Python进阶之实现单例模式的常见方法

【一】单例模式介绍

【1】什么是单例模式

• 一个类只允许创建一个对象（或者实例），那这个类就是一个单例类，这种设计模式就叫作单例设计模式，简称单例模式

【2】为什么要学单例模式

• 当一个类的功能比较单一，只需要一个实例对象就可以完成需求时，就可以使用单例模式来节省内存资源

【3】如何实现一个单例

• 在python中，我们可以使用多种方法来实现单例模式
  • 使用模块
  • 使用装饰器
  • 使用类（方法）
  • 基于__new__方法实现
  • 基于元类metaclass实现

【二】类属性

• 使用类属性保存实例，通过类方法获取实例。
• 在第一次调用get_instance方法时创建实例，并在后续调用中直接返回该实例
• 类产生对象

# 创建一个普通的类
class Student(object):
    pass


# 实例化类得到对象，类只要加()实例化就会产生一个全新的对象
stu1 = Student()
stu2 = Student()
print(id(stu1))  # 1711911837680
print(id(stu2))  # 1711911837680
# 两个对象的id不同

• 类属性包装成方法

class Student(object):
    _instance = None

    def __init__(self, name, age):
        self.name = name
        self.age = age

    @classmethod
    def get_instance(cls):
        if cls._instance is None:
            cls._instance = Student('ligo', 18)
        return cls._instance


stu1 = Student.get_instance()
stu2 = Student.get_instance()
print(id(stu1))  # 2387386923232
print(id(stu2))  # 2387386923232
# id 相同，是同一个实例

【三】装饰器

• 使用装饰器将原来的类包装成一个新的类，通过闭包和字典保存实例。
• 在每次实例化时，先检查字典中是否已经存在该类的实例，如果不存在才创建实例并返回

def outer(cls):
    instance = {}

    def inner(*args, **kwargs):
        if cls not in instance:
            instance[cls] = cls(*args, **kwargs)
        return instance[cls]

    return inner


@outer
class MyClass(object):
    pass


obj1 = MyClass()
obj2 = MyClass()

print(id(obj1))  # 2051247611504
print(id(obj2))  # 2051247611504

【四】元类

• 定义一个元类，在元类的__call__方法中判断实例是否已存在，如果不存在则调用父类的__call__方法来创建并返回实例

class MyType(type):
    def __init__(cls, class_name, class_bases, class_dict):
        super(MyType, cls).__init__(class_name, class_bases, class_dict)
        cls.instance = None

    def __call__(cls, *args, **kwargs):
        if cls.instance is None:
            cls.instance = super(MyType, cls).__call__(*args, **kwargs)
        return cls.instance


class MyClass(metaclass=MyType):
    pass


obj1 = MyClass()
obj2 = MyClass()

print(id(obj1))  # 2202077462144
print(id(obj2))  # 2202077462144
# id 相同，是同一个实例

【五】基于__new__方法

• 在Python中，对象的实例化过程通常遵循以下步骤：
  • 首先执行类的__new__方法，如果未定义此方法，将默认调用父类的__new__方法来创建一个实例化对象，然后再执行__init__方法来对这个新创建的对象进行初始化
• 利用实例化过程来实现单例模式：
  • 在类的__new__方法中判断是否已经存在实例，如果存在，则直接返回现有实例，否则创建一个新实例
  • 这样就能够确保只有一个实例存在，从而实现了单例模式的效果

class Student(object):
    def __new__(cls, *args, **kwargs):
        if not hasattr(cls, '_instance'):
            cls._instance = super().__new__(cls)
        return cls._instance


stu1 = Student()
stu2 = Student()
print(id(stu1))  # 1711911837680
print(id(stu2))  # 1711911837680
# id相同，是同一个实例
# 重写__new__方法，在实例化对象时判断类中是否已有实例，如果没有则调用父类的__new__方法来创建并返回

【六】基于模块

class Student:
    pass


instance = Student()
# 将实例化操作放在模块级别，通过导入该模块来获取实例。
# 由于Python模块在运行时只会被导入一次，因此保证了实例的单一性