分享|Python设计模式之单例模式实现方式

一、单例模式实现方式——单例模式

单例模式(Singleton Pattern)是最常用的一种设计模式，是一种非常常用的创建型设计模式。什么场景会用到单例模式呢?就是在系统工程中只想创建单个实例对象，比如数据库连接池，Redis连接池，服务监控中心等。这个场景下，如果存在多个实例对象，那么会有无法预测的异常。同时，在设计单例模式时，需要考虑的很重要的因素就是并发性，即多线程调用时是否会存在多个线程。那么，如何设计使用单例模式呢?

二、单例模式实现方式——经典单例模式

最经典的单例模式实现非常简单，主要是：先判断类是否有这个实例，如果没有该实例，则生成一个实例;如果已经存在了一个实例，那么提供这个实例。算法代码如下：

class Singleton(object):
      def __new__(cls, *args, **kw):
            if not hasattr(cls,'_instance'):
                  cls._instance = super(Singleton, cls).__new__(cls, *args, **kw)
            return cls._instance
s = Singleton()
print("Object Created", s)
t = Singleton()
print("Object Created", t)

运行如下代码，得到如下结果：

Object Created <__main__.Singleton object at 0x0000000001F28278>
Object Created <__main__.Singleton object at 0x0000000001F28278>

由此可见，s和t为同一个实例，即Singleton类实现了单例模式。

三、单例模式实现方式——多线程单例模式

上述代码实现了单例模式，但是是否支持多线程呢?我们可以做个测试：

import threading
class Singleton(object):
      def __new__(cls, *args, **kw):
            if not hasattr(cls,'_instance'):
                  cls._instance = super(Singleton, cls).__new__(cls, *args, **kw)
            return cls._instance
def task(arg):
      obj = Singleton()
      print("Object Created", obj)
for i in range(5):
      t = threading.Thread(target=task,args=[i,])
      t.start()

运行结果如下：

Object Created <__main__.Singleton object at 0x0000000001EE0E48>
Object Created <__main__.Singleton object at 0x0000000001EE0E48>
Object Created <__main__.Singleton object at 0x0000000001EE0E48>
Object Created <__main__.Singleton object at 0x0000000001EE0E48>
Object Created <__main__.Singleton object at 0x0000000001EE0E48>

似乎是没有问题的。实际呢?这是因为初始化生成对象的时间比较短，如果生成对象的时间比较长呢?我们应用sleep函数来模拟这种场景。代码如下：

import threading
class Singleton(object):
      def __new__(cls, *args, **kw):
            if not hasattr(cls,'_instance'):
                  import time
                  time.sleep(1)
                  cls._instance = super(Singleton, cls).__new__(cls, *args, **kw)
            return cls._instance
def task(arg):
      obj = Singleton()
      print("Object Created", obj)
for i in range(5):
      t = threading.Thread(target=task,args=[i,])
      t.start()

运行后的结果呢?我们可以看到产生了不同的对象：

Object Created <__main__.Singleton object at 0x0000000002548C18>
Object Created <__main__.Singleton object at 0x000000000260DF98>
Object Created <__main__.Singleton object at 0x0000000002550470>
Object Created <__main__.Singleton object at 0x0000000002550EF0>
Object Created <__main__.Singleton object at 0x000000000255F3C8>

也就是说，这种单例模式在多线程下是失效的，我们需要改进实现方式。那么，在多线程下如何实现单例模式呢?最经典的方式，就是加锁。多线程下单例模式的实现如下：

import threading
class Singleton(object):
      _instance_lock = threading.Lock()
      def __new__(cls, *args, **kw):
            with Singleton._instance_lock:
                  if not hasattr(cls,'_instance'):
                        cls._instance = super(Singleton, cls).__new__(cls, *args, **kw)
                  return cls._instance

我们可以再次测试一下，如果初始化实例时间比较长的情况下，是否会产生多个实例。测试代码如下：

import threading
class Singleton(object):
      _instance_lock = threading.Lock()
      def __new__(cls, *args, **kw):
            with Singleton._instance_lock:
                  if not hasattr(cls,'_instance'):
                        import time
                        time.sleep(1)
                        cls._instance = super(Singleton, cls).__new__(cls, *args, **kw)
                  return cls._instance
def task(arg):
      obj = Singleton()
      print("Object Created", obj)
for i in range(5):
      t = threading.Thread(target=task,args=[i,])
      t.start()

运行结果如下：

Object Created <__main__.Singleton object at 0x0000000001EC8C50>
Object Created <__main__.Singleton object at 0x0000000001EC8C50>
Object Created <__main__.Singleton object at 0x0000000001EC8C50>
Object Created <__main__.Singleton object at 0x0000000001EC8C50>
Object Created <__main__.Singleton object at 0x0000000001EC8C50>

由此可以看出，确实只生成了单个实例，well done。

四、单例模式实现方式——运用元类实现单例模式

元类，是一个类的类，所以，该类是元类的实例。在Python中，一切都为对象，那么，对象都会有类型。看一下如下代码：

a = 'Hello, World'print(type(a))print(type(type(a)))