个实例了~

3. 单例模式优缺点分析；

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。

4. 单例模式使用场景介绍；

一个班级只有一个班主任。
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。
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。
要求生产唯一序列号。
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。
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。

其他参考文献：https://zhuanlan.zhihu.com/p/37534850

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