[Python設計模式] 第21章 計劃生育——單例模式

時間  2019-11-06
標籤 python 設計 模式 計劃生育 欄目 Python 简体版
原文   原文鏈接

github地址:https://github.com/cheesezh/python_design_patternshtml

單例模式

單例模式（Singleton Pattern）是一種經常使用的軟件設計模式，該模式的主要目的是確保某一個類只有一個實例存在。當你但願在整個系統中，某個類只能出現一個實例時，單例模式就能派上用場。python

好比，某個服務器程序的配置信息存放在一個文件中，客戶端經過一個 AppConfig 的類來讀取配置文件的信息。若是在程序運行期間，有不少地方都須要使用配置文件的內容，也就是說，不少地方都須要建立 AppConfig 對象的實例，這就致使系統中存在多個 AppConfig 的實例對象，而這樣會嚴重浪費內存資源，尤爲是在配置文件內容不少的狀況下。事實上，相似 AppConfig 這樣的類，咱們但願在程序運行期間只存在一個實例對象。git

在 Python 中，咱們能夠用多種方法來實現單例模式。github

使用模塊

其實，Python 的模塊就是自然的單例模式，由於模塊在第一次導入時，會生成 .pyc 文件，當第二次導入時，就會直接加載 .pyc 文件，而不會再次執行模塊代碼。所以，咱們只需把相關的函數和數據定義在一個模塊中，就能夠得到一個單例對象了。若是咱們真的想要一個單例類，能夠考慮這樣作：設計模式

# mysingleton.py
class Singleton(object):
    def foo(self):
        pass
singleton = Singleton()

將上面的代碼保存在文件 mysingleton.py 中，要使用時，直接在其餘文件中導入此文件中的對象，這個對象便是單例模式的對象安全

from a import singleton

使用裝飾器

def Singleton(cls):
    _instance = {}

    def _singleton(*args, **kargs):
        if cls not in _instance:
            _instance[cls] = cls(*args, **kargs)
        return _instance[cls]

    return _singleton


@Singleton
class A(object):
    a = 1

    def __init__(self, x=0):
        self.x = x


a1 = A(2)
a2 = A(3)
print(a1)
print(a2)
<__main__.A object at 0x103496668>
<__main__.A object at 0x103496668>

使用類

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

通常狀況，你們覺得這樣就完成了單例模式，可是這樣當使用多線程時會存在問題。服務器

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()
<__main__.Singleton object at 0x1033e84a8>
<__main__.Singleton object at 0x1033e84a8>
<__main__.Singleton object at 0x1033e84a8>
<__main__.Singleton object at 0x1033e84a8>
<__main__.Singleton object at 0x1033e84a8>
<__main__.Singleton object at 0x1033e84a8>
<__main__.Singleton object at 0x1033e84a8>
<__main__.Singleton object at 0x1033e84a8>
<__main__.Singleton object at 0x1033e84a8>
<__main__.Singleton object at 0x1033e84a8>

看起來也沒有問題，那是由於執行速度過快，若是在init方法中有一些IO操做，就會發現問題了，下面咱們經過time.sleep模擬多線程

class Singleton(object):

    def __init__(self):
        import time
        time.sleep(0.5)
        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 0x1033b79e8>
<__main__.Singleton object at 0x1033b7e10>
<__main__.Singleton object at 0x103401ef0>
<__main__.Singleton object at 0x103401c18>
<__main__.Singleton object at 0x103401048>
<__main__.Singleton object at 0x103401dd8>
<__main__.Singleton object at 0x103401b00>
<__main__.Singleton object at 0x103401eb8>
<__main__.Singleton object at 0x103401a58>
<__main__.Singleton object at 0x103401fd0>

問題出現了！按照以上方式建立的單例，沒法支持多線程。併發

解決辦法：加鎖！未加鎖部分併發執行,加鎖部分串行執行,速度下降,可是保證了數據安全函數

import time
import threading


class Singleton(object):
    _instance_lock = threading.Lock()

    def __init__(self):
        time.sleep(0.5)

    @classmethod
    def instance(cls, *args, **kwargs):
        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(5)
obj = Singleton.instance()
print(obj)
<__main__.Singleton object at 0x103401b00>
<__main__.Singleton object at 0x103401b00>
<__main__.Singleton object at 0x103401b00>
<__main__.Singleton object at 0x103401b00>
<__main__.Singleton object at 0x103401b00>
<__main__.Singleton object at 0x103401b00>
<__main__.Singleton object at 0x103401b00>
<__main__.Singleton object at 0x103401b00>
<__main__.Singleton object at 0x103401b00>
<__main__.Singleton object at 0x103401b00>
<__main__.Singleton object at 0x103401b00>

