Python中實現單例模式的n種方式和原理

Python 單例模式 · 發表 2018-11-13 21:01:38

摘要：在Python中如何實現單例模式？這可以說是一個經典的Python面試題了。這回我們講講實現Python中實現單例模式的n種方式，和它的原理。什麼是單例模式維基百科中說：單例模式，也叫單子模式，是一種常用的軟體設計模式。在應用這個模式時，單例物件的類必須保證只...

在Python中如何實現單例模式？這可以說是一個經典的Python面試題了。這回我們講講實現Python中實現單例模式的n種方式，和它的原理。

什麼是單例模式

ofollow,noindex" target="_blank">維基百科中說：

單例模式，也叫單子模式，是一種常用的軟體設計模式。在應用這個模式時，單例物件的類必須保證只有一個例項存在。許多時候整個系統只需要擁有一個的全域性物件，這樣有利於我們協調系統整體的行為。比如在某個伺服器程式中，該伺服器的配置資訊存放在一個檔案中，這些配置資料由一個單例物件統一讀取，然後服務程序中的其他物件再通過這個單例物件獲取這些配置資訊。這種方式簡化了在複雜環境下的配置管理。

在日常程式設計中，最常用的地方就在於配置類了。舉個例子：

from config import config

print(config.SQLALCHEMY_DB_URI)

我們當然是希望config 在全域性中都是唯一的，那麼最簡單的實現單例的方式就出來了：使用一個全域性變數。

實現單例的方式

全域性變數

我們在一個模組中實現配置類：

# config.py

class Config:
def __init__(self, SQLALCHEMY_DB_URI):
self.SQLALCHEMY_DB_URI = SQLALCHEMY_DB_URI

config = Config("mysql://xxx")

當然這只是一個例子。真正實現的時候我們肯定不會這樣做，因為__init__ 太難寫了。也許我們可以考慮 Python 3.7 中引入的dataclass :

# config.py

from dataclasses import dataclass

@dataclass
class Config:
SQLALCHEMY_DB_URI = SQLALCHEMY_DB_URI

config = Config(SQLALCHEMY_DB_URI ="mysql://")

通過使用全域性變數，我們在所有需要引用配置的地方，都使用from config import config 來匯入，這樣就達到了全域性唯一的目的。

使用metaclass

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 Config(metaclass=Singleton):
def __init__(self, SQLALCHEMY_DB_URI):
self.SQLALCHEMY_DB_URI = SQLALCHEMY_DB_URI

metaclass 是類的類，在Python中，instance是例項，class是類，metaclass是類的類。instance是class例項化的結果，而class是metaclass例項化的結果。因此，Config 在被例項化的時候，就會呼叫Singleton.__call__ ，所以所有Config() 的地方，最後都會返回同一個物件。

重寫`new`

class Singleton(object):
_instance = None
def __new__(class_, *args, **kwargs):
if not isinstance(class_._instance, class_):
class_._instance = object.__new__(class_, *args, **kwargs)
return class_._instance

class Config(Singleton, BaseClass):
pass

Python中，類例項化的過程是先執行Config.__new__ 生成例項，然後執行例項.__init__ 進行初始化的，所以通過重寫__new__ 也可以達到所有呼叫Config() 的地方都返回同一個物件。

使用裝飾器

def singleton(class_):
class class_w(class_):
_instance = None
def __new__(class_, *args, **kwargs):
if class_w._instance is None:
class_w._instance = super(class_w, class_).__new__(class_, *args, **kwargs)
class_w._instance._sealed = False
return class_w._instance
def __init__(self, *args, **kwargs):
if self._sealed:
return
super(class_w, self).__init__(*args, **kwargs)
self._sealed = True
class_w.__name__ = class_.__name__
return class_w

@singleton
class Config(BaseClass):
pass

使用裝飾器也能達到這樣的目的，即：有閉包儲存了例項，在每次呼叫Config() 之前，檢查該例項，如果已經初始化過，那麼就直接返回，否則則呼叫Config() 進行初始化，然後儲存。

總結

看完了這四種實現單例的方式，不知道你有沒有發現他們都有一個共同點，即：在真正呼叫Config() 之前進行一些攔截操作，來保證返回的物件都是同一個：

全域性變數：不直接呼叫Config() ，而使用同一個全域性變數
使用metaclass：metaclass重寫__call__ 來保證每次呼叫Config() 都會返回同一個物件
重寫__new__ ：重寫__new__ 來保證每次呼叫Config() 都會返回同一個物件
使用裝飾器：使用裝飾器來保證每次呼叫Config() 都會返回同一個物件