[Python设计模式] 第21章 计划生育——单例模式

时间  2019-11-06
标签 python 设计 模式 计划生育 栏目 Python 繁體版
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github地址:https://github.com/cheesezh/python_design_patternshtml

单例模式

单例模式（Singleton Pattern）是一种经常使用的软件设计模式，该模式的主要目的是确保某一个类只有一个实例存在。当你但愿在整个系统中，某个类只能出现一个实例时，单例模式就能派上用场。python

好比，某个服务器程序的配置信息存放在一个文件中，客户端经过一个 AppConfig 的类来读取配置文件的信息。若是在程序运行期间，有不少地方都须要使用配置文件的内容，也就是说，不少地方都须要建立 AppConfig 对象的实例，这就致使系统中存在多个 AppConfig 的实例对象，而这样会严重浪费内存资源，尤为是在配置文件内容不少的状况下。事实上，相似 AppConfig 这样的类，咱们但愿在程序运行期间只存在一个实例对象。git

在 Python 中，咱们能够用多种方法来实现单例模式。github

使用模块

其实，Python 的模块就是自然的单例模式，由于模块在第一次导入时，会生成 .pyc 文件，当第二次导入时，就会直接加载 .pyc 文件，而不会再次执行模块代码。所以，咱们只需把相关的函数和数据定义在一个模块中，就能够得到一个单例对象了。若是咱们真的想要一个单例类，能够考虑这样作：设计模式

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

将上面的代码保存在文件 mysingleton.py 中，要使用时，直接在其余文件中导入此文件中的对象，这个对象便是单例模式的对象安全

from a import singleton

使用装饰器

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>

使用类

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

通常状况，你们觉得这样就完成了单例模式，可是这样当使用多线程时会存在问题。服务器

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>

看起来也没有问题，那是由于执行速度过快，若是在init方法中有一些IO操做，就会发现问题了，下面咱们经过time.sleep模拟多线程

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>

问题出现了！按照以上方式建立的单例，没法支持多线程。并发

解决办法：加锁！未加锁部分并发执行,加锁部分串行执行,速度下降,可是保证了数据安全函数

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>

这样就差很少了，可是仍是有一点小问题，就是当程序执行时，执行了time.sleep(5)后，下面实例化对象时，此时已是单例模式了，但咱们仍是加了锁，这样不太好，再进行一些优化，须要修改一下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>

这种方式实现的单例模式，使用时会有限制，之后实例化必须经过obj = Singleton.instance()，若是用obj=Singleton(),这种方式获得的不是单例。

使用__new__方法（推荐使用，方便）

经过上面例子，咱们能够知道，当咱们实现单例时，为了保证线程安全须要在内部加入锁。

咱们知道，当咱们实例化一个对象时，是先执行了类的__new__方法（咱们没写时，默认调用object.__new__）实例化对象；而后再执行类的__init__方法，对这个对象进行初始化，全部咱们能够基于这个机制，实现单例模式。

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>

采用这种方式的单例模式，之后实例化对象时，和平时实例化对象的方法同样obj = Singleton()

使用metaclass

  1. 类由type建立，建立类时，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. 对象由类建立，建立对象时，类的__init__方法自动执行，对象()执行类的__call__方法
class Foo:
    def __init__(self):
        print("Foo __init__")

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

# 执行type的 __call__ 方法
# 调用 Foo类（是type的对象）的 __new__方法，用于建立对象
# 而后调用 Foo类（是type的对象）的 __init__方法，用于对对象初始化。
obj = Foo()

# 执行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): # 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): # 指定建立Foo的type为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>

参考文章: Python中的单例模式的几种实现方式的及优化

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