這樣就差很少了，可是仍是有一點小問題，就是當程序執行時，執行了time.sleep(5)後，下面實例化對象時，此時已是單例模式了，但咱們仍是加了鎖，這樣不太好，再進行一些優化，須要修改一下intance方法。

import time
import threading


class Singleton(object):
    _instance_lock = threading.Lock()

    def __init__(self):
        time.sleep(0.5)

    @classmethod
    def instance(cls, *args, **kwargs):
        if not hasattr(Singleton, "_instance"):
            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(5)
obj = Singleton.instance()
print(obj)
<__main__.Singleton object at 0x1033db550>
<__main__.Singleton object at 0x1033db550>
<__main__.Singleton object at 0x1033db550>
<__main__.Singleton object at 0x1033db550>
<__main__.Singleton object at 0x1033db550>
<__main__.Singleton object at 0x1033db550>
<__main__.Singleton object at 0x1033db550>
<__main__.Singleton object at 0x1033db550>
<__main__.Singleton object at 0x1033db550>
<__main__.Singleton object at 0x1033db550>
<__main__.Singleton object at 0x1033db550>

這種方式實現的單例模式，使用時會有限制，之後實例化必須經過obj = Singleton.instance()，若是用obj=Singleton(),這種方式獲得的不是單例。

使用__new__方法（推薦使用，方便）

經過上面例子，咱們能夠知道，當咱們實現單例時，爲了保證線程安全須要在內部加入鎖。

咱們知道，當咱們實例化一個對象時，是先執行了類的__new__方法（咱們沒寫時，默認調用object.__new__）實例化對象；而後再執行類的__init__方法，對這個對象進行初始化，全部咱們能夠基於這個機制，實現單例模式。

import threading
import time
class Singleton(object):
    _instance_lock = threading.Lock()

    def __init__(self):
        time.sleep(0.5)

    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 0x103483b70> <__main__.Singleton object at 0x103483b70>
<__main__.Singleton object at 0x103483b70>
<__main__.Singleton object at 0x103483b70>
<__main__.Singleton object at 0x103483b70>
<__main__.Singleton object at 0x103483b70>
<__main__.Singleton object at 0x103483b70>
<__main__.Singleton object at 0x103483b70>
<__main__.Singleton object at 0x103483b70>
<__main__.Singleton object at 0x103483b70>
<__main__.Singleton object at 0x103483b70>
<__main__.Singleton object at 0x103483b70>

採用這種方式的單例模式，之後實例化對象時，和平時實例化對象的方法同樣obj = Singleton()

使用metaclass

  1. 類由type建立，建立類時，type的__init__方法自動執行，類()執行type的__call__方法(類的__new__方法,類的__init__方法)
  2. 對象由類建立，建立對象時，類的__init__方法自動執行，對象()執行類的__call__方法
class Foo:
    def __init__(self):
        print("Foo __init__")

    def __call__(self, *args, **kwargs):
        print("Foo __call__")

# 執行type的 __call__ 方法
# 調用 Foo類（是type的對象）的 __new__方法，用於建立對象
# 而後調用 Foo類（是type的對象）的 __init__方法，用於對對象初始化。
obj = Foo()

# 執行Foo的 __call__ 方法
obj()
Foo __init__
Foo __call__
class SingletonType(type):
    def __init__(self,*args,**kwargs):
        super(SingletonType,self).__init__(*args,**kwargs)

    def __call__(cls, *args, **kwargs): # 這裏的cls，即Foo類
        print('cls',cls)
        obj = cls.__new__(cls,*args, **kwargs)
        cls.__init__(obj,*args, **kwargs) # Foo.__init__(obj)
        return obj

class Foo(metaclass=SingletonType): # 指定建立Foo的type爲SingletonType
    def __init__(self, name):
        self.name = name
    def __new__(cls, *args, **kwargs):
        return object.__new__(cls)

obj = Foo('xx')
cls <class '__main__.Foo'>
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)
print(obj2)
<__main__.Foo object at 0x10348d908>
<__main__.Foo object at 0x10348d908>

參考文章: Python中的單例模式的幾種實現方式的及優化

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